劉國超，馬會姣

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060； 2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

1 引 言

2020年9月22日，習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出：“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和?！秉h的十九屆五中全會把碳達峰、碳中和作為“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標。水力發(fā)電作為一種清潔能源，利用水的勢能進行發(fā)電，相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，排放的二氧化碳幾乎為零，是清潔能源使用的重要手段。但是水利設(shè)施，多集中在高山峽谷區(qū)。由于峽谷陡峭、植被茂密，原始地形獲取困難，傳統(tǒng)的技術(shù)手段多采用人工現(xiàn)場采集方式，費時費力，且效率低下；GPS測量由于山高林密，信號遮擋嚴重，無法獲得固定解，使得地形獲取成為難點。機載LiDAR通過無人機搭載LiDAR設(shè)備，對被測體進行高分辨率航飛和點云獲取，通過將LiDAR點云的多回波進行濾波算法處理，去除地表植被，獲取真實地面高程數(shù)據(jù)信息，從而獲得原始地形[1，2]。在獲取了原始地形后，如何解算邊坡設(shè)計的土方量成為又一個難點，由于土方量計算不僅需要原始地形數(shù)據(jù)，還需參考數(shù)據(jù)，即設(shè)計模型，而常規(guī)的土方量計算軟件如CASS、HTCAD、天正土方等[3，4]難以解算。本文探討通過Civil 3D建模軟件，依據(jù)邊坡設(shè)計參數(shù)建立參考模型，然后通過參考模型與現(xiàn)狀地形對比，計算土方量，并結(jié)合某工程案例，驗證機載LiDAR+Civil 3D在植被茂密山區(qū)邊坡設(shè)計土石方概算中的應用。

2 機載LiDAR+Civil 3D技術(shù)原理

2.1 機載LiDAR系統(tǒng)組成及原理

LiDAR系統(tǒng)由激光測距儀(Laser Range Finder，LRF)、GPS、IMU、數(shù)碼相機(CCD相機)、計算機控制導航系統(tǒng)(Computer Control Navigation System，CCNS)、數(shù)據(jù)存儲單元等儀器組成。其中，LRF是用來發(fā)射、探測激光并計算距離的裝置，GPS用來確定三維坐標，IMU用來測量方位(Orientation)：航向角(heading)、側(cè)滾角(roll)、俯仰角(pitch)，CCNS用于控制在線數(shù)據(jù)的通信及飛行器的導航，CCD相機用于同步獲取地面影像。機載LiDAR系統(tǒng)通常以小型飛機、直升機或者無人機作為飛行平臺，如圖1所示。

圖1 機載LiDAR工作示意圖

通過檢校的安裝誤差角、POS數(shù)據(jù)、激光測距數(shù)據(jù)，LiDAR點云某一時刻的三維坐標可通過大地定向式(1)計算出來：

(1)

式中，RWGS84代表GPS天線坐標系到WGS84坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣，RIMU表示IMU坐標系到GPS天線坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，Rm表示激光掃描儀坐標系到IMU坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣，RS表示激光掃描儀的掃描角矩陣，X0、Y0、Z0表示GPS相位中心在WGS84坐標系中的位置，ρ表示激光發(fā)射點到地表掃描位置的距離，x、y、z為激光光斑在WGS84下的三維坐標，ax、ay、az表示激光發(fā)射點轉(zhuǎn)換到GPS相位中心的位移量。

為了滿足后續(xù)測量工程的需要，WGS84坐標系下的LiDAR點云坐標需要換算到國家坐標系統(tǒng)(如1980西安坐標系)或局部坐標系統(tǒng)下。一般通過GPS網(wǎng)平差約束法或者七參數(shù)法完成平面坐標系的轉(zhuǎn)換。對于LiDAR點云的高程，可以通過多項式擬合或者精化大地水準面轉(zhuǎn)化WGS84的橢球高為正常高。依據(jù)激光掃描儀掃描類型的不同，LiDAR點云的分布形式不盡相同。LiDAR點云再進行地面點的分類，從非地面點類中繼續(xù)細分地物點類，分類結(jié)果可以生成DSM、DEM、DOM、數(shù)字地形圖等成果[5，6]。LiDAR點云數(shù)據(jù)的處理流程可以用圖2來表示。

圖2 典型的LiDAR點云數(shù)據(jù)處理流程

2.2 Civil 3D設(shè)計參數(shù)建模

Civil 3D作為一款面向基礎(chǔ)市政建設(shè)的BIM軟件，具有強大的建模功能，其操作命令和AutoCAD一樣，但是其優(yōu)勢在于三維建模和場地放坡，獨有的場地放坡功能，可以根據(jù)高程、距離、放坡比、至曲面4種模式進行放坡，滿足不同設(shè)計參數(shù)的放坡需求[7]。相比于傳統(tǒng)的CASS、天正等土方量計算軟件，Civil 3D解算土方量有兩點優(yōu)勢：①Civil 3D可以直觀地展示地形地貌，三維立體還原測區(qū)原始地形，有助于發(fā)現(xiàn)測量粗差，剔除測量粗差；②傳統(tǒng)的CASS和天正軟件解算土方量需要原始數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀數(shù)據(jù)一般可以通過實地測量獲得，然而原始數(shù)據(jù)或者對比數(shù)據(jù)有時并沒有測量數(shù)據(jù)，只是設(shè)計參數(shù)和放坡比，這樣在CASS與天正軟件解算土方量過程中就會由于缺少參照模型而無法進行。一般情況下，可以通過設(shè)計參數(shù)和放坡比解算出設(shè)計放坡的腳點和特征點，然后帶入解算，這樣既麻煩又可能計算錯誤，效率低；Civil 3D由于可以通過設(shè)計參數(shù)和放坡比建模，可以直觀地展示放坡模型，相比于傳統(tǒng)方法更有效率。

