三維激光掃描技術在土方測繪項目中的應用

鄭 磊 紀志剛 易 恒 樊東昊

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

作為眾多工程項目重要組成部分的土方工程，不僅關系到工程項目進度的合理安排，施工組織的優(yōu)化設計，更關系到施工成本的有效控制，因此，如何精確高效地獲取土方數(shù)據(jù)一直以來就是廣大科研技術人員研究的熱點之一。當前，工程上常用的土方測量方法有水準儀測量法、全站儀測量法和GPS-RTK/VRS測量法等。其中，水準儀測量法受限因素較多，采集點位效率低下，不適宜大范圍、起伏較大場地的作業(yè)；全站儀測量法雖然較水準儀測量法在多個方面均有了明顯的提高，但是該方法對通視條件要求高，同時也存在采集點位效率低下的不足，難以實現(xiàn)土方的精細化測量；GPS-RTK/VRS測量法雖然較全站儀測量法免去了通視條件的要求，但卻容易受到樹木、建筑等信號遮擋的影響，同時也存在采集點位效率低下的不足。土方表面點位數(shù)據(jù)采集效率的低下以及由此可能造成的點位數(shù)量的不足不僅影響了土方工程的進度，更影響了土方模型的精細程度，進而影響到土方數(shù)據(jù)的精確程度。隨著三維激光掃描技術的出現(xiàn)以及計算機性能的不斷提高，一種采集速度快、點位密度大、精度高、非接觸和測量范圍廣的土方測繪方法便成為了可能。

1 土方掃描測繪技術

三維激光土方掃描測繪技術作業(yè)流程主要步驟如下。

1.1 現(xiàn)場踏勘，制定掃描作業(yè)技術設計書

掃描作業(yè)技術設計書應在現(xiàn)場踏勘的基礎上，根據(jù)現(xiàn)場地形、地物實際特點，結合掃描作業(yè)的技術特點，合理選擇掃描站點以及掃描測站數(shù)量。一般而言，掃描測站點位應優(yōu)先選擇在位置較高的穩(wěn)固區(qū)域，以盡可能提高掃描覆蓋范圍，并減少掃描測站數(shù)量，降低勞動強度；其次，目標區(qū)域宜由3站及以上掃描測站的點云疊加而成，且不同測站點云之間應有足夠的重疊部分，掃描測站幾何構圖形狀也應盡可能優(yōu)化，以利于減少目標區(qū)域的掃描死角，保證點云數(shù)據(jù)處理成果在X，Y，Z三個維度的精度。

1.2 掃描測站點測量

掃描測站點就是三維激光架設的站點。掃描測站點測量主要是利用CORS技術、GPS-RTK或者全站儀人工采集得到，以得到高精度的三維坐標。掃描測站點坐標主要是用來為點云數(shù)據(jù)的配準和定向提供依據(jù)，以得到點云數(shù)據(jù)的絕對坐標。

1.3 檢核點測量

檢核點可以采用靶標、靶球或者掃描區(qū)域內(nèi)的特征明顯的地物等形式。檢核點選用靶標、靶球形式時，需要在掃描作業(yè)前將靶標、靶球布設到目標區(qū)域內(nèi)，先對目標區(qū)域進行整體掃描，然后再對靶標、靶球進行精細掃描，以確保靶標、靶球有足夠的點云密度，進而通過擬合計算等方法得到靶標、靶球的精確坐標。檢核點選用特征地物形式時，則需要先對目標區(qū)域進行整體掃描，然后通過預覽掃描后的點云信息，進而選定目標區(qū)域內(nèi)適合作為檢核點的特征地物(一般選擇道路交叉口、臺階等，主要用來檢查高程精度)。檢核點測量主要是利用CORS技術、GPS-RTK或者全站儀人工采集得到，以得到高精度的三維坐標，并用來檢核點云最終拼接以及平差成果的外符合精度。

1.4 點云外業(yè)數(shù)據(jù)掃描

根據(jù)技術設計書以及三維激光掃描儀操作手冊，將掃描儀逐次架設在相應的測站點位上，接通電源，設置好各種參數(shù)后，即可對待測區(qū)域進行三維掃描。如果檢核點選用靶標、靶球形式時，還需在整體掃描之后對檢核點進行精細掃描。

