基于三維激光掃描技術的土石方測量方法及對比分析

胡玉祥，欒學科，石樂樂1，，徐瀟1，，熊文輝1，

(1.青島市西海岸基礎地理信息中心有限公司，山東 青島 266000； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

目前常用的土石方測量方法是通過將地形模擬為高度不一的棱柱來計算場地的土方量[3]。此種方法需要采集一定間隔的地形點標高，而且采集點的密度越大計算得到的方量越精確。傳統離散點測量方式是通過全站儀或者RTK測量形式，構建三角網或者方格網計算土石方量。基于網格法計算方量精度嚴重取決于格網點采集的密度，而過密的離散點采集大大增加了外業測繪的工作量，同時傳統測量方式費事、費力，效率低下。

三維激光掃描技術近幾年發展異常迅速，它突破了傳統的單點測量方式，能在單位時間內發射幾十萬甚至幾百萬的點，以點云的形式表達三維空間的幾何形態，同時還可以采集高分辨相片，形成物體的三維正射影像，再現物體的真實三維形態[1，2]。三維激光掃描技術的出現對于解決土石方量測繪問題提供了一種全新的解決辦法[4]。本文借助青島市勘察測繪研究院購置的站式三維激光掃描儀RTC360和手持掃描儀ZEB HORIZON，探索三維激光掃描儀用于土石方測量的精度和有效性，分析兩種掃描方式的優點和不足，同時對三維掃描和傳統測量方式進行對比分析，為土石方測量提供了很好的借鑒。

2 土石方測量

土石方測量的基本思路是：基于已有的地形圖、DEM或者外業實測一定間隔的離散點三維坐標，通過將地形模擬為高度不一的棱柱來計算方量，離散點采集密度直接決定著土石方量計算的準確度。

2.1 傳統數據采集方法

傳統外業數據采集方法是基于RTK或者全站儀測量方式，獲取一定間隔的離散點三維坐標，基于三維坐標，采用方格網法或者三角網法計算土石方量。具體流程如圖1所示：

圖1 方格網法計算土石方流程

2.2 三維激光掃描數據采集方法

三維激光掃描技術的出現為土石方測量提供了一種新的途徑，本文借助青島市勘察測繪研究院購置的站式三維激光掃描儀RTC360和手持式三維激光掃描儀ZEB HORIZON，介紹兩種掃描儀的作業流程和注意事項。

(1)站式三維激光掃描儀RTC360

站式三維激光掃描儀，主要經過外業掃描和內業數據處理過程，如圖2所示。

圖2 RTC360土石方測量作業流程

點云拼接是將多站掃描數據拼接到一個整體的過程，采用徠卡配套的專用拼接軟件REGISTER 360進行，一般有兩種方式：基于公共點的拼接和基于點云視圖的拼接。在RTC360視圖拼接中，每站拼接完均可以得到點云匹配的相關精度信息，如圖3所示。

圖3 點云拼接精度信息

點云融合就是將不同站點、不同儀器設備的點云數據合并在一起的過程，在外業掃描過程中，每站都會有很多的重合點云數據，將各站點云數據拼接在一起就造成點云數據的重疊，點云融合的目的就是根據點云歸一化算法將重疊點云進行優化的過程；在掃描儀的原始點云中往往包含若干對成果處理有不良影響的點，點云去噪就是根據一定的點云濾波算法，讓有效點保留，無效點刪除的過程。

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點云絕對定向就是進行坐標轉換的過程，點云數據以三維坐標的形式進行展示。

點云數據導出就是對預處理的點云數據導出成標準格式的點云數據(如.las .pts)，方便后續用專用軟件進行處理、建模、分析使用。

(2)手持三維激光掃描儀

手持三維激光掃描儀Geoslam采用移動式的數據采集方式，以SLAM算法為技術核心，全自動處理，可以完整地采集地形環境下的點云數據。采集流程如圖4所示。

圖4 手持三維激光掃描儀土石方測量作業流程

Geoslam不需要擺設靶球、目標物等，采集效率是靜態掃描儀的十倍以上，其超寬視角可以獲取更多的數據，不用擔心漏掃；其輕便體積小，在自然林地環境中可以自由穿梭，不受環境限制；內業數據處理時間短，全自動多任務同時處理[2]。

