地面三維激光掃描技術(shù)在土方測(cè)繪中的應(yīng)用

王鑫森，侯金波，陳瀟（天津市勘察院，天津 300191）

地面三維激光掃描技術(shù)在土方測(cè)繪中的應(yīng)用

王鑫森?，侯金波，陳瀟
（天津市勘察院，天津 300191）

以三維掃描儀采集土方表面數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云軟件拼接、裁剪、去噪、修補(bǔ)、采樣、封裝等處理后得到細(xì)密逼真的地表三角網(wǎng)，輸入土方起算基準(zhǔn)面即可利用軟件的計(jì)算體積功能計(jì)算出土方量。實(shí)際工程表明，以三維掃描技術(shù)測(cè)量土方量，在有效降低外業(yè)強(qiáng)度的同時(shí)，保證了土方計(jì)算的高精度，計(jì)算結(jié)果較常規(guī)測(cè)繪手段有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)精確計(jì)算工程費(fèi)用、消除爭(zhēng)議有重要意義。

三維激光掃描；點(diǎn)云；TIN；土方計(jì)算

1 引 言

城市建設(shè)和發(fā)展帶動(dòng)著各種工程建設(shè)項(xiàng)目不斷進(jìn)行，而項(xiàng)目建設(shè)大多會(huì)牽涉到土方工程。工程施工前必須對(duì)土石方量進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，它直接關(guān)系到工程的費(fèi)用概算及方案選優(yōu)?，F(xiàn)實(shí)工程項(xiàng)目中，因土方量計(jì)算精確性而產(chǎn)生的糾紛也是經(jīng)常遇到的，所以在計(jì)算土方時(shí)一定要實(shí)事求是、精益求精［1］。只有土方量測(cè)量準(zhǔn)確，才能進(jìn)行合理的土方調(diào)配，降低工程費(fèi)用，加快工程進(jìn)度，提高工程質(zhì)量［2］。因此選擇合適的測(cè)繪方法，精確測(cè)定土方量十分重要。

地面三維激光掃描技術(shù)（terrestrial laser scanning，TLS）是一種高采樣率、高效率、高精度的3D掃描技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于土木工程、變形監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)、計(jì)量等領(lǐng)域［3～5］。其掃描結(jié)果在計(jì)算機(jī)中直接顯示為點(diǎn)云，可達(dá)到毫米級(jí)的點(diǎn)間距，通過專業(yè)點(diǎn)云處理軟件能夠快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)各異的三維可視化模型，供后期數(shù)據(jù)分析與處理。將TLS技術(shù)應(yīng)用于土方測(cè)繪，結(jié)合目前日漸成熟、功能強(qiáng)大的點(diǎn)云軟件，將會(huì)給土方測(cè)繪的質(zhì)量帶來新的提升。

2 TLS測(cè)量土方的原理

2.1 掃描儀原理

地面三維激光掃描儀一般使用儀器內(nèi)部自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為掃描坐標(biāo)系。它以儀器中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，以通過原點(diǎn)的豎直方向?yàn)閆軸，且向上為正，X軸與Y軸在垂直于Z軸的平面內(nèi)成右手系（如圖1所示）。

掃描儀沿橫軸和縱軸方向快速掃描，根據(jù)激光反射的時(shí)間差或相位差計(jì)算被測(cè)物體的距離觀測(cè)值S，同步測(cè)量橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ，通過如

下公式計(jì)算得到測(cè)量點(diǎn)P的坐標(biāo)（X，Y，Z）坐標(biāo):

圖1　掃描坐標(biāo)系中的測(cè)量點(diǎn)

2.2 土方計(jì)算模型

土方表面形態(tài)復(fù)雜，掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)在空間的位置密集且不規(guī)則，將點(diǎn)云構(gòu)建為不規(guī)則三角網(wǎng)（triangulated irregular network，TIN）模擬地表，可以與地表特征協(xié)調(diào)，TIN越密，細(xì)節(jié)表達(dá)越充分，是目前土方量計(jì)算中最常用的一種方法［6］。計(jì)算模型如圖2所示，ABC代表三角網(wǎng)中的一個(gè)三角面，A′B′C′是其在基準(zhǔn)面上的豎直投影，基準(zhǔn)面以上的體量為挖方，基準(zhǔn)面以下的體量為填方，把每個(gè)三棱柱或楔體的體量累加從而計(jì)算出填、挖方量。

圖2　土方計(jì)算模型示意圖

3 TLS測(cè)量土方的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的全站儀或GPS-RTK采點(diǎn)法，極易產(chǎn)生數(shù)據(jù)點(diǎn)分布不合理、特征點(diǎn)缺失或因采點(diǎn)效率低下而影響工期的問題［7］，而采用三維激光掃描儀，其非接觸式測(cè)量的特性無需作業(yè)人員達(dá)到待測(cè)點(diǎn)位，采集速度快，密度大，儀器架設(shè)簡(jiǎn)便，人員工作強(qiáng)度大大減小，且不受通視限制和信號(hào)影響，具有很強(qiáng)的外業(yè)可操作性。

