基于三維激光掃描儀技術(shù)的土方量測(cè)量及精度分析

朱世鵬+胡凱賀+梁?jiǎn)?徐賀

摘 要：土方量計(jì)算是土方工程項(xiàng)目的核心環(huán)節(jié)和重要組成部分。傳統(tǒng)的土方量測(cè)量方法有斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法等，這些方法是基于野外采集地形特征點(diǎn)信息進(jìn)行土方量計(jì)算，測(cè)量精度和工作效率較低。本文利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)土方工程進(jìn)行快速測(cè)量，構(gòu)建土方三維實(shí)體模型，計(jì)算工程土方量，并將該方法與傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三維激光掃描儀與傳統(tǒng)的土方量測(cè)量方法相比具有測(cè)量精度高，結(jié)果直觀，速度快等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：三維激光 土方量測(cè)量 點(diǎn)云 三維模型

中圖分類號(hào)：U231 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0044-03

Abstract：Earthwork survey is the core and main constituent part of earthwork project. The traditional earthwork measurement include section method， grid method， contour method and so on， the measurement accuracy and work efficiency of the methods are lower. Using of 3-d laser scanner technology for rapid surveying in earthwork project， establishing 3d entity solid model， calculating earth volume. Contrast the method with the traditional measurement， and the result indicate that the 3-d laser scanner has a better effect in measurement accuracy and the rapid， and the result is more intuitive.

Key Words：3-d laser；Earthwork survey；Point cloud；3-d model

土方表面數(shù)據(jù)點(diǎn)采集的速度、精度以及采集點(diǎn)擬合目標(biāo)表面的精細(xì)程度和土方量計(jì)算的方法將直接影響土方量計(jì)算的效率和精度。對(duì)于土方量的測(cè)量，傳統(tǒng)方法一般都是用RTK和全站儀選點(diǎn)測(cè)量的方法，這種方法誤差大、效率低，外業(yè)人員的工作量大。作為一種新型測(cè)繪技術(shù)，三維激光掃描可對(duì)儀器周圍環(huán)境進(jìn)行360°×320°全方位掃描，獲取周邊環(huán)境所有的點(diǎn)位信息以及被測(cè)物體表面的反射強(qiáng)度和顏色信息，生成三維的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，具有采集速度快、密度大、精度高、非接觸和測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

此次試驗(yàn)在長春市內(nèi)選取土石方測(cè)量典型試驗(yàn)場(chǎng)，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行土石方的測(cè)量及土方量計(jì)算試驗(yàn)，并與常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行精度和工作效率的對(duì)比分析，旨在能夠總結(jié)和提煉應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)快速準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算土方量的方法及相關(guān)的操作規(guī)程，驗(yàn)證該方法的可靠性和適用性[4-5]。

1 測(cè)區(qū)概況

本項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)位于長春市南關(guān)區(qū)，華新街和誼民路交匯，長春市群眾文化藝術(shù)館南側(cè)，此次實(shí)驗(yàn)所選土石方為建筑施工過程中堆砌的廢土石渣，總占地面積約為25416m2，高差約20m。現(xiàn)場(chǎng)情況比較復(fù)雜，土堆堆砌的均為粘土，且植被覆蓋較為嚴(yán)重，用傳統(tǒng)方法時(shí)人員攀爬土堆費(fèi)時(shí)費(fèi)力，RTK和全站儀打點(diǎn)效率低下、測(cè)算體積精度差，用激光掃描儀很好地解決了這一難題。

2 掃描準(zhǔn)備工作

2.1 控制測(cè)量

此試驗(yàn)為了對(duì)比分析三維激光與常規(guī)方格測(cè)量土方的精度，建立一套統(tǒng)一的平面和高程坐標(biāo)系統(tǒng)。對(duì)試驗(yàn)區(qū)周圍的環(huán)境進(jìn)行踏勘，在地質(zhì)較堅(jiān)實(shí)、不易破壞、通視效果良好處選擇控制點(diǎn)，分別作為標(biāo)靶中心坐標(biāo)采集的測(cè)站點(diǎn)和后視點(diǎn)。在測(cè)站點(diǎn)周圍穩(wěn)定處粘貼靶紙，根據(jù)三維激光掃描儀的特性，儀器無法精準(zhǔn)掃描法向量與激光接近垂直的地物，因此，張貼標(biāo)靶紙時(shí)讓標(biāo)靶紙中心的法向量與儀器發(fā)射激光束交角越小越好。觀測(cè)儀器采用徠卡TM30全站儀，用標(biāo)靶中心坐標(biāo)采用雙測(cè)站極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)量前必須對(duì)儀器進(jìn)行檢驗(yàn)，依據(jù)工程測(cè)量規(guī)范，測(cè)角中誤差±0.5″，半測(cè)回歸零差4″，一測(cè)回互差值8″，測(cè)距誤差±1mm，測(cè)量3個(gè)標(biāo)靶中心的測(cè)量坐標(biāo)，作為三維激光掃描的相對(duì)坐標(biāo)和測(cè)量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)。

