徠卡MS60掃描儀在土方測量中的應用

隗合翔 宗愛華

北京市測繪設計研究院 北京 100038

引言

經濟社會穩步發展的過程中，工程項目的數量增多、規模擴大，各類工程項目中常常涉及土方測量任務，以通過測量結果來合理安排施工任務，促進工程建設。但因為工程場地內的環境條件復雜，傳統的測量技術面臨效率低、數據獲取困難、精度不高等問題。一些工程的土方測量中采用了三維激光掃描技術，該技術在效率、效益、精度等方面都具有優勢，獲取的結果更為有效。各工程項目的土方測量中，有關人員需持續推廣激光掃描技術，配備高性能掃描儀器，制定科學的測量技術方案。

1 工程概況

某項目處于朝陽區，為促進該項目的順利實施，土方測量為關鍵任務。綜合測區情況，此區域為矩形堆土場地，東西方向、南北方向的長度分別為270m、225m，土堆形狀不規則，中間部分分布有深淺不一的溝坡，總體高差較大。

2 傳統作業方法分析

2.1 外業采集

針對本項目的土方測量任務，如采用傳統測量技術，一般可通過水準儀采點、全站儀采點、GPS-RTK采點來獲取各類數據。水準儀采集數據時，工作效率較低，僅適用于小范圍的測量任務，大范圍、高差起伏較大的項目中一般不采用這一方式。本項目測區范圍大，且高差較大，水準儀測量的效果不佳。無論通視條件好壞均可采用GPS-RTK技術，但如現場存在信號遮擋等異常問題，也難以保障數據精度，且碎步點需逐點采集，測量任務多、工作強度大，需耗費較長的時間。本項目所在地的條件不佳，信號受干擾較大，不適宜采用GPS-RTK技術[1]。全站儀測量下對通視條件有嚴格規定，如通視條件達不到標準，將無法實現全方位測量，測繪數據的完整性和準確度不高。綜合上述分析，水準儀、全站儀、GPS-RTK技術在應用于本項目的土方測量后，無法得到相對可靠的結果。

2.2 內業計算

土方測量中除了要進行外業測量，同樣需進行內業計算。傳統的技術條件下，內業計算可選擇斷面法、方格網法、等高線法。以斷面法為例，在計算中可選擇圖解法、解析法，但無論采用何種計算方法，只需要獲取兩端橫斷面的面積即可得到結果，計算過程簡單。一旦測區面積較大，求解面積時將相對困難，易發生計算錯誤情況，計算結果可能與實際存在較大的偏差，特別是測區地形條件復雜的情況下，誤差相對較大。為此，當被測對象位于山區、高差較大、自然地面較為復雜，或者處于地形狹長地段時，均可利用斷面法。在計算土方量時也可采用方格網法，此方式的操作流程簡單，計算過程、結果更為直觀，但此計算方式下同樣存在一定的誤差，主要為方格頂點高程、場地面積求積等誤差所引起。結合方格網法的計算原理及過程，有關人員在現場應通過地形圖布置方格網，地形圖中標有等高線，利用等高線即可獲取每一方格頂點的高程信息，地圖上的等高線由若干等高程的點連接得到，等高線并不能完全代表場地內的地形情況，得到的方格頂點高程與實際存在一定誤差[2]。另外方格網法下存在兩點之間坡度均勻的假設條件，很多情況下并不滿足這一假設前提，為此，為減小計算誤差，一般將方格法用在地形起伏小、地面坡度呈規律性變化、面積大的地方。在計算土方量時也常常采用等高線法，在此方法下應先計算兩條等高線的圍合面積，因為兩條等高線的高差為已知值，能快速計算兩條等高線的土方量。在使用等高線法時同樣存在前提條件，應選擇閉合等高線。

2.3 確定新方法

因為傳統測量方式下存在的一系列問題，如測繪難度大、數據偏差大。從操作便捷性、數據可控性角度，最終在本次測量工作中引入了三維激光掃描技術，通過三維激光掃描密集點云，建立三維模型。

