宋培焱，楊志敏

(1.深圳市地籍測(cè)繪大隊(duì)，廣東 深圳 518034； 2.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)作為一門新興的測(cè)繪技術(shù)，具有實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性、效率高、精度高等特點(diǎn)，在許多復(fù)雜環(huán)境中，可以做到非接觸被測(cè)物體，極大地提高了工作效率。在工程施工前，測(cè)量土石方量是一項(xiàng)極為重要的工作，直接關(guān)系到工程項(xiàng)目的資金預(yù)算，為了合理安排工程進(jìn)度，提高工程質(zhì)量，通常需要高效、準(zhǔn)確地計(jì)算土石方量。然而傳統(tǒng)測(cè)量方法采集到的高程數(shù)據(jù)有限，精度及效率偏低，而采用三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)成本低、效率高的優(yōu)勢(shì)。

三維激光掃描儀可以非接觸觀測(cè)區(qū)域，而能快速、有效、高精度地獲取觀測(cè)區(qū)域表面的空間三維數(shù)據(jù)，操作簡單有效，較好地保護(hù)了測(cè)繪工作者的人身安全。除此之外，三維激光掃描儀提取信息能力強(qiáng)，能夠突出重點(diǎn)區(qū)域、重點(diǎn)部位的細(xì)節(jié)信息，同時(shí)還能夠根據(jù)不同時(shí)期采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，快速生成模型，計(jì)算不同時(shí)期產(chǎn)生的土石方量。

2 基于三維激光掃描技術(shù)的土石方計(jì)算

2.1 三維激光掃描技術(shù)工作原理

地面三維激光掃描儀采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，以點(diǎn)云的形式獲取地形及復(fù)雜物體三維表面的陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。其工作原理為：掃描儀對(duì)目標(biāo)發(fā)射激光，根據(jù)激光發(fā)射和接受的時(shí)間差計(jì)算出相應(yīng)被測(cè)點(diǎn)與掃描儀的距離，再根據(jù)水平方向和垂直方向的步進(jìn)角距值，即可實(shí)時(shí)計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并將其送入存儲(chǔ)設(shè)備予以記錄儲(chǔ)存，經(jīng)過相應(yīng)軟件的簡單處理，即可提供被測(cè)對(duì)象的三維幾何模型。三維激光掃描系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

2.2 土石方計(jì)算原理及方法

三維激光掃描技術(shù)的土石方量測(cè)量，就是利用激光測(cè)距原理，通過計(jì)算脈沖或者相位時(shí)間差，推算出掃描中心距離目標(biāo)的斜距，再配合同時(shí)記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時(shí)記錄激光點(diǎn)的反射強(qiáng)度值，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)陣列式高速、實(shí)時(shí)掃描?；讷@取的目標(biāo)表面海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)學(xué)計(jì)算方法，即可求取工程的土方填挖方量。

主要的工作步驟為：

①控制測(cè)量，作為測(cè)量的首要任務(wù)，為激光三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和定向提供依據(jù)；

②激光三維掃描儀外業(yè)測(cè)量，即將三維掃描儀及標(biāo)靶安置在已有控制點(diǎn)上，定向檢查完成后對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行掃描；

③激光三維掃描儀內(nèi)業(yè)處理，即刪除噪聲點(diǎn)及剔除冗余數(shù)據(jù)、點(diǎn)云配準(zhǔn)及定向等；

④激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)定；

⑤土石方量計(jì)算，并與傳統(tǒng)方法南方CASS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，對(duì)三維激光掃描技術(shù)在土石方量計(jì)算中應(yīng)用的精度及效率進(jìn)行評(píng)定。

3 三維激光掃描儀在山體土石方量計(jì)算中的應(yīng)用實(shí)例

本文案例選擇深圳市龍華區(qū)某公園山體進(jìn)行三維激光掃描，本次利用三維激光掃描儀在測(cè)區(qū)內(nèi)設(shè)置5個(gè)三維激光掃描站點(diǎn)，利用GPS RTK對(duì)各個(gè)掃描站點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)采集，獲取絕對(duì)位置，達(dá)到控制標(biāo)靶坐標(biāo)準(zhǔn)確性，以配合三維激光掃描不同測(cè)站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接。同時(shí)根據(jù)傳統(tǒng)方法利用GPS RTK，做好圖根點(diǎn)，架設(shè)全站儀，采集山體的高程數(shù)據(jù)。

3.1 三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

(1)定向掃描

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況，布設(shè)掃描儀架設(shè)點(diǎn)，保證兩兩通視及覆蓋整個(gè)山體區(qū)域，設(shè)定標(biāo)靶，在架設(shè)激光三維激光掃描儀時(shí)，保證掃描區(qū)域無遺漏。

(2)設(shè)定標(biāo)靶數(shù)據(jù)

利用GPS RTK連接SZCORS系統(tǒng)，獲取控制標(biāo)靶的深圳獨(dú)立坐標(biāo)，控制標(biāo)靶坐標(biāo)的準(zhǔn)確性。GPS RTK獲取絕對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，用于糾正覆蓋整個(gè)區(qū)域的坐標(biāo)，激光三維掃描儀及后視定向靶點(diǎn)分別架設(shè)在已知控制點(diǎn)上，對(duì)掃描山體進(jìn)行全方位的掃描工作，通過數(shù)據(jù)預(yù)處理，得出整個(gè)區(qū)域的深圳獨(dú)立坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.2 三維激光掃描儀內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、點(diǎn)云裁切、噪聲點(diǎn)及覆蓋物剔除、數(shù)據(jù)重采樣、點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出等幾個(gè)步驟。

