三維激光掃描技術在陡峭山體土石方量計算中的應用

宋培焱，楊志敏

(1.深圳市地籍測繪大隊，廣東 深圳 518034； 2.武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

三維激光掃描技術作為一門新興的測繪技術，具有實時性、主動性、效率高、精度高等特點，在許多復雜環境中，可以做到非接觸被測物體，極大地提高了工作效率。在工程施工前，測量土石方量是一項極為重要的工作，直接關系到工程項目的資金預算，為了合理安排工程進度，提高工程質量，通常需要高效、準確地計算土石方量。然而傳統測量方法采集到的高程數據有限，精度及效率偏低，而采用三維激光掃描技術可以實現成本低、效率高的優勢。

三維激光掃描儀可以非接觸觀測區域，而能快速、有效、高精度地獲取觀測區域表面的空間三維數據，操作簡單有效，較好地保護了測繪工作者的人身安全。除此之外，三維激光掃描儀提取信息能力強，能夠突出重點區域、重點部位的細節信息，同時還能夠根據不同時期采集到的點云數據進行分析比較，快速生成模型，計算不同時期產生的土石方量。

2 基于三維激光掃描技術的土石方計算

2.1 三維激光掃描技術工作原理

地面三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測量方式，以點云的形式獲取地形及復雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數據。其工作原理為：掃描儀對目標發射激光，根據激光發射和接受的時間差計算出相應被測點與掃描儀的距離，再根據水平方向和垂直方向的步進角距值，即可實時計算出被測點的三維坐標，并將其送入存儲設備予以記錄儲存，經過相應軟件的簡單處理，即可提供被測對象的三維幾何模型。三維激光掃描系統工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描系統工作原理

2.2 土石方計算原理及方法

三維激光掃描技術的土石方量測量，就是利用激光測距原理，通過計算脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距離目標的斜距，再配合同時記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點的三維坐標，同時記錄激光點的反射強度值，實現全自動陣列式高速、實時掃描。基于獲取的目標表面海量點云數據，采用一定的數學計算方法，即可求取工程的土方填挖方量。

主要的工作步驟為：

①控制測量，作為測量的首要任務，為激光三維點云數據的配準和定向提供依據；

②激光三維掃描儀外業測量，即將三維掃描儀及標靶安置在已有控制點上，定向檢查完成后對測區進行掃描；

③激光三維掃描儀內業處理，即刪除噪聲點及剔除冗余數據、點云配準及定向等；

④激光點云數據精度評定；

⑤土石方量計算，并與傳統方法南方CASS計算結果進行比較分析，對三維激光掃描技術在土石方量計算中應用的精度及效率進行評定。

3 三維激光掃描儀在山體土石方量計算中的應用實例

本文案例選擇深圳市龍華區某公園山體進行三維激光掃描，本次利用三維激光掃描儀在測區內設置5個三維激光掃描站點，利用GPS RTK對各個掃描站點進行坐標采集，獲取絕對位置，達到控制標靶坐標準確性，以配合三維激光掃描不同測站三維點云數據的拼接。同時根據傳統方法利用GPS RTK，做好圖根點，架設全站儀，采集山體的高程數據。

3.1 三維激光掃描儀外業數據采集

(1)定向掃描

根據現場地形情況，布設掃描儀架設點，保證兩兩通視及覆蓋整個山體區域，設定標靶，在架設激光三維激光掃描儀時，保證掃描區域無遺漏。

(2)設定標靶數據

利用GPS RTK連接SZCORS系統，獲取控制標靶的深圳獨立坐標，控制標靶坐標的準確性。GPS RTK獲取絕對坐標數據，用于糾正覆蓋整個區域的坐標，激光三維掃描儀及后視定向靶點分別架設在已知控制點上，對掃描山體進行全方位的掃描工作，通過數據預處理，得出整個區域的深圳獨立坐標的點云數據。

