三維激光掃描技術在施工場地土方測量中的應用

楊 勃 邵 昀 唐銘陽

中國建筑土木建設有限公司 北京 100070

施工單位進場后的一項重要工作是場地原始地面方格網(wǎng)的測設，目的在于記錄原始地貌現(xiàn)狀，確定整個場地或局部區(qū)域平均標高，為場地平整或基坑開挖土方工程量結(jié)算提供客觀依據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集基本為基于點的模式，即用全站儀、GPS RTK獲取離散點的三維坐標。由于被測量的對象往往是不規(guī)則的地形表面，因此，下列問題難以解決[1-5]：

1）地形特征點上必須安置棱鏡或GPS接收機，人員無法到達的點位只能放棄。由于網(wǎng)格交點高程依靠雙線性內(nèi)插、多項式內(nèi)插等方法獲得，丟失重要的地形特征點將對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

2）對于復雜的地形表面，人工采集的數(shù)據(jù)量有限，難以準確描述。

3）采集什么樣的點位依賴于測量人員的主觀認識，不同的測量人員的測繪結(jié)果可能存在一定差異。

本文介紹一種全新的方法，利用地面三維激光掃描技術，又稱“實景復制技術”，采用非接觸式對地形表面快速掃描，快速獲取海量三維數(shù)據(jù)，對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。這種方法極大地降低了人力消耗，提高了作業(yè)速度，客觀地反映了現(xiàn)實情況，為大面積土方測量提供了新思路。

1 三維激光掃描儀工作原理和特點

1.1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀的構造主要包括一臺高速精確的激光測距儀，以及一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標（圖1）。

圖1 三角測距原理示意

1.2 三維激光掃描儀的特點

三維激光掃描技術，被譽為測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命，也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。具有快速性、不接觸性、穿透性，實時、動態(tài)、主動性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等特性。每秒可輕松、精確獲取數(shù)萬點至數(shù)十萬點三維坐標點云數(shù)據(jù)，快速建立物體的三維影像模型。

2 數(shù)據(jù)采集的主要外業(yè)工作及流程

2.1 現(xiàn)場踏勘與站點選取

踏勘現(xiàn)場的目的是全面了解掃描區(qū)域范圍及高低起伏狀況，合理布設掃描站點。掃描儀設站點的選擇應顧及效率和精度兩方面因素。首先，站點應盡量選在通視條件良好的開闊處，有效掃描面積盡可能大，避免死角以減少設站。同時，站點的選擇要考慮儀器的有效掃描距離，相鄰站點間掃描對象既不發(fā)生漏測也不過度重疊。

2.2 控制點布設

1）采用“測站點＋后視點”的數(shù)據(jù)采集方法時，控制點與掃描設站點重合。

2）采用其他數(shù)據(jù)采集方法時，控制點不少于3個，且均勻分布在整個測區(qū)。雖然布設的控制點數(shù)量越多對數(shù)據(jù)精度越有利，但同時內(nèi)外業(yè)工作量也會增加。

3）點位附近地勢平坦，無其他干擾，便于安置全站儀、GPS、水準儀等常規(guī)測量儀器。

2.3 站點數(shù)據(jù)采集

站點上安置激光掃描儀，設定掃描分辨率。當采用標靶進行不同站點點云數(shù)據(jù)配準時，應使用高分辨率掃描標靶，以確保標靶中心坐標提取精度。標靶應設在相鄰站點掃描重疊區(qū)域內(nèi)，標靶數(shù)量不少于3個，應避免靶標在一條直線上。

掃描過程中應避免人員走動，減少異常點出現(xiàn)。遷站前應檢查數(shù)據(jù)，確認是否遺漏。

2.4 控制點測量

控制點的平面坐標可以通過全站儀、GPS RTK等方式獲得，高程可以采用水準測量、三角高程、GPS擬合水準等方法獲取。平面和高程精度應滿足圖根點點位中誤差和高程中誤差要求。控制點的野外測量在數(shù)據(jù)處理之前完成即可。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 噪聲去除

噪聲來源有多種。如果以獲取地表高程為主要目的，則除了超過有效掃描范圍的數(shù)據(jù)需要剔除外，諸如地表建筑、停放車輛等與土方計算無關以及振動引起的噪聲都應去除。

3.2 標靶中心坐標提取

靶標中心坐標是不同站點點云數(shù)據(jù)配準的依據(jù)，對最終成果產(chǎn)生關鍵性影響。中心坐標的提取通常由儀器專用軟件自帶的靶標識別功能自動完成。

3.3 多站點云數(shù)據(jù)配準

與全站儀數(shù)據(jù)采集不同，地面三維激光掃描獲得的點云數(shù)據(jù)是掃描站點坐標系下的，且各站點坐標系相互獨立。為了獲得區(qū)域內(nèi)整體數(shù)據(jù)，就需要以靶標中心為公共點，拼接各站點數(shù)據(jù)，將所有站點的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系上來。