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

根據(jù)三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理即坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及點(diǎn)云拼接。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就是將獲取的點(diǎn)云坐標(biāo)系統(tǒng)由掃描儀自身的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為深圳獨(dú)立坐標(biāo)系。點(diǎn)云拼接則是將不同測(cè)站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過預(yù)處理軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成整個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)裁切、噪聲點(diǎn)剔除

在儀器掃描過程中，由于掃描儀器為360°全方位掃描，采集數(shù)據(jù)為海量數(shù)據(jù)，有較多的多余數(shù)據(jù)，同時(shí)儀器采集時(shí)，不可避免地產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)，將對(duì)精度產(chǎn)生一定的影響。通過數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)進(jìn)行過濾清除，同時(shí)根據(jù)測(cè)區(qū)需求裁切需要的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而得到無噪音的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)重采樣

三維激光掃描儀在掃描過程中獲取了海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)后處理過程中需要根據(jù)所需求的精度對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。本次項(xiàng)目設(shè)置點(diǎn)云間隔 5 cm～20 cm，數(shù)據(jù)重采樣設(shè)置后，高程點(diǎn)數(shù)據(jù)仍有兩百多萬，精度完全滿足土石方量計(jì)算的要求。

(4)植被及覆蓋物剔除

由于采集區(qū)域?yàn)槎盖蜕襟w，山上植被茂盛，為了獲取更加準(zhǔn)確的地表數(shù)據(jù)，需要剔除山上的植被及覆蓋物，從而得到最真實(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過設(shè)置創(chuàng)立粗略的網(wǎng)絡(luò)模型，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其他進(jìn)行比較，即可剔除植被，得到真實(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成DEM數(shù)據(jù)模型。

3.3 點(diǎn)云高程精度分析

利用全站儀對(duì)陡峭邊坡進(jìn)行高程點(diǎn)測(cè)量，平均每 5 m測(cè)得一高程點(diǎn)，將測(cè)得的高程點(diǎn)隨機(jī)抽出50個(gè)點(diǎn)，導(dǎo)入相應(yīng)的軟件中與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，高程系統(tǒng)差值都滿足在 5 cm以內(nèi)，可以得出三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程精度滿足土方測(cè)量的精度要求。

3.4 土石方量計(jì)算及分析

利用全站儀測(cè)得的高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入南方CASS，構(gòu)建TIN，設(shè)置設(shè)計(jì)高程面，得到TIN數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 全站儀測(cè)得的高程數(shù)據(jù)構(gòu)建的TIN

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維激光掃描內(nèi)業(yè)處理軟件，構(gòu)建TIN，生成DEM模型，如圖3所示。

利用全站儀測(cè)得高程點(diǎn)構(gòu)建的TIN及三維掃描儀掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別以 0 m作為基準(zhǔn)面，計(jì)算土石方量，得到的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成構(gòu)建的DEM

土石方量的各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算表 表1

從采集到的數(shù)據(jù)量上看，全站儀采集到的高程數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為285個(gè)，而三維激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)高達(dá) 2 560 732個(gè)。

從數(shù)據(jù)采集時(shí)間上看，傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量高程點(diǎn)方式為 4 h，三維激光掃描儀作業(yè)時(shí)間為 2 h，節(jié)約1倍的工作時(shí)間，而且由于山體較為陡峭，用全站儀觀測(cè)，跑尺人員相當(dāng)辛苦，并且危險(xiǎn)性大，而激光三維掃描技術(shù)減輕了外業(yè)的工作強(qiáng)度。

從統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果對(duì)比來看，采用三維激光掃描儀得到的土石方量誤差僅為1.49%，精度更加精確，滿足工程測(cè)量規(guī)范要求。表面積誤差為8.45%，這是因?yàn)槿S激光掃描儀采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)達(dá)到海量級(jí)別，而全站儀僅僅采集百位數(shù)的高程數(shù)據(jù)，在細(xì)節(jié)上三維激光掃描儀能更加貼近現(xiàn)場(chǎng)地形的細(xì)微特征，因此獲取的表面積更大。

相比傳統(tǒng)全站儀測(cè)量高程點(diǎn)的作業(yè)模式，三維激光掃描技術(shù)提高了作業(yè)效率，對(duì)于山體較為陡峭、地形比較復(fù)雜的區(qū)域，更能發(fā)揮自身的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 語

三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)測(cè)量方式到面測(cè)量方式的轉(zhuǎn)變，為測(cè)繪領(lǐng)域提供了新的研究方向。相比較傳統(tǒng)測(cè)量方法，三維激光掃描系統(tǒng)操作簡單，測(cè)量速度快，點(diǎn)云密度高，精度質(zhì)量好，生成的三維地形網(wǎng)格模型滿足了工程的要求，同時(shí)三維激光掃描儀技術(shù)不受地形限制，無論是平坦地面還是丘陵山地、懸崖峭壁都能很好地完成任務(wù)，尤其是特別危險(xiǎn)的、人力難以到達(dá)的區(qū)域，都可以實(shí)現(xiàn)非接觸觀測(cè)，最大限度地保護(hù)測(cè)量人員的人身安全并獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，提高了測(cè)繪的效率。