三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用

馮 騰 吳長悅

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用

馮 騰 吳長悅

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

簡單的介紹了土方測量的內(nèi)外業(yè)測量方法，分析了三維掃描技術(shù)在土方測量中的特點及優(yōu)點，并以實例說明了三維掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用技術(shù)，探索了測量的方法和數(shù)據(jù)處理的方法，以促進(jìn)三維激光掃描技術(shù)的推廣。

三維掃描，土方，測量

1 土方外業(yè)測量方法

工程上常用的土方測量方法有水準(zhǔn)儀測量法、全站儀測量法和GPS測量法。使用水準(zhǔn)儀測量時得事先在測區(qū)布設(shè)方格網(wǎng)，然后用水準(zhǔn)儀測量出方格網(wǎng)每個角點的高程，該方法適用性單一，一旦測區(qū)不適合布設(shè)方格網(wǎng)時，該方法就不太適用了，該方法的測量精度受方格網(wǎng)的密度的影響，方格網(wǎng)越密，測量的精度就越高，相比較后兩種土方測量而言，其測量精度低，測量費(fèi)時費(fèi)力。全站儀測量法具有操作簡單，儀器要求低等優(yōu)點，適合測量面積較小和通視良好的測區(qū)，但一旦測區(qū)面積大和測區(qū)通視不好時，使用該方法測量時工作非常繁瑣，且工作效率低下。GPS測量法是目前土方測量當(dāng)中應(yīng)用較多的一種方法，這種方法不受距離和通視限制,且測量速度和精度較全站儀測量有所提高，能夠全天候測量，不受時間的限制。但這種方法在測量時是有缺陷的，當(dāng)測區(qū)有一些建筑、樹木、電磁場等影響GPS信號時，這種方法就不太適用了；其次使用該方法進(jìn)行土方測量時得需要在測區(qū)采集相當(dāng)數(shù)量的點的坐標(biāo)，數(shù)據(jù)采集的時間比較長，測量員比較辛苦。

2 土方內(nèi)業(yè)計算方法

土方內(nèi)業(yè)的計算其實就是計算地形表面與其指定的起算面之間所圍成部分的體積，計算方法因地形、工程、精度的不同而有多種，目前常用的方法有方格網(wǎng)法、斷面法和DTM法。每種方法的測量過程和計算原理都不相同，適用的場合和精度也不盡相同。

方格網(wǎng)法是根據(jù)測區(qū)場地的情況將測區(qū)劃分為若干方格形成的方格網(wǎng)，每個方格的邊長一般為10 m～50 m，然后再用儀器測量出每個方格角點的高程，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)高程可以計算出施工填挖的平衡位置，然后再分別計算每一個方格的填挖土方量，所有方格的填挖量之和即為整個測區(qū)的土方填挖量。該測量方法適合于地勢比較平坦的地區(qū)，方格網(wǎng)越密集其土方測量越精確，對于地勢起伏較大的地區(qū)，使用該計算方法精度較低。

斷面法是將測區(qū)按照一定的距離劃分為若干相互平行的橫斷面，然后將它與土方設(shè)計高程組成斷面圖，計算每個斷面線所圍成的面積，然后將相鄰兩個斷面面積的平均值乘以它們的間距，得出相鄰兩個斷面的體積，將各相鄰斷面的體積累加起來即為土方的填挖量。當(dāng)相鄰斷面間的地勢起伏較大時，斷面法計算土方量的難度很大且計算精度難以估計。該方法適用于場地比較狹長平坦的地區(qū)。

DTM即為數(shù)字地面模型，是根據(jù)所測得地面點的三維坐標(biāo)來生成由若干個不規(guī)則三角形所組成的三角網(wǎng)，然后計算每個三角形與設(shè)計高程所組成的三棱柱的體積，最后把每個三棱柱的體積累加即為所求的土方填挖量。DTM法是目前土方量計算最常用的方法，其精度與所測得地面點的密度有關(guān)，當(dāng)?shù)孛纥c的密度越高時，其測量精度就越高，能較好的反映測區(qū)的地形地貌特征。

