基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的沙堆體積測(cè)量方法研究

姜永男，李樹(shù)坤

（寧波市正源測(cè)繪有限公司，浙江寧波315200）

1 引言

三維激光掃描技術(shù)在國(guó)際上已經(jīng)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，隨著工程測(cè)量土方量計(jì)算、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的需求越來(lái)越大，越來(lái)越多的人也開(kāi)始研究其在體積求算等方面的應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)主要有：蘇春艷等[1]利用三維激光掃描儀對(duì)大面積的堆積體，精確計(jì)算出體積。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的土方量精度高且效率快。李濱等得出將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在工程測(cè)量的土方計(jì)算中的方案是完全可行的。熊妮娜等以松油為例進(jìn)行了基于三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量樹(shù)冠體積方法的可行性研究。目前，國(guó)內(nèi)三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用還不是很普及，三維激光掃描是獲取物體三維數(shù)據(jù)的一項(xiàng)重要技術(shù)，有著很廣泛的發(fā)展前景。

2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

選擇某建筑工地的施工場(chǎng)所旁的沙堆，采用徠卡C10三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依據(jù)沙堆的形狀確定測(cè)站的位置，儀器至沙堆表面的距離大概10m左右，掃描分辨率設(shè)置為1cm，本次掃描決定共設(shè)立4站，由于各站掃描數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立的，為滿足后續(xù)的點(diǎn)云拼接，本次掃描共設(shè)立4個(gè)標(biāo)靶。標(biāo)靶的放置在一個(gè)穩(wěn)定的位置，以防止標(biāo)靶晃動(dòng)，同時(shí)確保這4個(gè)標(biāo)靶每站可視。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

本次使用徠卡C10配套的數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone8.0。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件完成拼接得到完整的沙堆點(diǎn)云。使用基于標(biāo)靶的拼接模式，經(jīng)去噪和點(diǎn)云均一化處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1預(yù)處理后的沙堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3 沙堆體積求算

3.1 用Geomagic軟件進(jìn)行求算

把Cyclone軟件處理后的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Geomagic軟件中，由于導(dǎo)入的數(shù)據(jù)呈黑色，無(wú)法辨別邊界，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理存在難度，需先給點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色。此外，點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在一些明顯偏離的噪音點(diǎn) ，需去除體外孤點(diǎn)及非連接項(xiàng)，當(dāng)然也可以根據(jù)快捷鍵進(jìn)行手動(dòng)去除。

為了得到更加光滑的曲面，在Geomagic軟件中進(jìn)行去噪處理，參數(shù)選擇“自由曲面形狀”，偏差限制為0.005m，迭代為1。進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣及數(shù)據(jù)封裝，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)封裝成三角形網(wǎng)格，創(chuàng)建流型刪除模型中的非流型三角形。

體積求算有兩種方法，第一：?jiǎn)螕簟胺治觥薄坝?jì)算”→“計(jì)算體積”項(xiàng)直接求取體積；第二：?jiǎn)螕簟胺治觥薄坝?jì)算”→“計(jì)算體積到平面”項(xiàng)并進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。這里選擇系統(tǒng)平面，位置度可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，然后單擊“確定”鍵，得到模型體積（圖2），本實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)不同的Z值獲得4個(gè)不同的體積。

圖2 模型體積

3.2 Surfer軟件求算體積

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，由于Surfer8.0軟件處理的是grd類型的數(shù)據(jù)文件，所以需要先把Cyclone軟件輸出的xyz類型的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成grd類型的數(shù)據(jù)文件。打開(kāi)Surfer8.0軟件，選擇從Cyclone軟件中處理后的數(shù)據(jù)文件，文件類型選擇“所有文件”。之后在彈出的對(duì)話框中根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置并查看數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)沒(méi)問(wèn)題，則完成數(shù)據(jù)文件的類型轉(zhuǎn)換。

