地面三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用

劉小陽 高彥笑

摘 要：文章運用三維激光掃描對某工地大型土堆進行了掃描測量，并對點云數(shù)據(jù)進行拼接、切割、除燥等處理，建立目標區(qū)域地面數(shù)字模型。利用Riscan Pro和CASS軟件進行了土方量的計算。結(jié)果表明：地面三維激光掃描技術(shù)是一種非常有效的土方測量新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；土方測量；點云；CASS

中圖分類號：TU751 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）14-0163-02

Abstract： In this paper， the 3D laser scanning is used to scan and measure the large earth pile in a site， and the point cloud data are spliced， cut， and dryness removed， and the DTM （Digital Terrain Model） the target area is established. The earthwork is calculated by using Riscan Pro and CASS softwares. The results show that the 3D laser scanning technique is a very effective new technique for earthwork measurement.

Keywords： 3D laser scanning； earthwork measurement； point cloud； CASS

1 概述

對大面積堆積物的土方測量是工程建設(shè)中的一項常見工作。傳統(tǒng)的測量方法主要是利用全站儀或GPS測量堆積物表面的離散點的坐標，建立表面數(shù)字模型，計算土方量[1-3]。該方法因堆積物形狀復雜，測量點離散不均，局部點無法測量等因素，極大的影響了土方測量的效率和精度。有些堆積物因自身松散等原因造成其表面無法立桿測量，使得傳統(tǒng)測量方法難以進行。三維激光掃描作為一種非接觸、全方位、高精度、全自動的測量技術(shù)已廣泛的應(yīng)用到各測量領(lǐng)域，探討利用三維激光掃描技術(shù)進行土方測量具有非常重要的現(xiàn)實意義[4-5]。

2 地面三維激光掃描儀的技術(shù)

目前地面三維激光掃描主要是基于時間測距系統(tǒng)通過測量儀器到物體反射面之間的距離及方位來確定物體的空間位置。根據(jù)其工作原理分為脈沖式和相位式。脈沖式三維激光掃描儀通過激光二極管在脈沖發(fā)射器的觸發(fā)下，周期性地對外發(fā)射激光脈沖，然后由探測器接收激光反射信號，并通過精密時鐘獲取發(fā)射和接收信號間的時間差，根據(jù)式（1）可獲得掃描儀與被測物體之間的距離：

式中：D表示測量距離；c0表示真空中的光速；△t表示激光脈沖往返時間差；ng表示光在大氣中的傳輸?shù)恼凵渎?。而相位式三維激光掃描儀則是通過測量相位變化間接計算激光從發(fā)射到接收之間的時間差，根據(jù)（2）式進而求出其測量距離：

式中：D表示測量距離；c0表示真空中的光速；？漬表示激光往返相位差；ng表示光在大氣中的傳輸?shù)恼凵渎?；f表示激光的頻率。三維激光掃描儀在高速精確測量距離的同時，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡，反射棱鏡進行一定范圍內(nèi)垂直方向的掃描，伺服馬達轉(zhuǎn)動儀器在水平360°內(nèi)進行水平掃描，從而測量出掃描的水平和垂直方向角。通過測量到的距離、水平方向角和垂直方向角，就可以根據(jù)（3）式完成目標物體在儀器坐標系下的空間坐標的計算：

（3）

三維激光掃描儀的測量時通常采用儀器坐標系，該坐標系儀激光發(fā)射點為坐標原點，在橫向掃描面內(nèi)建立相互垂直的X軸和Y軸，Z軸與橫向掃描面垂直，構(gòu)成右手坐標系。在掃描過程中，三維掃描儀根據(jù)偏轉(zhuǎn)鏡同步記錄每束激光的橫向掃描角度和縱向掃描角度，由此獲得被測對象表面點的三維坐標（x，y，z）。

3 工程實例

3.1 測區(qū)概況

本次量測目標為某工地需運輸?shù)拇笸炼?，待測區(qū)域面積約為2500m2，高約7m，土堆表面基本無植被。測區(qū)周圍比較廣闊，基本沒有遮擋掃描視線的建筑物、叢林等。