(3)土石方量計算

無論是采用架站式還是手持移動式掃描儀，經過上述點云數據預處理后，可以導出標準格式的點云數據：.las或者.pts。將.las或者.pts標準格式導入后處理軟件RealWorks中，可以建立三角網格，然后計算土石方量；也可以將點云抽稀成一定間隔的離散點云，導出離散點的三維坐標，利用傳統土石方測量計算方法計算土石方量。

利用點云后處理軟件計算土石方量，首先設置一定的分辨率，基于點云生成三角格網，對生成的三角格網進行編輯處理可以計算出相對于某高度的土石方填挖量，如圖5所示。

圖5 土石方計算示意圖

3 精度驗證及對比分析

試驗選取地鐵6號線朝陽山路車站土石方項目為例，分別采用傳統測量方式和兩種掃描儀進行掃描，計算土石方量，對結果進行對比分析，如圖6所示。

圖6 掃描點云及范圍線示意圖

3.1 離散點高程對比分析

將三維掃描激光點云進行數據處理后導出整個測區范圍點的三維坐標信息，均勻選取測區內的離散點60個，同時利用全站儀(或RTK)測量方式獲取其三維坐標，然后與三維激光掃描儀獲取的同位置點的高程進行對比分析。以全站儀(或RTK)測量方式獲取的高程作為基準，分析架站式和手持式掃描儀與其較差，如圖7所示：

圖7 高程對比較差示意圖

由圖7可知RTC360與全站儀測量高程基本一致，最大較差 -4.4 cm，較差中誤差 1.9 cm，93%數據較差小于 3 cm，較差分布比較均勻。ZEB HORIZON與全站儀測量高程存在差異，除去飛點，最大較差 11.9 cm，較差中誤差 7.6 cm，16%數據較差小于 3 cm。

根據《城市測量規范》(CJJ/T8-2011)及測繪合同要求，RTC360可以用于土石方測量。

3.2 土石方量對比

土石方量對比采取兩種方式：一種是使用點云后處理軟件求取土石方量，即2.3所示方法(方法一)；另一種采用將點云采樣為一定分辨率的點云數據網格，導入到CASS等軟件中生成三角網，求取土石方量(方法二)；最終與全站儀方法測量計算的土石方量(方法三)結果對比如表1所示：

不同離散點密度土方量對比較差表(以RTC360為例) 表1

由對比結果可以得到，隨著點密度的變化，計算結果存在差異，理論上點的密度越大，計算結果越可靠，因此建議提供 0.5 m或 1 m間隔的數據。

不同測量方式土方量對比較差表 表2

從表2中可以看出，前兩種方法求得的土石方量較為接近，這也間接證明了RTC360用于土石方測量的可靠性。

3.3 作業效率比較

針對此土石方測繪項目，對比三維激光掃描技術和全野外全站儀實測法進行作業效率方面的對比，如表3所示：

作業效率對比(單位/天) 表3

從表3中可以看出，采用RTC360掃描方法共計3天，采用ZEB HORIZON掃描方法共計2.5天，采用全站儀測量方法共計5天，相比全站儀測量方法，三維激光掃描測量方法作業效率方面明顯改善。

4 結 論

三維激光掃描技術的迅速發展為傳統測繪行業提供了一種很好的解決辦法，其外業測繪省時、省力，成果展示具有較高的三維可視性，尤其對需要測繪較細內容的項目優勢明顯。本文借助青島市勘察測繪研究院購置的站式三維激光掃描儀RTC360和手持掃描儀ZEB HORIZON，探索三維激光掃描儀用于土石方測量的精度和有效性，分析兩種掃描方式的優點和不足，得到了一些有益結論：

(1)根據多次土方測量結果表明：RTC360通過一站站拼接，精度較為穩定，可以用于土石方測量；ZEB HORIZON借助于SLAM算法，由于SLAM的不穩定性及隨著時間的漂移，手持掃描儀具有較大的不確定性，因而不建議用于精度要求較高的土石方測量。

(2)在進行外業作業前，應對現場進行踏勘，規劃合理的掃描路線。這樣不僅能夠避免漏測，同時還能提高作業效率。

(3)RTC360可用于土石方測量，但現場環境需滿足一定的條件，即現場沒有密集的雜草等植被或其他障礙物以及水域等影響激光反射的情形。如果地形較為復雜，建議增加架站的密度和控制點的數量，以便提高掃描的可靠性。

(4)采用三維激光掃描設備進行土石方測量時，現場應同時采用RTK或者全站儀等測量方式獲取控制點，以便于三維點云轉換到絕對坐標系下，同時還應采集部分離散特征點作為檢核，以驗證掃描的準確性。