三維激光掃描技術在土方測量中的應用

丁佩，繆建軍

(江蘇聯合職業技術學院南京工程分院，江蘇 南京 211135)

1 引 言

土石方測量是工程施工階段一項重要的工作，其主要內容是計算開挖(或填充)前后的填方量(或挖方量)，實際上是計算土方的體積。傳統作業模式為利用全站儀或者RTK進行外業高程點數據采集，內業通過DEM法、方格網法、斷面法等計算方法進行土方計算。傳統土方測量主要存在兩個不足：一是外業數據采集，外業數據采集的密度對計算準確度有直接影響，高程點分布均勻，間隔小，其土方計算結果準確度高，但是作業效率低；二是計算方法選擇，不同計算方法對土方計算結果準確性也有影響，一般來說，場地起伏小適合DEM法，場地起伏大但是有規律適合等高線法，對于溝渠往往選擇斷面法[1]。但是對于大型工程來說，施工場地大，地形復雜，如果采用傳統方法，則外業數據采集量大，工作效率低，而且很難選擇合適的計算方法，精度很難保證。三維激光掃描技術是新興的測量技術，近年來廣泛應用于測量領域，具有測距長、速度快、非接觸、精度高等的優勢[2]。

三維激光掃描技術又稱作高清晰測量(High Definition Surveying，簡稱HDS)，它利用激光測距原理，快速、海量獲取被測物體表面三維坐標、紋理、色彩等信息，通過專業軟件構建被測物體的三維模型及線、面、體等數據[3]。在獲取數據方面，與RTK和全站儀相比，三維掃描技術有著效率高、精度高的優勢。利用三維激光掃描儀對大范圍地形或者土方進行掃描，可以快速獲取大量表面點的三維坐標，從而可以精確地表示被測物體的表面起伏狀態，從而提高土方測量精度。

2 三維激光掃描儀技術概述

2.1 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描儀主要利用激光測距原理。激光測距(Laser Distance Measuring)是以激光器作為光源進行測距，激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，計時器測定激光束從發射到接收的時間，計算出從觀測者到目標的距離[4]。如果光以速度c在空氣中傳播在A、B兩點間往返一次所需時間為t，則A、B兩點間距離D可用下列表示。

式中：D為測站點A、B兩點間距離；c為速度；t為光往返A、B一次所需的時間。

三維激光掃描儀是利用激光器系統發射密集的激光脈沖到目標位置，系統記錄由目標點反射回來的脈沖信號和激光信號的往返時間，通過坐標轉換和計算，計算得到目標的表面三維坐標[5]。被測物體的坐標為以激光掃描儀為中心的相對坐標，可以通過后期定向轉化為絕對坐標。除記錄被測物體坐標值(X、Y、Z)外，還可通過相機獲取影像，記錄物體表面色彩值(R、G、B)，當需要對被測物體進行建模時，可以利用照片賦予色彩。掃描儀測量時以激光束為單元從左到右、從上到下進行全自動掃描測量，得到完整的、全面的、連續的全景點坐標數據[6]。X軸在橫向掃描面內，Y掃描面與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲得P的坐標(如圖1所示)。

圖1 P點坐標計算公式

Xp=Scosβcosα

Yp=Scosβcosα

Zp=Scosα

式中，Xp為被測物體的橫坐標，Yp為被測物體的縱坐標，Zp為被測物體的高程，α為P點在XY面的投影與X軸夾角，β為P點與XY面的垂直角。

2.2 三維激光掃描工作流程

利用三維激光掃描儀進行土方測算主要分為外業測量、點云數據處理和數據分析三個步驟[7]。外業測量包括控制測量、三維激光點云數據掃描等；內業數據處理包括坐標轉換、點云拼接、建模等；數據分析包括高程點檢核、土方量計算、數據成果輸出等。具體工作流程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀工程流程

(1)外業測量。外業測量主要包括控制測量和三維點云數據獲取?？刂茰y量可以通過RTK獲取掃描站的坐標，掃描站可以根據場地均勻分布，對于復雜地形要多設站，考慮掃描站之間的銜接，避免出現掃描死角，盡可能提高掃描覆蓋率。利用激光掃描儀進行掃描可以事先輸入測站坐標，也可以不輸入坐標直接掃描，待后續數據處理時再輸入測站坐標進行定向。

(2)數據處理。數據采集完畢后輸入到專業處理軟件中，由于存在植被對激光的反射影響，需要進行除噪，剔除錯誤數據。由于相鄰測站的重復掃描，會造成某一區域點位密度較大，數據煩冗，影響后期數據處理效率，同時需要對數據進行抽稀，保持合理的點位分布密度。點云定向是將測站數據進行坐標轉換，利用采集的控制點將相對坐標系轉換為絕對坐標系，點云配準是將相鄰的測站數據進行拼接，可以通過相鄰測站的公共點進行拼接，利用軟件的平差功能進行精密平差并評估點云拼接精度。利用軟件建模功能進行模型構建，根據工程設計要求選擇參考面進行土方體積的計算。

(3)成果分析。選取施工范圍內均勻分布特征點，利用RTK圖根控制點施測要求采集高程點，與掃描儀高程點進行對比，分析掃描數據精度。將掃描數據導出為DWG格式，方便后期工程應用。

3 工程實例

3.1 測區概況

工程項目需要對原有地形進行開挖平整，地表分布灌木、雜草、垃圾等覆蓋物，場地范圍約 1.6 km2，作業區域測量條件差，如果按傳統方法進行RTK采集數據，費時費力。為提高工作效率，決定利用RIEGL三維激光掃描儀進行測量。測區范圍如圖3所示。