3.2 數(shù)據(jù)采集

本次測量工作采用Rigel VZ-400三維激光掃描儀，同時利用南方S86T進行GPS-RTK輔助測站點定位。Rigel VZ-400三維激光掃描成像系統(tǒng)擁有全波形回波技術(shù)和實時全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)，每秒可發(fā)射30萬個激光點，其最大有效掃描距離為600m；掃描精度2mm；掃描視場范圍為100°×360°（垂直掃描+60°～-40°，水平掃描360°）。本工程掃描范圍小，起伏小，但因形狀凸凹極不規(guī)則，且坑洼較多。為保障掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)合理選擇掃描站點的位置。站點的選擇首先要考慮開闊的視角，增大目標區(qū)域的有效掃描范圍。同時為了保證后續(xù)點云數(shù)據(jù)處理的效率和質(zhì)量，相互站點間要保持一定的掃描公共區(qū)域，每站點掃描完成后，利用GPS-RTK測量出地面站點的三維坐標，以獲取掃描儀中心點的大地坐標，減少點云拼接誤差的累計，保證掃描成果的精度。

3.3 數(shù)據(jù)處理

（1）點云拼接。點云拼接有兩種方式：一種是選定某一測站掃描數(shù)據(jù)作為基準，其他測站數(shù)據(jù)依據(jù)重疊區(qū)域的同名特征點轉(zhuǎn)換到該站同一坐標系下。該方法無需控制，只需要測站間保留一定的掃描重疊區(qū)域，操作簡單方便。但因測站拼接誤差傳遞的影響，精度不高且整體精度不均勻。第二種方式是基于掃描站點的絕對坐標完成。利用GPS（全站儀）測量出各掃描站點的絕對坐標和儀器高，拼接時直接把各站點的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一絕對坐標系下。這種方式可以避免多測站是點云拼接誤差的累計，有效的保障了整體點云數(shù)據(jù)的精度。本工程基于GPS測量的各掃描站點絕對坐標進行拼接，拼接點位誤差最大為0.0153m。（2）點云數(shù)據(jù)的切除及除噪。本工程在采集數(shù)據(jù)的過程中由于場地比較開闊，掃描頻率較大，全方位的掃描不可避免的產(chǎn)生了大量的冗余數(shù)據(jù)。這些冗余數(shù)據(jù)極大的影響了后續(xù)的數(shù)據(jù)處理效率，可對工程區(qū)域外的點云數(shù)據(jù)進行切除。在掃描過程中，由于工作現(xiàn)場環(huán)境復雜，各種震動、風力、施工浮塵、遮擋等外界的干擾及掃描系統(tǒng)本身因素，將會造成掃描數(shù)據(jù)中出現(xiàn)一定的噪聲點。因此拼接完后需對點云數(shù)據(jù)進行除燥處理。利用軟件進行數(shù)據(jù)除噪可采用手動刪除和自動判斷兩種。本工程區(qū)域小，工作量小，采用手動除燥處理。（3）三維點云數(shù)據(jù)DEM構(gòu)建。選擇需要建立基準面的點云數(shù)據(jù)，建立基準平面，依據(jù)目標土堆周圍地表點的高程設(shè)定基準平面的Z值，本次設(shè)置為25m。將基準平面拖入點云視圖中，生成DEM，如圖3所示。

3.4 土方量計算

（1）基于Riscan Pro軟件計算土方量。在Riscan Pro軟件中，利用掃描數(shù)據(jù)構(gòu)建的DEM，設(shè)置好土方計算的基準面，直接計算土方量。

（2）基于CASS軟件計算土方量。利用CASS軟件計算土方量之前，需要處理點云數(shù)據(jù)，使之轉(zhuǎn)換成CAD格式。即在Riscan Pro軟件中將處理好的工程區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)進行抽稀后輸出，并轉(zhuǎn)換成dat格式導入CASS軟件中。在CASS中可以依據(jù)坐標數(shù)據(jù)文件或高程點進行計算土方量。利用封閉的復合曲線圈定要測量的區(qū)域，確定土方計算的基準面高程，即可計算出土方量。

本項目利用Riscan Pro軟件和CASS軟件兩種軟件計算土方量，前者求得土方量為16531.7m3，后者計算結(jié)果為16461.8m3。對比結(jié)果可知，用這兩種方法計算的土方量值基本一致。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合工程實際，探討了基于地面三維激光掃技術(shù)的土方測量方法。研究結(jié)果表明，該技術(shù)不僅能有效的開展土方測量，而且能大大的減少外業(yè)測量的工作量，降低了勞動強度，提高了工作效率，為今后的堆積物土方測量提供了一種高效的解決方案。

參考文獻：

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