進(jìn)行體積求算單擊菜單欄中的“網(wǎng)格”→“體積”項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇新生成的grd類型的數(shù)據(jù)文件，然后在彈出的“網(wǎng)格體積”對(duì)話框中設(shè)置上下表面的參數(shù)。這里的上表面選網(wǎng)格文件，下表面Z值根據(jù)采集數(shù)據(jù)Z值進(jìn)行調(diào)整，確認(rèn)后，生成模型的體積報(bào)告（圖3）。

圖3 體積報(bào)告

3.3 Cyclone軟件求算體積

首先選擇點(diǎn)云建立TIN，TIN是指不規(guī)則的三角形三角化網(wǎng)絡(luò)。它是用一系列互不交叉、互不重疊的連接在一起的三角形來(lái)表示地形表面，即可以對(duì)已采集的規(guī)則的或不規(guī)則分布的地理數(shù)據(jù)進(jìn)行三角建網(wǎng)，當(dāng)整個(gè)區(qū)域TIN網(wǎng)絡(luò)建立之后，就可以進(jìn)行進(jìn)一步的TIN?數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用等。接著定義參考面，定義參考面是指根據(jù)具體需要設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)面，然后求算點(diǎn)云數(shù)據(jù)到該參考面的體積、表面積等。

Cyclone軟件提供設(shè)置任意參考面的功能，這里設(shè)置XY面為一個(gè)參考平面，然后通過(guò)設(shè)置Z值來(lái)改變參考面的位置，進(jìn)而求取點(diǎn)云到該平面的體積。最后體積求算，求取點(diǎn)云到參考面的體積。先選擇點(diǎn)云，然后單擊“Tools”→“Measure”→“TIN Volume”項(xiàng)，求算出體積（圖 4）。

圖4 體積顯示

4 數(shù)據(jù)處理及分析

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)

根據(jù)三種軟件的性能，設(shè)置不同的平面來(lái)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)到該平面的體積。平面的設(shè)置可以通過(guò)XYZ中的任兩個(gè)確定一個(gè)平面，然后通過(guò)改變另一個(gè)的值來(lái)實(shí)現(xiàn)該平面的調(diào)動(dòng)。這里設(shè)定XY面為一個(gè)平面，然后通過(guò)設(shè)定Z值來(lái)實(shí)現(xiàn)XY面的升降，從而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云到不同的XY面的體積求算工作。

通過(guò)改變Z值求取點(diǎn)云數(shù)據(jù)到四個(gè)不同的XY面的體積。為了去除地面起伏對(duì)結(jié)果的影響，設(shè)置的Z值要比地面上點(diǎn)云最大的Z值大一點(diǎn)，使堆體的底面呈一個(gè)平行于XY面的平面，這里再取三個(gè)Z值-1.600m、-1.550m和-1.500m以便對(duì)比分析，去除特例情況。三種軟件在不同Z值時(shí)求算的體積及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理見(jiàn)表1。

表1 體積及相關(guān)計(jì)算

4.2 比較與分析

為滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，從求算體積的可行性、操作的難易程度和體積求算的精度等幾個(gè)方面進(jìn)行分析。三種軟件在求算相同大小獨(dú)立體體積時(shí)的性能見(jiàn)表2。應(yīng)用中可以根據(jù)需要選擇不同的軟件進(jìn)行沙堆的體積求算，進(jìn)而提高效率及效益。

表2 軟件性能對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本論文是關(guān)于利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取不規(guī)則堆體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)Cyclone軟件先期處理，然后運(yùn)用Surfer8.0、Geomagic和Cyclone三種軟件分別求取的沙堆體積。經(jīng)過(guò)分析研究，基于徠卡C10的沙堆體積快速測(cè)量的方案是完全可行的，其可以應(yīng)用于工程領(lǐng)域的土方量和體積等方面，不僅可以保證精度，而且可以提高效率，解放勞動(dòng)力。