1.5 點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

將點云數(shù)據(jù)從掃描儀中下載后導入計算機軟件中，然后根據(jù)輸入測站坐標→點云配準→去噪→平差(一般需要迭代處理)→濾波。濾波完成后即可進行質(zhì)量檢查與精度分析→抽吸→導出數(shù)據(jù)等步驟，得到土方計算所需的點云數(shù)據(jù)。

1.6 點云數(shù)據(jù)精度評定

三維激光掃描作業(yè)技術成果精度檢查分為內(nèi)符合精度檢查與外符合精度檢查。其中，內(nèi)符合精度檢查主要是檢查點云數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量，主要方法是對拼接后的點云進行切片，查看不同測站點云之間是否存在分層以及分層的絕對間距。外符合精度檢查主要是通過CORS技術、GPS-RTK技術或者全站儀現(xiàn)場人工采集測區(qū)內(nèi)的特征地物的特征點數(shù)據(jù)，然后將人工采集的數(shù)據(jù)導入點云數(shù)據(jù)處理軟件，檢查檢核點與點云數(shù)據(jù)之間的誤差大小，作為點云數(shù)據(jù)的外符合精度。如若內(nèi)、外符合精度超過限差，則均需要查明原因，并重新對點云數(shù)據(jù)進行拼接、平差處理，直至內(nèi)、外符合精度均滿足要求。

1.7 土方計算

當點云數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度、外符合精度通過質(zhì)量檢查之后，則可以根據(jù)土方精度的要求，確定格網(wǎng)大小，提取目標區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，然后利用RiScan PRO配套軟件或者CASS軟件進行土方計算。

2 工程案例應用

2.1 工程概況

本工程位于天津市濱海新區(qū)，緊鄰海河，是一處渣土臨時存放點，南北長約1.5 km，東西寬約600 m。場地內(nèi)部土堆數(shù)量多、起伏落差大、通視條件較差。堆土高度最高約15 m。緊鄰本工程現(xiàn)場西北方位有多棟高層建筑正在施工但已封頂，樓頂高度預估在百米以上，可以俯瞰整個土方測繪現(xiàn)場，且有施工電梯可以直達高層建筑樓頂。緊鄰本工程東南方位有一棟7層到頂?shù)暮＞ш牁欠浚呒s20 m。本工程土方測繪要求：根據(jù)甲方指定的范圍線，3 d之內(nèi)完成土方測繪任務并提交成果報告，見圖1。

2.2 項目實施

1)制定測站布設方案。

由于緊鄰本工程西北方位存有高度超百米的高層建筑A，緊鄰工程東南方位存在7層建筑B，且均可到達樓頂布設測站，因此，為了充分發(fā)揮三維激光掃描儀的掃描優(yōu)勢，特制定測站布設方案如下：在A高層樓頂布設C1,C2掃描測站，在B建筑樓頂布設C3,C4掃描測站，共計4站(如圖2所示)。此方案實現(xiàn)了對向掃描、從高處往低處掃描，利用較少的測站實現(xiàn)了場地掃描的全覆蓋，降低了作業(yè)強度，提高了作業(yè)效率。

2)點云外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

本工程外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用的是Riegl VZ1000三維激光掃描儀，測站點及檢核點三維坐標基于天津CORS系統(tǒng)進行人工數(shù)據(jù)采集。其中，Riegl VZ1000三維激光掃描儀掃描最大距離可達 1 400 m，重復掃描精度可達±5 mm，掃描速度可達300 000點/s，每測站掃描用時約10 min；測站點及檢核點平面坐標精度為±1 cm，高程精度為±2 cm。本工程外業(yè)數(shù)據(jù)掃描共計投入3人，見圖3。

3)點云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理。

本工程點云數(shù)據(jù)處理采用RiScan PRO配套軟件，點云數(shù)據(jù)拼接及處理后的部分效果圖如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出，本次土方掃描現(xiàn)場存在縱橫交錯的車道，這些車道又將其分割為多個高低不等的土堆(經(jīng)統(tǒng)計本工程現(xiàn)場最大高程約為16.82 m，最低高程約為0.76 m)，且本工程土方地形分布極不規(guī)則，人工測試難度極大；而本次土方測繪采用了高處架設三維激光掃描儀進行俯視掃描的技術方案，從點云數(shù)據(jù)上看，本次掃描以較少的人員、較少的測站，實現(xiàn)了對待測區(qū)域的快速、全覆蓋、精細掃描，充分體現(xiàn)了三維激光在高精度地形建模以及土方測繪工程中的極大優(yōu)勢。