3 三維激光掃描技術的相關介紹

3.1 基本原理

三維激光掃描技術利用的是激光測距原理，屬于非接觸式測量技術，能獲取地形或復雜物體的幾何圖形數據、影像數據，由后處理軟件處理點云數據、影像數據，將前期采集的數據轉換為絕對坐標系中的三維空間位置坐標，或者建立三維可視化模型，整個過程的操作簡單，很多環節可由計算機自動完成，效率和精度都相對較高[3]。

3.2 成果形式

3.2.1 原始點云數據。利用三維激光掃描技術時能獲得原始點云數據，此部分數據為被測物體的真實尺寸，其中不僅僅包含了被測對象的空間尺寸及反射率等基本信息，還能通過配備高分辨率的外置數碼相機，逼真保留對象的紋理色彩信息[4]。在測量過程中三維激光掃描儀可與全站儀、GPS等結合，整合全部的數據放于特定的空間坐標系中。利用專用的點云瀏覽軟件，可在點云中實現漫游、瀏覽，并量測被測物體的尺寸、角度、面積等，操作高效且得到的數據更為準確。

3.2.2 二維線畫圖件。二維線畫圖件為傳統測量的成果，包含平面圖、立面圖、剖面圖。如為建筑測量任務，這些圖件能表示建筑內的結構或者構造形式，進一步顯示分層情況，反映建筑物的長、寬、高等尺寸形式、地面標高、層頂形式等。經由前期所得到的點云數據，在CAD中采用專門的點云編輯插件，能制作各類圖件。

3.2.3 網絡發布的點云數據。三維激光測量中利用專門軟件的發布模塊、插件，掃描得到的點云能發布于互聯網，實現共享，遠端用戶在特定的網絡環境中能置身于真實的現場環境中。發布后的點云不僅能網上瀏覽，還能基于互聯網完成量測及標注，提高數據共享水平。對很多無法向公眾開放的景點或者突發事件現場，利用網上發布的彩色點云數據，能為公眾的網上虛擬瀏覽創造條件，通過Skyline軟件，用戶在網絡環境下可動態瀏覽三維點云數據。

3.2.4 三維模型。掃描所得的數據可利用隨機軟件或者其他第三方軟件進行建模，構建mesh格網模型，最后由紋理映射或者導入到其他三維軟件中完成紋理貼圖，得到三維模型，真實還原被測物體的全貌。

4 徠卡MS60三維激光掃描儀的特點

針對本項目的土方測量任務，傳統的測量技術存在諸多不足。綜合諸多因素，最終選擇三維激光掃描技術，選用徠卡MS60三維激光掃描儀負責掃描工作。在徠卡MS60三維激光掃描儀中融合了多種現代技術，不僅能采集現場的諸多信息，還能進一步上傳數據。MS50全站掃描儀的測量精度較高，測量過程中該種掃描儀的自動化程度較高，能在1500m的長距離條件下完成測量任務，測程遠，得到的數據不需要拼接處理。

土方測量中利用徠卡MS60全站掃描儀，能彌補傳統測量技術的諸多不足，其采集呈現以下特點：能以海量的點云掃描數據替代單點測量，用包含紋理信息的圖像數據替代原先的草圖，構建3D模型，能直觀還原現場全貌。在整合采集的各種數據后，能自動建立三維可視化模型，建模操作簡單且精度較高。

結合本項目現場的實際情況，徠卡MS60三維激光掃描技術具有諸多優勢，具體表現在以下方面：①數據采集便捷、高效，得到數據結果的精度較高。MS60掃描儀的掃描速度為1000點/s，可完整、準確捕獲被測物體的三維信息，只需要合理設定設備參數，即可自動掃描并整合各種類型的數據。②在測量過程中幾乎不受環境因素的影響，即使現場環境較為復雜，徠卡MS60全站掃描儀也能掃描被測目標，獲取三維坐標、色彩信息、反射強度等信息，不需要與被測目標直接接觸。③自動化程度高、安全性好。徠卡MS60掃描儀特殊之處在于其能與全站儀一樣架設于已知控制點，通過已有方向完成定位，掃描的點云中包含坐標信息，不存在點云拼接過程，許多環節可由計算機軟件自動完成，操作更為安全。

