利用激光點云數據的多方法求取體積的對比試驗

謝宏全，陳艷紅，曹 朔，盧 霞

(1. 淮海工學院測繪與海洋信息學院，江蘇 連云港 222005； 2. 河北地質大學土地資源與城鄉規劃學院，河北 石家莊 050031)

對堆積物(如土堆、煤堆、沙堆等)體積的測量是測繪工作內容之一，采用全站儀或GPS RTK測量離散點坐標的方法存在的主要問題是獲取數據困難、體積計算結果精度低。采用三維激光掃描儀對堆積物進行掃描可以快速地獲取堆積物表面點的三維坐標，測量點均勻分布在堆積物表面，利用軟件可以精確地計算體積[1]。近年來國內一些學者進行了相關研究，取得了一定的研究成果。如胡奎[2]對百善煤礦河堤岸一側進行了掃描，通過CAD軟件對河堤按要求進行加高設計并計算體積；陳展鵬等[3]選擇汶川縣草坡鄉的典型滑坡堆積體，構建滑坡堆積體幾何模型，計算了滑坡堆積體體積；郭景仁等[4]應用有限元理論，采用積分方法計算了實體表面面積和體積；王解先等[1]提出采用格網劃分原理，對體積的計算方法進行了試驗研究；李鵬宇等[5]研究了測量誤差、采樣間隔對采場體積計算的影響及三維激光掃描數據格式轉換與數據共享機制；蘇春艷等[6]利用三維激光掃描儀掃描大面積的堆積體，精確地計算出被測物體體積；張榮華等[7]研究表明，利用三維激光掃描測量獲取堆體體積的方法可以滿足實際工程精度要求，并給出在土方量計算中的相關定量指標；王鑫森等[8]研究實際工程表明，在有效降低外業強度的同時，可保證土方計算的高精度，計算結果較常規測繪手段有明顯優勢，對精確計算工程費用、消除爭議有重要意義；袁鳳祥等[9]以四川省大邑縣出江鎮礦堆測量為例，采用CSAA軟件計算了土石方量；洪卓眾[10]利用全站儀與三維激光掃描儀獲得填方量和挖方量，并與傳統方法進行對比驗證；王果等[11]采用VC++并借助QT和PCL編制了土方量計算軟件；另外，一些學者利用三維激光掃描技術對土方量計算進行了相關研究[12-16]。本文選取某建筑工地臨時土堆作為研究對象，利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取激光點云數據，利用Cyclone軟件進行數據預處理；采用Cyclone、CASS、Geomagic與HD_3LS_SCENE軟件對土堆體積分別進行計算，并對計算結果進行對比分析。

1 激光點云數據獲取與預處理

1.1 數據獲取方法

為了保證試驗精度，需選取相對獨立的土堆，土堆上面及周邊的樹木雜草較少，并且土堆大小要適中，因此確定校園內的建筑工地臨時土堆作為研究對象。

結合土堆周圍環境及其自身地形特點，此次測量采用球形標靶拼接的數據采集方案。設置測站5站，在土堆四周放置4個球形標靶(確保每一測站都能觀測到至少3個標靶)，選用矩形區域的掃描方式，采用自定義分辨率進行掃描(表面分辨率為5 cm)，每一測站用時大約為10 min。徠卡C10掃描儀采集點云數據的測站分布如圖1所示。

圖1 測站分布示意圖

1.2 數據預處理

本文試驗使用的數據處理軟件是與徠卡C10掃描儀配套的Cyclone。將掃描數據導入Cyclone軟件中完成拼接，得到完整的土堆點云數據，經去噪后激光點云數據如圖2所示。為滿足對比研究需要，均一化處理點云間隔分別設置為5、10、20 cm，并導出XYZ格式的文件。

圖2 去噪后的點云數據

1.3 確定參考面高程

依次在圖上沿土堆邊緣均勻地選擇12處點云數據，并記錄下這12個高程值，求其平均值作為基準面的參考值(見表1)，依據該參考值決定設置-0.95、-0.90、-0.85 m 3個值作為計算體積的參考面高程。