4)質(zhì)量檢查與精度分析。

點云切片宜在俯視圖下矩形框選點云，然后通過旋轉工具，側視或平視，以查看不同測站點云之間是否存在明顯分層，并量取點云分層之間的最短距離。

從圖7可以看出，點云拼接效果較好，不存在明顯分層，內(nèi)符合精度良好。本工程利用GPS設備采用CORS技術共計采集特征點位45處，將檢核點數(shù)據(jù)導入點云后如圖8所示，通過中誤差統(tǒng)計，本工程高程精度為±4.1 cm，滿足土方測繪的精度要求。中誤差計算公式如下：

其中，σ為高程中誤差；hCORS為基于CORS技術得到的特征點高程值；hRS為基于三維激光點云成果得到的特征點高程值。

5)土方計算及效果分析。

鑒于不規(guī)則三角形法(TIN)在表征地形特征方面能力比較強，在計算土方時直接利用實測數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格結點，不改變原始數(shù)據(jù)和精度，還能夠插入地性線以保存原有關鍵的地形特征,計算得到的土方數(shù)據(jù)精度較高，本文采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)法作為本工程的土方計算方法。其中，計算軟件采用的是CASS9.0，點云數(shù)據(jù)提取格網(wǎng)間距設置為5 m，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況，適當增加特征點以及地性線，土方計算參考面為上一期測量成果。上一期土方測量采用的是“GPS+全站儀”模式，其中GPS利用CORS技術進行測站點平高坐標采集以及碎步點平高坐標采集，全站儀用來采集碎步點，點采集間距控制在5 m以內(nèi)。

由于本工程利用5 m格網(wǎng)提取的點云數(shù)據(jù)較多，點云提取結果的整體縮微圖以及由此生成的三角網(wǎng)整體縮微圖展示效果較差，因此，本文在此給出局部不規(guī)則三角網(wǎng)示意圖(如圖9所示)以說明三維掃描測繪技術在土方測繪項目的應用情況。由圖9可以看出，本次土方高程點數(shù)據(jù)量較為密集且分布均勻，而且構網(wǎng)三角形幾何形狀也比較好，大小也比較均勻，從而為構建高精度的地面模型以及高精度的土方計算結果提供了堅實的保證，也進一步說明了三維激光掃描技術在土方測繪項目中的應用優(yōu)勢。

為了進一步說明三維激光掃描技術在土方測繪項目中的優(yōu)勢，本文對全站儀+GPS、三維掃描兩種模式的關鍵參數(shù)進行了統(tǒng)計，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以看出，三維掃描模式的構網(wǎng)三角網(wǎng)個數(shù)是全站儀+GPS模式的1.5倍以上，地面模型的表征能力得到大幅提高；從投入人員數(shù)量上看，三維掃描模式所需人員則為傳統(tǒng)方法的37.5%，節(jié)省人力成本60%以上；從作業(yè)耗時上看，全站儀+GPS模式需要耗時4 d，是三維掃描模式的4倍。

表1 土方計算成果量化數(shù)據(jù)對比表

3 結語

本文針對某渣土場土方測繪項目面臨的土堆數(shù)量多、落差大、通視條件差等難題，給出了一種利用三維激光掃描儀進行掃描測繪的方法。工程實踐經(jīng)驗表明，該方法人員需求少，作業(yè)效率高，點位密集且分布均勻，地面模型三角網(wǎng)個數(shù)較全站儀測繪方法有了顯著提高，實現(xiàn)了土方測繪的精細表征與計算，使得土方計算結果的精度得到了有效保證與顯著提高，對工程成本控制，優(yōu)化施工組織設計也將起到積極的促進作用。需要說明的是，如需得到更高精度的土方計算結果，則點云提取的格網(wǎng)間距需要降低到1 m，甚至0.5 m；不過此時用于土方計算的數(shù)據(jù)量就會比較大，則需要考慮利用ARCGIS來完成計算。