內(nèi)業(yè)方面，目前專業(yè)的點(diǎn)云處理軟件支持億級(jí)數(shù)量的點(diǎn)云操作［8］，不僅可以最大限度地保留土方表面起伏的細(xì)節(jié)，使計(jì)算結(jié)果具有接近真實(shí)值的精度水平，而且其可視化功能可將掃描的表面進(jìn)行三維展示，增強(qiáng)成果的直觀性和可信度，方便檢核驗(yàn)收。另外點(diǎn)云數(shù)據(jù)能應(yīng)對(duì)工程中隨時(shí)可能發(fā)生的需求改變（如土方邊界變更等）而不需要進(jìn)行第二次外業(yè)采集，降低潛在的人力和時(shí)間成本。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測(cè)站拼接方式及掃描參數(shù)的確定

外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)，各掃描站一般通過標(biāo)靶拼接，站間距較小時(shí)以2組標(biāo)靶球連接（每組至少3個(gè)），站間距較大時(shí)以全站儀測(cè)量1組標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，直接將掃描站統(tǒng)一到全站儀坐標(biāo)系下。掃描標(biāo)靶宜采用帶同心反射片或內(nèi)置同軸棱鏡的球形標(biāo)靶，也可自行打印掃描儀可識(shí)別的平面標(biāo)靶（如圖3所示），使用時(shí)盡量正對(duì)掃描儀，采用平面標(biāo)靶需要全站儀具有免棱鏡測(cè)量功能。

圖3　球形標(biāo)靶和平面標(biāo)靶

由于掃描點(diǎn)云點(diǎn)密度很大，最低分辨率下的點(diǎn)間距（厘米級(jí)）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過土方測(cè)量對(duì)點(diǎn)密度（米級(jí)）的要求，因此掃描參數(shù)的選定原則是:

（1）在保證掃描標(biāo)靶能被掃描儀正確識(shí)別的前提下，盡量降低掃描分辨率；

（2）采用較低要求的噪聲控制水平（即允許儀器有一定程度的測(cè)量噪聲）；

（3）如無必要應(yīng)禁止掃描儀開啟拍照功能。

這樣能成倍地減少每站的掃描時(shí)間并有效降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度，大大減少外業(yè)時(shí)間并提升內(nèi)業(yè)處理的效率，從而縮短整個(gè)土方掃描測(cè)繪的工期。

4.2 基于Geomagic軟件的TIN構(gòu)建

Geomagic Studio是一款功能全面、性能出色的點(diǎn)云處理和逆向工程軟件，該軟件可高效建立土方表面TIN并計(jì)算土方量，詳細(xì)流程如圖4所示。其中點(diǎn)云預(yù)處理采用掃描儀配套軟件將各站掃描數(shù)據(jù)拼接，裁剪去邊界外的無關(guān)區(qū)域，轉(zhuǎn)換為通用格式（如.xyz、. asc等）后導(dǎo)入Geomagic；曲面封裝即Geomagic將點(diǎn)云自動(dòng)構(gòu)建成TIN的過程。

圖4　Geomagic土方計(jì)算流程

實(shí)際工程中，土方表面的雜草等會(huì)造成點(diǎn)云厚度的產(chǎn)生、真實(shí)地表點(diǎn)缺失等問題，直接導(dǎo)致封裝的TIN產(chǎn)生夾層和碎片式孔洞（如圖5（a）），無法進(jìn)一步處理，更不能用于計(jì)算，必須聯(lián)合使用軟件的“減少噪音”、“填充孔”和“采樣”等功能加以解決（如圖5 （b）），其原理是:剔除點(diǎn)云中的孤立噪點(diǎn)，降低點(diǎn)云厚度，采用曲面擬合插值的方法填補(bǔ)孔洞并優(yōu)化點(diǎn)間距，提高構(gòu)建TIN的成功率和質(zhì)量。

圖5　點(diǎn)云處理前后的封裝效果

由于土方表面形態(tài)復(fù)雜，封裝后的TIN不可避免地還會(huì)存在一些孔洞，針對(duì)點(diǎn)云和TIN孔洞的填補(bǔ)，都應(yīng)遵循曲率優(yōu)先的原則，即填充至孔洞的插值點(diǎn)應(yīng)參考周邊點(diǎn)云或三角面的曲率，避免填補(bǔ)后的點(diǎn)云或三角面有不合理的曲率突變，確保整個(gè)表面趨近于真實(shí)（如圖6所示）。

圖6　依曲率填補(bǔ)孔洞

4.3 基準(zhǔn)面確認(rèn)與方量計(jì)算

采用Geomagic的“計(jì)算體積到平面”功能可輕松實(shí)現(xiàn)土方量計(jì)算，關(guān)鍵在于基準(zhǔn)面的選定，隨著基準(zhǔn)面的調(diào)整，土方量計(jì)算結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示?；鶞?zhǔn)面的設(shè)定可以是一個(gè)給定標(biāo)高值，也可以是現(xiàn)場(chǎng)某位置所在水平面。若計(jì)算兩期數(shù)據(jù)間的土方量，只需將兩期三角網(wǎng)分別與同一基準(zhǔn)面計(jì)算，再用二期方量減去一期方量即可。另外，Geomagic還支持在TIN表面任意選取三點(diǎn)確定一個(gè)斜基準(zhǔn)面，也支持在TIN中任意選取范圍計(jì)算局部土方量。

