三維激光掃描在土石方量精計(jì)算中的應(yīng)用

馮曉剛，劉明星，撒利偉，楊 鑫，李 萌

（1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院 建筑勘測(cè)研究所，陜西 西安710055）

三維激光掃描在土石方量精計(jì)算中的應(yīng)用

馮曉剛1，劉明星1，撒利偉1，楊 鑫1，李 萌1

（1.西安建筑科技大學(xué) 建筑學(xué)院 建筑勘測(cè)研究所，陜西 西安710055）

探討了三維激光掃描技術(shù)在土石方量精確計(jì)算中的應(yīng)用，主要包括方案設(shè)計(jì)、前期組織、外業(yè)施測(cè)到內(nèi)業(yè)成果計(jì)算與提交的整個(gè)過(guò)程。并通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目案例予以驗(yàn)證，以期為三維激光掃描技術(shù)在土石方量精計(jì)算中的應(yīng)用提供參考。

地面三維激光掃描；土石方量；精計(jì)算

1 三維激光測(cè)量原理

傳統(tǒng)的土石方量外業(yè)施測(cè)多以水準(zhǔn)測(cè)量方法、全站儀方法或者GPS RTK方法為主[1]。且都是通過(guò)在測(cè)區(qū)選擇高低不同的特征點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地測(cè)量并記錄以達(dá)到外業(yè)測(cè)量的目的，內(nèi)業(yè)計(jì)算通常借助相關(guān)計(jì)算軟件，以外業(yè)實(shí)測(cè)離散點(diǎn)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，通過(guò)建立相關(guān)土方計(jì)算模型以達(dá)到計(jì)算土石方量的目的，多采用諸如斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法、平均高程法、區(qū)域土方量平衡法、不規(guī)則三角網(wǎng)法中的一種或者幾種[2]。由于獲取原始數(shù)據(jù)均以研究區(qū)域特征離散點(diǎn)為基礎(chǔ)，因此，最終計(jì)算土石方量的精度往往取決于獲取研究區(qū)原始區(qū)域特征點(diǎn)位的精度及點(diǎn)位的密度等。由于研究區(qū)域土石方堆積表面形狀的復(fù)雜性，及實(shí)際測(cè)量特征離散點(diǎn)個(gè)數(shù)的有限性，致使以線性內(nèi)插為基礎(chǔ)的土石方計(jì)算模型獲得結(jié)果與實(shí)際土石方量有差異[3]。一般情況下，土石方量越大，兩者之間的差異也越大。而三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)，為解決上述難題開辟了一條嶄新的途徑。三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)（HDS），是當(dāng)今最先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)手段之一[4-8]，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已經(jīng)開始嘗試用該技術(shù)進(jìn)行土方測(cè)量[6-8]。

三維激光掃描儀主要包括1臺(tái)高速精確的激光測(cè)距系統(tǒng)、1組引導(dǎo)激光反射并以均勻角速度掃描的反射棱鏡、水平方位角偏轉(zhuǎn)控制器、高度角偏轉(zhuǎn)控制器、數(shù)據(jù)輸出處理器，部分儀器還具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)。三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P到掃描儀的距離s，控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測(cè)值α、β。三維激光掃描一般為儀器自定義坐標(biāo)系，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，并一起構(gòu)成右手坐標(biāo)系（如圖1）。P點(diǎn)坐標(biāo)為[9]：

圖1 地面三維激光掃描系統(tǒng)的定位原理

2 土石方量計(jì)算模型

本文以三維激光掃描獲取的高分辨率海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于移動(dòng)擬合法，采用逐點(diǎn)內(nèi)插的思路構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型，在充分考慮DEM空間分辨率的基礎(chǔ)上精確刻畫該研究區(qū)域的地表形態(tài)?；贏rcGIS的地形處理模塊，利用構(gòu)建的高精度TIN模型進(jìn)行研究區(qū)域土石方量的精確計(jì)算及精度評(píng)價(jià)。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域?yàn)槟骋簧唐贩拷ㄔO(shè)工地，面積約3 300 m2，地形起伏較大，有坡地、凹坑及堆土等。根據(jù)甲方要求需要提供項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)精確的土石方量大小，基于此，該項(xiàng)目采用Leica C10三維激光掃描儀獲取項(xiàng)目區(qū)高精度土石方量數(shù)據(jù)，同時(shí)，采用GPS RTK技術(shù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。