表1 計算高程平均值 m

2 多種軟件計算體積

目前計算體積的軟件較多，依據試驗條件選擇Cyclone等4種軟件計算土堆體積，下面以抽稀間隔為20 cm的數據為例，簡要說明體積求取過程。

2.1 Cyclone軟件計算體積

在Cyclone軟件環境中，選中所有點云數據，建立TIN和參考面，設置參考面高程為-0.95 m，計算點云到參考面的體積結果如圖3所示。

圖3 Cyclone計算結果

2.2 Geomagic軟件計算體積

在Geomagic Studio軟件環境中，導入XYZ格式的數據文件，為點云數據著色，經過去除非連接項和體外孤點、減少噪音、統一采樣、封裝數據、創建流型、填補模型等處理，輸入位置度的值-0.95 m，計算體積結果如圖4所示。

圖4 Geomagic計算結果

封裝數據完成之后，單擊“多邊形”→“轉化為點”→“確定”,另存為“圖點文件(VTX格式)”，以便在CASS軟件中計算體積。

2.3 CASS軟件計算體積

將VTX格式文件后綴修改為TXT，在Excel軟件中進行格式修改，文件另存為CSV格式，修改文件后綴為DAT格式。

在CASS軟件環境中，導入數據，采用等高線建立DTM，選擇DAT文件，顯示DTM模型，輸入平場標高-0.95 m，計算體積結果如圖5所示。

圖5 CASS計算結果

2.4 HD_3LS_SCENE軟件計算體積

在HD_3LS_SCENE軟件環境中，將XYZ文件格式轉換為HLS，添加HLS格式文件，設置格網大小并投影點云。將HLS格式文件轉換為proj.tif并加載該格式文件，建立DEM。選擇DEM路徑和成果輸出路徑，輸入基準面高程-0.95 m，計算體積結果如圖6所示。

圖6 HD_3LS_SCEN計算結果

3 數據統計與分析

3.1 計算結果統計與處理

4種軟件計算土堆體積的結果見表2，其中VCY、VGE、VCA、VHD分別表示Cyclone、Geomagic、CASS、HD_3LS_SCENE 4種軟件計算的土堆體積，H1、H2、H3分別表示基準面高程為-0.85、-0.90、-0.95 m。

表2 體積計算結果統計

表3 平均體積統計 m3

4種軟件所計算的體積與體積平均值之差(取絕對值)的計算結果見表4。

4種軟件計算的體積與平均值之差及平均值的比值計算結果見表5。

3.2 計算結果分析

針對4個軟件的計算過程和結果，重點對軟件安裝難易程度、軟件操作難易程度、計算時間和計算精度進行對比分析，其中計算時間是以抽稀間隔為20 cm、基準面高程為-0.95 m的數據的處理時間為例，簡要對比結果見表6。

表4 體積與體積平均值之差(絕對值)統計

表5 比值統計

表6 軟件性能對比

以下對4種軟件的性能及計算結果分析作詳細說明：

(1) Cyclone軟件安裝困難，由于是全英文版，對于初學者掌握軟件的操作有一定難度；在計算體積時雖然步驟比較煩瑣，但是計算的時間很短，而且計算精度很高。

(2) Geomagic軟件安裝簡單，操作步驟比較煩瑣；軟件運行速度快，計算時間短，計算精度較高。

(3) CASS軟件安裝簡單，并且操作步驟很簡單；軟件運行時間隨著數據量的增大而延長，其中處理抽稀間隔為5 cm數據的時間長達10余個小時，最終無法計算出結果，計算精度程度一般。

(4) HD_3LS_SCENE軟件安裝簡單；計算體積的操作步驟煩瑣，計算時間較長，計算精度較高。

4 結 語

本文利用土堆的激光點云數據，采用4種軟件對體積進行計算，并對計算過程和結果進行詳細對比分析。試驗研究結果表明：利用激光點云數據計算土堆體積的測量方法是完全可行并且可靠的，該技術方法可以滿足工程需要，具有廣泛的應用前景。