以上的土方計算方法均是使用常規(guī)的測量儀器時所使用的方法，它們都有一個共同特點，那就是使用常規(guī)的測量儀器進(jìn)行土方測量時所測量的點都有一定的間距，其距離從幾米到幾十米不等，而以上的幾種土方的計算方法都是先根據(jù)已有的點的坐標(biāo)來計算出未測的點的坐標(biāo)，這一步相當(dāng)于是給點“加密”，當(dāng)已測點的間距越大，它們之間所需加密的點就越多，因而加密的點的精度就會相應(yīng)的越低，所以要想提高土方測量的精度，就需要縮短所測點的間距。當(dāng)使用全站儀，GPS等儀器進(jìn)行土方測量時，要想縮短所測點的間距就會大大提高外業(yè)工作的強(qiáng)度，而間距縮短到一定程度時也很難再縮短了。而使用三維激光掃描儀進(jìn)行土方測量時測量的點的間距可達(dá)毫米級，其測量出點的密度比常規(guī)儀器測出點的密度大得多，因而其所需加密的點更少，當(dāng)不考慮儀器精度等因素影響時其土方測量的精度高于常規(guī)儀器測量的精度。

3 實例分析

本文選擇野外一個小型的土坡來進(jìn)行土方測量，該土坡上有樹、雜草等一些遮擋物。本次三維掃描采用的是法如X330型掃描儀，該型號掃描儀每秒最多能采集976 000個點，測量點位精度可達(dá)毫米級，該掃描儀體積小、重量輕、攜帶方便，外業(yè)操作簡單、快速，且換站掃描時無需關(guān)閉掃描儀，無需對中整平。

3.1 數(shù)據(jù)的獲取及處理過程

本次測量的地方因為有一些樹木和雜草的遮擋，采用的測量方法如下：1)分站掃描。充分考慮通視的情況，采用分站掃描。首先在地勢最高處進(jìn)行掃描，然后再根據(jù)植被的遮擋情況在植被周圍進(jìn)行設(shè)站掃描，最后再在地勢最低處進(jìn)行掃描，保證掃描數(shù)據(jù)沒有遺漏。2)靶球測量。為了將各個測站的掃描數(shù)據(jù)拼接到一起，必須保證每相鄰兩站之間有至少3個公共靶球，然后再用GPS測量每個靶球的坐標(biāo)。3)掃描參數(shù)設(shè)定。此次7站設(shè)定相同的參數(shù)進(jìn)行測量，掃描質(zhì)量設(shè)定為4x，分辨率設(shè)定為1/3，掃描時打開彩色功能，這是因為進(jìn)行彩色掃描時，拼接時更容易看清靶球。

而掃描點云數(shù)據(jù)的處理過程包括點云的拼接、點云的去噪、點云的修補(bǔ)等，其數(shù)據(jù)處理步驟如下：1)點云的拼接。本次拼接采用的法如掃描儀自帶的scene軟件進(jìn)行拼接，拼接數(shù)據(jù)時根據(jù)用公共靶球的坐標(biāo)來將各站的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下。本次拼接的最大誤差0.005 6 m，最小誤差為0.000 9 m，滿足土方測量的精度要求。2)點云的去噪。點云的去噪主要分為兩步，第一步是在scene軟件里進(jìn)行手動去噪，把一些明顯的噪點(如樹木、雜草、人等)進(jìn)行手動刪除；然后將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到geomagic studio軟件中進(jìn)行后續(xù)的去噪，去除一些非連接項和體外孤點。3)點云的修補(bǔ)。在點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪時或多或少會把一些有用的點云刪除了，這時就需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行修補(bǔ)，首先在geomagic studio對點云進(jìn)行封裝，這一步就是用相鄰的三個點來構(gòu)成一個面，這與CASS軟件構(gòu)建三角網(wǎng)(TIN)的過程有點相似。封裝完之后的數(shù)據(jù)如圖1所示，修補(bǔ)后的數(shù)據(jù)如圖2所示。