5 外業測量及點云數據的處理和校核

5.1 外業測量方法

在本次的土方測量中，利用徠卡MS60全站掃描儀進行外業測量時，主要需注意以下方面：①現場勘察，綜合現場的各方面信息確定掃描技術設計書。測量工作中掃描作業技術設計書為重要參考，有關人員可依據所掌握的地形、地貌等基本情況，合理優化技術作業書中的內容，并按照掃描過程及原理，確定掃描站點、掃描測站數量。根據實際經驗，一般向掃描站點選擇較高區域，以擴大掃描覆蓋面，適當減少測站數量。為獲取更為準確的測量結果，前期的工作中有關人員也需優化掃描查賬的幾何構圖形狀，避免出現掃描盲區，保障三維點云數據精度。②平面控制測量，在此次測量工作中應引入RTK技術，按照現場堆土分布特點，合理確定控制點，不僅需保障每一控制點的位置精度，還需確定控制點數量。依據現場情況，控制點應在堆土北側、東側布置。③高程測量，選擇水準測量技術，起閉于北京市等級控制點，實測K1、K2、K3、K4點的高程。④徠卡MS60架設K1，后視K2，2測回觀測土堆西側樓房特征點A、B，控制數據偏差，并保留測量結果。同樣，將儀器架設在K2，后視K1，觀測西北側的無線發射塔特征點C；儀器架設在K4，后視K3，在觀測西南側無線電發射塔特征點D，保留觀測中得到的全部數據[5]。上述的A、B、C、D四個特征點，均為徠卡MS60掃描儀自由設站提供的后方交會方向。⑤上述的一系列外業測量數據，均能為三維激光掃描提供支持，為發揮這些數據的作用，相關人員需依據行業內的數據要求，進行一定的處理。⑥自由設站，以通過測繪來獲取后方交會設站點坐標、高程值。

5.2 點云數據處理

上述測繪過程中得到的點云數據需進行專業化處理。具體的處理過程如下：①將徠卡MS60的工程文件進行調用，從中導出Cyclone，獲取.XML文件，這類型文件可讀取，直接從設備中導出。②在Cyclone新建Databases數據庫，將前期導出的.XML文件導入該數據庫。③由Cyclone軟件進行數據處理，具體的處理過程中其需要整合已有的點云數據，率先進行去噪處理，再根據項目中土方測量的精度標準，重新采樣點云數據，以保障數據精度符合要求，為后續的數據處理提供便捷。MS60掃描儀能獲取目標對象的坐標點云，多個測站之間所得到的點云數據之間不需要拼接處理，內業去噪、重采樣的操作簡單，效率高。經由處理后得到的點云數據，直接從軟件中導出，生成*.LAS格式的數據，再引入Geomagic軟件進一步處理數據，據此構建地表模型，確定土方計算的起算高度等。

5.3 測量成果數據

在計算過程中，委托方需根據現場情況確定土方起算面，由外業借助掃描儀完成掃描，在得到相應的數據后，利用Geomagic軟件整合各種數據，并自動計算土方量，依據計算結果制作土方成果表。Geomagic軟件自帶數據處理功能，在一定的指令下可生成*.dxf格式等高線，與CAD之間共享數據，由CAD制作1∶500地形圖。為檢驗點云模型數據算法結果是否可用，精度能否達到標準，需通過抽稀方式處理點云，在CAD中建立三維網格進行全面檢驗與評估。

6 結束語

土方測量的難度較大，在很多工程項目中都面臨一系列的工作難題。而三維激光掃描技術在土方測量中的優勢明顯，各工程企業需立足自身情況，合理配備現代化掃描儀器，并繼續優化三維激光掃描技術體系。