5 工程實(shí)例

5.1 實(shí)施過程及計(jì)算結(jié)果

本實(shí)例采用美國(guó)FARO Focus 3D三維激光掃描儀完成了某項(xiàng)目的土方測(cè)繪，以其中一橫向200余米、縱向100余米、最高處約 16 m的地塊為例，掃描參數(shù)如表1所示:

掃描參數(shù) 表1

采用掃描儀配套軟件SCENE進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理（如圖7所示），深色點(diǎn)云代表該站開啟了彩色掃描，目的是提高該處土方邊界的辨識(shí)度，保證人工裁剪邊界的準(zhǔn)確性。

圖7　點(diǎn)云預(yù)處理后效果

點(diǎn)云經(jīng)Geomagic處理后封裝為TIN，得到三角面約25萬個(gè)，經(jīng)量測(cè)，三角形邊長(zhǎng)在陡坡處約 0.3 m，平緩處約 1.2 m，細(xì)密程度大大超過常規(guī)水平。輸入項(xiàng)目要求的基準(zhǔn)面并計(jì)算體積到平面（如圖8所示），得到該地塊的總挖方量為1.077×105m3。

圖8　Geomagic土方量計(jì)算界面

5.2 精度對(duì)比

將同一地塊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以不同方式采樣抽稀后用以模擬全站儀或RTK外業(yè)走點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，曲率采樣會(huì)在地表曲率變化大的部分保留更密的點(diǎn)（圖9上），柵格采樣則完全按照點(diǎn)間距抽?。▓D9下），分別經(jīng)Geomagic封裝并計(jì)算相應(yīng)的土方量并與掃描成果值對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表2所示:

由表2數(shù)據(jù)可見，利用全站儀或RTK僅按一定間距采點(diǎn)時(shí)，其土方量計(jì)算值較掃描成果值偏差可達(dá)10%以上；若遵循地表起伏陡緩、合理采點(diǎn)，其土方量計(jì)算值可接近掃描成果值但仍有2%左右的偏差，而真實(shí)情況下，人工采點(diǎn)的分布合理性遠(yuǎn)達(dá)不到曲率采樣算法的水平，因而其成果值較掃描成果仍會(huì)有較大的差距。

圖9　抽稀后的土方表面點(diǎn)云

模擬數(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表2

6 結(jié) 語

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于土方測(cè)繪，借助于掃描儀厘米級(jí)甚至毫米級(jí)的點(diǎn)間距以及點(diǎn)云軟件強(qiáng)大的海量數(shù)據(jù)處理能力和便捷的三角網(wǎng)構(gòu)建及體積計(jì)算功能，使土方計(jì)算的內(nèi)業(yè)更加簡(jiǎn)便高效，有力保障了成果數(shù)據(jù)無與倫比的精確程度。可供三維瀏覽和重復(fù)操作的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在應(yīng)對(duì)需求變更或成果面臨爭(zhēng)議時(shí)，能進(jìn)行二次操作并提供直觀的展示，具有很高的靈活性和可信度。同時(shí)，外業(yè)方面能大大降低現(xiàn)場(chǎng)人員的工作強(qiáng)度，縮短作業(yè)時(shí)間，提高采點(diǎn)質(zhì)量。因此采用三維掃描方法測(cè)量土方對(duì)于土方工程甚至整個(gè)建設(shè)項(xiàng)目，在縮短工期、控制成本、精確計(jì)算工程費(fèi)用等方面具有重要意義，值得推廣應(yīng)用。

［1］張紅亮，胡波，蔡元波.GPS-RTK技術(shù)在土方測(cè)量中的應(yīng)用［J］.城市勘測(cè)，2008（5）：83～85.

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［7］焦猛.兩種土方測(cè)量方法的應(yīng)用與比較［J］.市政技術(shù)，2012，30（4）.

［8］程效軍，賈東峰，程小龍.海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理理論與技術(shù)［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2014.

The Application of Terrestrial Laser Scanning in Earthwork Surveying

Wang Xinsen，Hou Jinbo，Chen Xiao （Tianjin Institute of Geotechnical Investigation Surveying，Tianjin 300191，China）

Collect point data of earth surface with a 3D laser scanner，acquire its TIN which is true to nature by point cloud softwares after procedures of registration，trim，denoising，repair，sampling and encapsulation，import the base level and then the earthwork volume is calculated.It shows in the real project a high precision which is better than those calculated through ordinary methods while the labour intensity is effectively reduced，and has important significance in project cost calculating and dispute elimination.

terrestrial laser scanning；point cloud software；triangulated irregular network；earthwork volume calculating

1672-8262（2016）02-97-04中圖分類號(hào)：P234.4，P258

B

2016—01—18

王鑫森（1988—），男，碩士，助理工程師，主要從事三維激光掃描技術(shù)研究、地下結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)、基坑監(jiān)測(cè)等方面的工作。

天津市海洋局天津市科技興海行動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目（KJXH2014-22）