3.2 土方量的計算

由于現(xiàn)在市面上還沒有專門針對點云數(shù)據(jù)計算土方量的軟件，故要想計算點云數(shù)據(jù)的土方量就只能找其他軟件來進(jìn)行代替，本次為了計算土方量，采用geomagic studio來進(jìn)行計算，具體步驟是以高程1.467 m來建立一個基準(zhǔn)平面，平面上的土方量即為挖方量，平面下的土方量即為填方量。

3.3 計算結(jié)果的分析

為了驗證三維掃描儀測量土方的效果，在三維掃描儀測量之后再使用GPS的方法對土坡又進(jìn)行了一次土方測量，測量完之后，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行土方量計算之前還得將GPS測得數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即根據(jù)靶球在兩種坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，將GPS所測得數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到掃描儀的坐標(biāo)系統(tǒng)當(dāng)中，轉(zhuǎn)換完之后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS軟件中，然后建立三角網(wǎng)(如圖3所示)，再在CASS軟件中按照以1.467 m為基準(zhǔn)面計算土方量。兩種方法測量的結(jié)果如表1所示。

表1 土方量計算結(jié)果統(tǒng)計表

從表1可以看出兩種方法在作業(yè)人數(shù)和作業(yè)時間上存在著很大的差異，三維掃描的方法更節(jié)省人員和時間，而兩種方法計算的土方量也存在著差異，具體為挖方量的偏差為8.96%，填方量的偏差為8.77%，兩種偏差值相近，說明兩次測量的效果理想，兩種偏差值符合一般土方工程10%誤差以下的規(guī)范要求。GPS測量了84個點，而三維掃描儀測量2 521 014個點，測量的點數(shù)存在著巨大的差異，這就導(dǎo)致了最后形成的地面模型存在著差異。由于GPS測量的點少，其形成的DTM并不能真實的代表實地的地面模型，有些凸起和凹陷的地面可能沒有完整地測出來；而三維掃描儀測量的點間距可達(dá)毫米級，其最后形成的地面模型能比較完整地反映真實的地面的起伏形態(tài)，所以使用三維掃描儀來進(jìn)行土方測量是一種可行的方法。

4 結(jié)語

本文簡單的介紹了土方內(nèi)業(yè)計算的一些方法，并嘗試采用三維掃描儀進(jìn)行土方測量和使用geomagic studio計算土方量，并取得了不錯的結(jié)果，這可以為以后相應(yīng)的工程提供參考。雖然三維掃描的方法測量土方具有精度高，速度快，外業(yè)勞動強(qiáng)度小等優(yōu)點，但是由于現(xiàn)在市面上三維掃描儀基本都是外國產(chǎn)的，國產(chǎn)的三維儀較少，導(dǎo)致三維掃描儀的價格十分昂貴，使之在一般土方工程當(dāng)中應(yīng)用較少。不過隨著國內(nèi)對三維掃描技術(shù)的研究的重視，國產(chǎn)的三維掃描儀將逐步增多，三維掃描儀的價格也會逐步降低，我相信未來三維掃描儀在土方測量中的應(yīng)用會越來越普遍。

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On application of three-dimension laser scanning technique in earthwork measurement

Feng Teng Wu Changyue

(MiningEngineeringCollege,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan063000,China)

The paper introduces the indoor and field measurement method of earthwork measures, analyzes the features and advantages of the three-dimension scanning technique in the measure, indicate the application of the technique in the earthwork measure, and explores the measure methods and data treatment, so as to enhance the development of the three-dimension laser scanning technique.

three-dimension scanning, earthwork, measure

2015-05-25

馮 騰(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)22-0203-02

TU198

A