2.2 規(guī)劃掃描線路

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地的現(xiàn)場(chǎng)情況合理布設(shè)每一站位置，規(guī)劃掃描儀走向，原則上做到試驗(yàn)的土方在掃描過程中沒有死角。掃描線路示意圖如圖1所示，圓形為測(cè)站位置，箭頭指示方向?yàn)閽呙鑳x測(cè)量走向。

3 三維激光掃描儀測(cè)量土方量

3.1 外業(yè)掃描

本次三維掃描項(xiàng)目采用德國Z+F IMAGER 5010C設(shè)備，該掃描儀是相位式三維激光掃描儀，最高精度可達(dá)0.3mm，有效測(cè)量距離可達(dá)187m，角度分辨率水平方向達(dá)到0.0002°，垂直方向達(dá)到0.0004°，所以，對(duì)堆砌土堆的微小角落都不會(huì)錯(cuò)過，對(duì)凹凸曲面也能完美反映出來。三維激光的外業(yè)掃描包括設(shè)立標(biāo)靶和儀器掃描，此次實(shí)驗(yàn)，用于兩站之間拼接的球形標(biāo)志為Z+F IMAGER5010C儀器配套的球形標(biāo)志，直徑10cm。由于土方地形細(xì)節(jié)較為復(fù)雜，因此為得到較為精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每兩站之間距離控制在30m之內(nèi)，最后實(shí)驗(yàn)完成后測(cè)站數(shù)共有29站。

3.2 內(nèi)業(yè)處理

3.2.1 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于物體的遮擋、掃描儀的限制等原因，要完成對(duì)土堆的完整數(shù)據(jù)獲取，掃描儀要進(jìn)行多測(cè)站多角度的測(cè)量。但由于掃描儀每測(cè)站坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)都是掃描儀的儀器中心，因此，需要通過點(diǎn)云配準(zhǔn)的方式將不同測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系下，將標(biāo)定轉(zhuǎn)換完成的文件保存為3D點(diǎn)云。endprint

3.2.2 數(shù)據(jù)濾波

基于Geomagic Studio 2012軟件平臺(tái)，打開.asc格式的文件。通過軟件自帶的功能對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、濾波，去除體外孤點(diǎn)和非連接項(xiàng)，去除不必要的數(shù)據(jù)，使之更加直觀，去噪結(jié)果如圖2所示。

3.2.3 基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的土方量計(jì)算

本次土方量計(jì)算采用JRC 3D Reconstructor軟件，以簡(jiǎn)單快捷地獲取等值線、截面，更善于生成正射影像與特有的實(shí)體影像，特別是該軟件可以導(dǎo)入或自定義實(shí)體剖面，可視效果強(qiáng)，基于基準(zhǔn)面的體積量測(cè)、填挖方量測(cè)，結(jié)果可直接生成PDF報(bào)告，為土方計(jì)算提供了有效途徑，圖3為構(gòu)建的土方表面模型。利用軟件自帶的“計(jì)算體積到平面”的功能，將建好的模型投影到平面，拾取模型底面邊界，計(jì)算出土方量為102740.3m3。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度對(duì)比分析

本次研究將三維激光掃描技術(shù)和GPS RTK常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比。RTK測(cè)量法需要利用GPS對(duì)地形征點(diǎn)進(jìn)行逐一采集，需要大量的野外工作，作業(yè)時(shí)間較長，采集特征點(diǎn)數(shù)量少，工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高，而三維激光掃描儀主要對(duì)地物進(jìn)行掃描，掃描時(shí)間短，可采集海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，工作效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

地面激光掃描法內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間長，對(duì)點(diǎn)云的拼接、冗余去除，需要大量人工干預(yù)多，自動(dòng)化程度不高。RTK測(cè)量法內(nèi)業(yè)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，需要對(duì)照草圖和外業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯成圖，作業(yè)方式成熟固定，處理時(shí)間短。以本次試驗(yàn)研究為例對(duì)兩種方法的生產(chǎn)質(zhì)量和效率進(jìn)行定量分析，如表1所示。

5 結(jié)語

本次利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行土石方的測(cè)量及土方量計(jì)算試驗(yàn)，并與常規(guī)測(cè)量方法進(jìn)行精度和工作效率的對(duì)比分析，總結(jié)了應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)快速準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算土方量的過程及相關(guān)的操作方法，驗(yàn)證三維激光掃描儀在土方量測(cè)量中的可操作性，為土方量測(cè)量提供了新途徑。

參考文獻(xiàn)

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