3.4 點云數(shù)據(jù)簡化

地面三維激光掃描儀每秒可獲得幾萬甚至數(shù)十萬點三維坐標點云數(shù)據(jù)，這樣的海量數(shù)據(jù)在后期內(nèi)業(yè)處理時要求計算機配置很高。同時，云數(shù)據(jù)過分密集對土方測量來說也沒有必要。因此，需要根據(jù)點云數(shù)據(jù)分布規(guī)律進行適當簡化。

3.5 坐標轉(zhuǎn)換

工程設計的坐標和高程一般采用城市坐標系和城市高程系。由于配準和簡化后的點云數(shù)據(jù)，其坐標仍然是任意坐標系下，為完成土方計算，還需要將其轉(zhuǎn)換至城市坐標和高程系下。坐標轉(zhuǎn)換的依據(jù)是事先布置并用常規(guī)測量方法獲得的控制點三維坐標。

數(shù)據(jù)配準和坐標轉(zhuǎn)換與解析空中三角測量非常相似。數(shù)據(jù)配準相當于相對定向，而坐標轉(zhuǎn)換就是絕對定向。

4 成果檢查驗收

掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換也就是上面提到的絕對定向后，其質(zhì)量應經(jīng)過檢驗。可預先在場區(qū)中央及周邊均勻布設一定數(shù)量的檢查點，用常規(guī)測量方法獲取三維坐標。從模型上提取這些點的三維坐標并與之比較，從而計算模型精度。

5 工程實例

5.1 任務簡介

余姚至溫嶺公路臨海匯溪至沿江段改建工程位于浙江省臨海市，設計為一級公路，主要功能是作為臺州境內(nèi)的重要區(qū)域干線公路。

項目的里程樁號為K0＋000～K37＋709.66，根據(jù)設計線路走向要求，需要對該線路上的某塊場地進行測量并回填處理。該塊場地占地面積約28萬 m2，受前期施工的影響，測區(qū)內(nèi)大小土堆和取土后留下的土坑遍布，有些甚至難以攀爬。

甲方要求盡快完成原始地面方格網(wǎng)（10 m×10 m）的測設工作，作為土方結(jié)算的依據(jù)，時間上較為緊迫。

5.2 方案策劃

如果采用極坐標法，按要求碎步點間距不宜大于計算要求的網(wǎng)格間距，再加上地形變化處增加的點，整個測區(qū)粗略估計需要采集4 000點。不考慮控制測量的時間，如果每天采集400～500點，僅碎步測量的時間就超過一周，從時間上無法滿足甲方工期要求。因此決定嘗試采用三維激光掃描的方法。

5.3 外業(yè)實施

為提高效率，將測量人員分成2個作業(yè)組。

第1組負責三維激光掃描。設36個站，使用Riegl VZ400對整個場區(qū)進行掃描，每站掃描10 min，確保無死角、無遺漏。

第2組負責控制點、檢查點的布設和測量。在場區(qū)范圍內(nèi)均勻布設16個控制點（K1～K16），場區(qū)周邊南側(cè)和西側(cè)布設10個檢查點（J1～J10），如圖2所示。

圖2 控制點、檢查點的設置

用網(wǎng)絡RTK測量了K1～K16和J1～J10平面坐標；敷設附合水準線路，用水準儀串測了上述點位高程。

5.4 內(nèi)業(yè)處理

用Riscan Pro 軟件，經(jīng)噪聲去除→靶標中心坐標提取→多站點云數(shù)據(jù)配準→點云數(shù)據(jù)簡化等步驟，獲取任意坐標系下整個模型點云數(shù)據(jù)（圖3），并以K1～K16為控制點，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為城市坐標系下的三維坐標數(shù)據(jù)。

圖3 建立的場地模型示意

5.5 質(zhì)量檢查

用Riscan Pro軟件提取J1～J10點位高程，與水準測量得到的各點高程進行比較，求出差值Δ，估算模型點高程精度，見表1。

表1 模型高程與水準高程的數(shù)據(jù)對比

由表1計算可知，觀測中誤差m值為8.7 mm，因此可以得出結(jié)論：通過三維激光掃描所獲得的模型數(shù)據(jù)完全滿足三維坐標數(shù)據(jù)的精度要求。

6 結(jié)語

Riegl VZ400三維激光掃描儀標稱精度很高，也經(jīng)過專家的論證，但為了驗證成果質(zhì)量，本工程中布設了一定數(shù)量的檢查點。實踐證明，用地面三維激光掃描技術進行大面積土方測量，不但提高了工作效率，成果質(zhì)量也完全能夠滿足精度要求。該技術能大幅度提升測量效率，為工程進度提供有力保障，故隨著時間的推移和認識的提高，這種技術在施工測量領域?qū)⒂袕V闊的應用前景。