3.2 方案與前期設(shè)計(jì)

首先需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，制作掃描規(guī)劃草圖，主要包括外業(yè)操作人員、掃描區(qū)域和時(shí)間、設(shè)站位置、標(biāo)靶位置等；其次，為了方便后期拼接和避免重復(fù)掃描，需要科學(xué)設(shè)站并確保兩站標(biāo)靶通視；最后規(guī)范設(shè)置標(biāo)靶位置，除了要求標(biāo)靶擺設(shè)穩(wěn)固、不能共線外，最好設(shè)置在兩測(cè)站公共空間最大的距離處，以保證不同站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度。

3.3 控制網(wǎng)的建立

由于掃描儀獲取的數(shù)據(jù)是以儀器為中心的站心坐標(biāo)系，為了使掃描數(shù)據(jù)與甲方提供的已知控制點(diǎn)地理空間坐標(biāo)系一致，就需要建立施測(cè)控制網(wǎng)。施測(cè)控制網(wǎng)的建立方法可以借鑒導(dǎo)線控制測(cè)量的思路?？刂泣c(diǎn)布設(shè)完畢后，借助全站儀獲取各控制點(diǎn)地理坐標(biāo)。本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，共設(shè)置3個(gè)控制點(diǎn)。

3.4 施測(cè)過(guò)程

將三維激光掃描儀安置在1號(hào)測(cè)站點(diǎn)上，經(jīng)對(duì)中整平后，將專用標(biāo)靶架設(shè)在鄰近的已知控制點(diǎn)A上作為后視點(diǎn)定向。當(dāng)定向精度滿足工程需要后，直接將定向結(jié)果應(yīng)用到本次掃描過(guò)程。接下來(lái)分別設(shè)置掃描的分辨率、點(diǎn)間隔和紋理數(shù)據(jù)庫(kù)采集的曝光度，以獲取掃描區(qū)域的影像和標(biāo)靶影像。本次掃描分辨率設(shè)置為5 cm×5 cm，設(shè)置完成后開始測(cè)站掃描，掃描完成后開始標(biāo)靶掃描。標(biāo)靶掃描最好遵循由遠(yuǎn)及近或者由近及遠(yuǎn)的順序，同時(shí)，務(wù)必保證同一標(biāo)靶在不同掃描測(cè)站中編號(hào)一致。掃描完一個(gè)測(cè)站后，可通過(guò)查看功能直接檢查本測(cè)站掃描結(jié)果是否合乎精度要求，若滿足要求，再行搬站。

與此同時(shí)，利用GPS RTK技術(shù)每隔0.5 m進(jìn)行研究區(qū)域有限點(diǎn)坐標(biāo)的采集，數(shù)據(jù)采集完畢，將獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS9.0，在構(gòu)建TIN模型的基礎(chǔ)上，繪制測(cè)區(qū)等高線圖，并基于等高線進(jìn)行土石方量的計(jì)算。

3.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

由于外業(yè)測(cè)量過(guò)程中外界因素的干擾，使得實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)產(chǎn)生噪聲，噪聲數(shù)據(jù)的存在會(huì)降低模型的計(jì)算精度，因此必須剔除。常見(jiàn)的剔除手段包括計(jì)算機(jī)設(shè)置閾值自動(dòng)剔除和人工手動(dòng)刪除2種。本項(xiàng)目采用人工手動(dòng)刪除的方式，能夠很容易達(dá)到剔除噪聲的目的，從而保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