2.3 機載LiDAR+Civil 3D的邊坡設(shè)計土石方計算技術(shù)流程

機載LiDAR以其無接觸、高精度、多回波特點，可以快速、高精度獲取山區(qū)茂密植被覆蓋區(qū)域的原始地形，結(jié)合Civil 3D參數(shù)化、可視化建模功能，可以實現(xiàn)邊坡設(shè)計的精準建模，從而解決土石方概算的原始模式和設(shè)計模型獲取難點，其技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 機載LiDAR+Civil 3D在植被茂密山區(qū)土石方概算技術(shù)流程

3 實例分析

某水利設(shè)施擬建在一處深山峽谷處，由于地勢低洼，兩側(cè)山高林密，為防止滑坡、泥石流等地質(zhì)災害，擬對兩側(cè)山坡進行邊坡加固。此邊坡高差約 100 m，坡度約30°，最陡處坡度約80°，植被覆蓋茂密，原始地形獲取困難，常規(guī)的測量方法一般采用全站儀+導線量測法，進行原始地形、地物獲取，局限于植物覆蓋茂密，全站儀視野較差，地形點獲取困難。RTK測量由于信號遮擋，無法獲得固定解。因此為獲取兩側(cè)山體的原始地形，本項目擬采用羅賓遜R44載人直升機，搭載ALTM Galaxy T 1000激光雷達設(shè)備獲取測區(qū)點云數(shù)據(jù)，同時搭載光學數(shù)碼相機同步獲取測區(qū)高分辨率光學影像數(shù)據(jù)，點云平均密度優(yōu)于100點/m2，原始光學影像分辨率優(yōu)于 5 cm(坡腳除外)。原始地形獲取航線規(guī)劃如圖4所示。

圖4 原始地形獲取航線規(guī)劃

通過外業(yè)數(shù)據(jù)采集，獲取測區(qū)高精度的原始點云和影像圖片，由于點云包括地形表面激光數(shù)據(jù)、地物表面激光數(shù)據(jù)和多路徑效應造成的噪點(粗差點)等，需通過點云濾波去除地物點和噪聲點，以獲取準確的原始地形點。點云濾波常用方法有雙邊濾波、高斯濾波、直通濾波、隨機采樣一致性濾波等[8，9]，本項目根據(jù)實際數(shù)據(jù)情況，采用自動濾波+人機交互方式進行處理，確保最終的點云數(shù)據(jù)中不含或僅存在較少噪點，如圖5所示。

圖5 點云去噪濾波(消除噪點)

點云去噪后，根據(jù)點云的多回波特性，對點云進行分類，區(qū)分地形點和地面點，建立原始地形DEM，將去噪和分類后的地形點云導入Civil 3D軟件中，進行點云建模，以獲取測區(qū)的精確原始地形圖。為計算邊坡設(shè)計土方量，在獲取原始地形后，還需獲取設(shè)計模型，通過設(shè)計模型和原始地形進行對比，計算土方量。本項目設(shè)計模型，采用Civil 3D場地設(shè)計和放坡功能進行建模，根據(jù)設(shè)計剖面圖和放坡比例，在Civil 3D中進行精確放坡建模，獲取精準設(shè)計模型，如圖6所示。

圖6 獲取原始地形和設(shè)計模型

通過將原始地形圖和邊坡設(shè)計曲面進行對比分析，采用復合體積算法或平均斷面算法，在Civil 3D土石方計算工具中進行體積計算，得到土方量計算結(jié)果。同樣的數(shù)據(jù)，采用CASS軟件計算：第一步：建立參考模型，由于CASS計算需要坐標點作為原始數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)，需要通過設(shè)計參數(shù)和放坡比建立特征點(坡頂點、坡腳點、特征點)，然后將特征點文件導入到CASS軟件，作為參考模型；第二步：導入原始模型，將現(xiàn)有采集數(shù)據(jù)導入CASS作為原始數(shù)據(jù)；第三步：方格網(wǎng)法計算土方量。通過上述步驟解算出來的土方量同Civil 3D解算的進行對比，詳情如表1所示。

Civil 3D和CASS軟件解算土方量對比 表1

通過Civil 3D和CASS解算土方量對比，可以看出Civil 3D和傳統(tǒng)的CASS軟件解算土方量精度相當，但是卻可以方便直觀地展現(xiàn)模型形態(tài)，省去了由于缺少參考模型而需要通過設(shè)計參數(shù)去計算坐標點參與計算的麻煩，相對于傳統(tǒng)的二維土方測算軟件，具有更強大的優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

本文主要探討了植被茂密山區(qū)土石方概算的問題，針對高陡、高植被覆蓋率山區(qū)地形獲取困難的問題，通過機載LiDAR的高密度點云、多回波探測技術(shù)，實現(xiàn)茂密植被覆蓋山區(qū)的點云數(shù)據(jù)快速獲取，通過點云去噪、濾波和分層處理，快速、高精度構(gòu)建原始地形模型；針對邊坡設(shè)計土石方概算的參考模型問題，通過Civil 3D平臺，利用其三維動態(tài)設(shè)計優(yōu)勢和場地放坡功能，實現(xiàn)由二維的CAD剖面設(shè)計到三維立體邊坡模型的建立，為土方量概算提供精準參考模型。結(jié)合機載LiDAR+Civil 3D各自的優(yōu)勢，可以快速、便捷獲取邊坡設(shè)計土方量計算的原始和參考模型，為茂密植被覆蓋山區(qū)邊坡設(shè)計土石方概算提供了有益借鑒。