圖3 測區范圍

圖4 測站設置

本項目利用RIEGL-1000三維激光掃描儀，如圖4所示，利用紅外激光束快速掃描機進行高速掃描，基于全波形數字化技術，實現高精度測量。儀器的標配點云處理軟件為Riscan Pro軟件，可以對點云進行附色、拼接、格式轉換、輸出等處理，滿足點云數據處理要求，數據拼接方式有直接定向、自主定位等。具體參數如表1所示。

掃描參數設置 表1

3.2 外業測量

本項目根據測區范圍共設置測站8個，掃描范圍覆蓋全測區，并對一些特征物進行冗余掃描，用于后期數據拼接的公共點。掃描站設置可以采用圓周法，通過排列圓周，覆蓋測區，并注意測站接邊處不能出現死角，防止漏測數據。一般將圓周的半徑設置為 400 m(儀器的掃描距離為 2 m～420 m)，圓周的中心點即為掃描站。利用該方法設置掃描站，可以清楚看到各個掃描站的掃描范圍和掃描重疊度，也避免漏測，該方法快捷、直觀。通過提取測站坐標進行RTK放樣，確定每一個掃描站的位置。

掃描儀掃描之前，儀器的三腳架要盡量整平，如果傾斜過大會影響后續的數據拼接。因已有每個掃描站的中心坐標，因此可以在掃描前輸入測站坐標。在儀器掃描過程中，要避免儀器操作人員和現場其他工作人員遮擋激光，造成掃描數據漏測。因掃描儀每一站掃描數據較大，要及時檢查內置存儲容量，若儲存空間不足應及時插入外接存儲設備，以保證儀器正常工作。具體掃描站和掃描數據如圖5、圖6所示。

圖5 掃描站設置

圖6 測區共掃描數據

3.3 數據處理

(1)坐標轉換。將RTK測得的測站絕對坐標值輸入到對應的測站掃描數據中，使得各掃描測站獲得絕對坐標值，如圖7所示。

圖7 點云坐標轉換

(2)點云去噪。三維激光掃描儀測距遠，測站之間存在冗余測量，根據施工現場范圍剔除多余數據，通過軟件過濾功能去除噪聲點，得到濾波點云數據。

(3)數據重采樣。三維激光掃描儀每一站獲取數據量很大，如果不進行抽稀，會增加后期處理難度，因此需要對所獲取數據進行重采樣。本項目重采樣點云間距為 20 cm，點云間距過大則會降低土方計算的精度，點云間距過小雖然會提高土方計算精度，但海量數據處理難度大，對計算機硬件要求很高。本項目所采用的計算機配置良好，但處理高密度點云數據效率低，根據以往經驗，當掃描站在10站以下時，點云抽稀間距設置為 20 cm時，可良好得對采集數據進行處理和計算[8]。

(4)數據拼接。手工拼接和自動拼接相結合。手動拼接通過X、Y、Z軸平移和Z軸旋轉，自動拼接是利用Riscan Pro軟件自有的平差計算功能，不斷迭代計算，直到拼接精度達到設定要求，如圖8所示。

圖8 拼接平差計算

(5)模型構建。通過Riscan Pro軟件構建曲面DEM，如圖9所示。根據工程需要設置參考面，利用參考面和曲面計算土方體積，如圖10所示。

圖9 土方模型構建

圖10 土方量計算

3.4 成果分析

為檢測成果可靠性，需要選取場地特征物，用GPS-RTK測其高程值與掃描的點云高程值進行比較。特征點可以選擇表面平整的方形石塊，首先提取其點云高程值，然后再通過RTK測量獲取其表面高程值，計算兩者差值，如表2所示。在工程測量中，RTK高程測量誤差為5 cm，初步預估三維激光掃描儀所獲取高程點精度滿足土方計算的要求。

特征點的GPS-RTK高程值與點云高程值差值計算表 表2

根據項目施工要求，設計底面高程 22.5 m，計算得出總開挖量 374 456 m3，此為自然方，根據土石方松實系數計算規范(見表3)，得出需要外運土方為 486 792 m3。目前在建設工程領域對土方量的計算誤差沒有統一的規定，但在實際合同中范圍一般不超過5%，否則會引起施工價的變更，故將土方量計算誤差控制在5%之內，可提高工程量編制預算的準確性。該項目土方工程施工從開始到結束，共外運土方 507 700 m3，誤差范圍在4.3%，滿足5%的行業要求。

本項目場地范圍1.6 km2，利用RTK采集高程點進行土方量測算，一般來說外業數據采集和內業數據處理需要7天～10天，本項目利用三維激光掃描儀從數據采集到最終成果輸出耗時3天，相對于RTK技術在時間上縮短50%以上。

土石方松實系數換算表 表3

4 結 論

(1)在大型工程項目中，傳統土方測量方法存在外業數據采集量大、計算結果精度不高、工程效率低的缺點。本項目將三維激光掃描技術應用于土方測量，外業數據獲取方便快捷，計算結果精度高，項目完成時效高，特別在地形復雜的工程項目中，相比傳統測量方法具有顯著優勢。

(2)利用三維掃描技術進行土方測量和計算，其計算結果精度受掃描儀標稱掃描精度、點云掃描密度、各個測站點云拼接精度的影響，因此在計算機配置滿足數據處理容量的前提下，提高點云掃描密度和數據拼接的精度，可以提高土方計算的精度。

(3)三維激光掃描儀獲取的數據量大，對點云處理軟件和計算機配置要求高。因此開發方便、快捷的點云數據處理軟件和高速數據處理器有助于推動三維激光掃描技術在工程測量領域的應用。