3.2 三維激光掃描儀內業數據處理

三維激光掃描數據內業處理主要包括數據預處理、點云裁切、噪聲點及覆蓋物剔除、數據重采樣、點云數據導出等幾個步驟。

(1)數據預處理

根據三維激光掃描儀獲取的點云數據，進行數據預處理即坐標轉換及點云拼接。坐標轉換就是將獲取的點云坐標系統由掃描儀自身的坐標系轉換為深圳獨立坐標系。點云拼接則是將不同測站獲取的點云數據，通過預處理軟件，將點云數據拼接成整個區域的點云數據。

(2)點云數據裁切、噪聲點剔除

在儀器掃描過程中，由于掃描儀器為360°全方位掃描，采集數據為海量數據，有較多的多余數據，同時儀器采集時，不可避免地產生噪聲數據，將對精度產生一定的影響。通過數據處理軟件，對產生的噪聲點進行過濾清除，同時根據測區需求裁切需要的點云數據，從而得到無噪音的點云數據。

(3)數據重采樣

三維激光掃描儀在掃描過程中獲取了海量的點云數據，在數據后處理過程中需要根據所需求的精度對點云數據進行重采樣。本次項目設置點云間隔 5 cm～20 cm，數據重采樣設置后，高程點數據仍有兩百多萬，精度完全滿足土石方量計算的要求。

(4)植被及覆蓋物剔除

由于采集區域為陡峭山體，山上植被茂盛，為了獲取更加準確的地表數據，需要剔除山上的植被及覆蓋物，從而得到最真實的點云數據。通過設置創立粗略的網絡模型，將點云數據與其他進行比較，即可剔除植被，得到真實的點云數據，生成DEM數據模型。

3.3 點云高程精度分析

利用全站儀對陡峭邊坡進行高程點測量，平均每 5 m測得一高程點，將測得的高程點隨機抽出50個點，導入相應的軟件中與點云數據進行比較，高程系統差值都滿足在 5 cm以內，可以得出三維激光點云數據的高程精度滿足土方測量的精度要求。

3.4 土石方量計算及分析

利用全站儀測得的高程數據導入南方CASS，構建TIN，設置設計高程面，得到TIN數據，如圖2所示。

圖2 全站儀測得的高程數據構建的TIN

將點云數據導入三維激光掃描內業處理軟件，構建TIN，生成DEM模型，如圖3所示。

利用全站儀測得高程點構建的TIN及三維掃描儀掃描得到的點云數據分別以 0 m作為基準面，計算土石方量，得到的各項指標如表1所示。

圖3 點云數據生成構建的DEM

土石方量的各項指標計算表 表1

從采集到的數據量上看，全站儀采集到的高程數據點數為285個，而三維激光掃描儀采集到的點云數據高達 2 560 732個。

從數據采集時間上看，傳統的全站儀測量高程點方式為 4 h，三維激光掃描儀作業時間為 2 h，節約1倍的工作時間，而且由于山體較為陡峭，用全站儀觀測，跑尺人員相當辛苦，并且危險性大，而激光三維掃描技術減輕了外業的工作強度。

從統計計算的結果對比來看，采用三維激光掃描儀得到的土石方量誤差僅為1.49%，精度更加精確，滿足工程測量規范要求。表面積誤差為8.45%，這是因為三維激光掃描儀采集到的點云數據達到海量級別，而全站儀僅僅采集百位數的高程數據，在細節上三維激光掃描儀能更加貼近現場地形的細微特征，因此獲取的表面積更大。

相比傳統全站儀測量高程點的作業模式，三維激光掃描技術提高了作業效率，對于山體較為陡峭、地形比較復雜的區域，更能發揮自身的優勢。

4 結 語

三維激光掃描技術實現了從單點測量方式到面測量方式的轉變，為測繪領域提供了新的研究方向。相比較傳統測量方法，三維激光掃描系統操作簡單，測量速度快，點云密度高，精度質量好，生成的三維地形網格模型滿足了工程的要求，同時三維激光掃描儀技術不受地形限制，無論是平坦地面還是丘陵山地、懸崖峭壁都能很好地完成任務，尤其是特別危險的、人力難以到達的區域，都可以實現非接觸觀測，最大限度地保護測量人員的人身安全并獲取現場數據，提高了測繪的效率。