基于此，利用已知控制點(diǎn)與標(biāo)靶坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行基于已知控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，并檢查拼接精度是否滿足內(nèi)業(yè)處理精度要求。再經(jīng)數(shù)據(jù)凍結(jié)等操作，并導(dǎo)出文本格式。

3.6 土石方量的計(jì)算結(jié)果

1）計(jì)算模型。本文利用TIN進(jìn)行土石方量計(jì)算。TIN計(jì)算原理是通過(guò)建立三角網(wǎng)計(jì)算每一個(gè)三棱錐柱的填挖方量，然后把每個(gè)三棱錐的方量累加，從而獲得研究區(qū)域內(nèi)的填方量和挖方量。根據(jù)三角形各角點(diǎn)填挖高度的不同，可將每個(gè)參與計(jì)算的三角形分為全填全挖及有填有挖2種[2]。

2）土石方計(jì)算結(jié)果。將經(jīng)過(guò)拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，導(dǎo)出為文本格式，在ArcGIS中的ARC環(huán)境下生成TIN模型，結(jié)果見(jiàn)圖2。在ArcScene環(huán)境下打開構(gòu)建的TIN模型，利用3D Analyst模塊中的Surface Analyst下的Area and Volume Statistics 功能，以參考高程390.685 m為基準(zhǔn)，分別計(jì)算該參考面上的填方量和挖方量，結(jié)果見(jiàn)圖3，計(jì)算土方量總面積3 351.85 m2；地表土挖方方量10 010.85 m3；地表土填方方量47.95 m3。

圖2 基于點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建的TIN模型

3.7 結(jié)果與分析

本項(xiàng)目外業(yè)實(shí)測(cè)中點(diǎn)采樣間隔為5 cm，抽稀后為20 cm，利用TIN擬合地表三維模型，可認(rèn)為該模型能夠完全反映真實(shí)的地表起伏狀態(tài)，因此，基于該三維模型計(jì)算的地表土方量可認(rèn)為誤差小至忽略不計(jì)。同時(shí)，為了比較常規(guī)GPS采用動(dòng)態(tài)RTK模式測(cè)量土方量的精度，外業(yè)采用RTK方法獲取測(cè)繪區(qū)域地貌特征點(diǎn)，累計(jì)獲取1 380個(gè)碎部點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用CASS9.0軟件中土方計(jì)算功能，在進(jìn)行異常點(diǎn)剔除、計(jì)算邊界界定及基準(zhǔn)標(biāo)高確定（h=390.685）等工作后，同樣采用0.2 m間隔基于方格網(wǎng)法計(jì)算土石方量，計(jì)算結(jié)果為：計(jì)算土方量總面積3 351.85 m2；地表土挖方方量9 980.3 m3；地表土填方方量46.16 m3。

對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，挖方量相差30.55 m3，占總挖方量的0.3%，填方量相差1.79 m3，占總填方量的3.7%。原因在于原始地貌形態(tài)破碎度大，三維激光掃描儀能夠完整地記錄這種地貌的破碎形態(tài)，而傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)繪的方法無(wú)法完整地記錄地貌的起伏狀況，且只能通過(guò)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)及特征點(diǎn)加密的方法盡可能詳盡地表達(dá)地貌的原始形態(tài)。因此，傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)繪無(wú)法完整地表達(dá)地貌的原始形態(tài)，其計(jì)算結(jié)果只能根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)的多少無(wú)限地接近真實(shí)值。然而三維激光掃描技術(shù)克服了這一技術(shù)缺陷，能達(dá)到近乎零誤差的地步。

圖3 計(jì)算結(jié)果

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P237.9

B

1672-4623（2015）04-0049-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.018

馮曉剛，講師，主要從事全息化古遺址保護(hù)與環(huán)境遙感方面的研究。

2014-05-19。

項(xiàng)目來(lái)源：陜西省自然科學(xué)基金青年人才基金資助項(xiàng)目（2013JQ5011）；陜西省教育廳專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（11KJ0756）；西安建筑科技大學(xué)人才基金資助項(xiàng)目（RC1214）。