三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的應(yīng)用

丁佩，繆建軍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京工程分院，江蘇 南京 211135)

1 引 言

土石方測量是工程施工階段一項(xiàng)重要的工作，其主要內(nèi)容是計(jì)算開挖(或填充)前后的填方量(或挖方量)，實(shí)際上是計(jì)算土方的體積。傳統(tǒng)作業(yè)模式為利用全站儀或者RTK進(jìn)行外業(yè)高程點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，內(nèi)業(yè)通過DEM法、方格網(wǎng)法、斷面法等計(jì)算方法進(jìn)行土方計(jì)算。傳統(tǒng)土方測量主要存在兩個不足：一是外業(yè)數(shù)據(jù)采集，外業(yè)數(shù)據(jù)采集的密度對計(jì)算準(zhǔn)確度有直接影響，高程點(diǎn)分布均勻，間隔小，其土方計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確度高，但是作業(yè)效率低；二是計(jì)算方法選擇，不同計(jì)算方法對土方計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性也有影響，一般來說，場地起伏小適合DEM法，場地起伏大但是有規(guī)律適合等高線法，對于溝渠往往選擇斷面法[1]。但是對于大型工程來說，施工場地大，地形復(fù)雜，如果采用傳統(tǒng)方法，則外業(yè)數(shù)據(jù)采集量大，工作效率低，而且很難選擇合適的計(jì)算方法，精度很難保證。三維激光掃描技術(shù)是新興的測量技術(shù)，近年來廣泛應(yīng)用于測量領(lǐng)域，具有測距長、速度快、非接觸、精度高等的優(yōu)勢[2]。

三維激光掃描技術(shù)又稱作高清晰測量(High Definition Surveying，簡稱HDS)，它利用激光測距原理，快速、海量獲取被測物體表面三維坐標(biāo)、紋理、色彩等信息，通過專業(yè)軟件構(gòu)建被測物體的三維模型及線、面、體等數(shù)據(jù)[3]。在獲取數(shù)據(jù)方面，與RTK和全站儀相比，三維掃描技術(shù)有著效率高、精度高的優(yōu)勢。利用三維激光掃描儀對大范圍地形或者土方進(jìn)行掃描，可以快速獲取大量表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而可以精確地表示被測物體的表面起伏狀態(tài)，從而提高土方測量精度。

2 三維激光掃描儀技術(shù)概述

2.1 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀主要利用激光測距原理。激光測距(Laser Distance Measuring)是以激光器作為光源進(jìn)行測距，激光測距儀在工作時向目標(biāo)射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，計(jì)時器測定激光束從發(fā)射到接收的時間，計(jì)算出從觀測者到目標(biāo)的距離[4]。如果光以速度c在空氣中傳播在A、B兩點(diǎn)間往返一次所需時間為t，則A、B兩點(diǎn)間距離D可用下列表示。

式中：D為測站點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間距離；c為速度；t為光往返A(chǔ)、B一次所需的時間。

三維激光掃描儀是利用激光器系統(tǒng)發(fā)射密集的激光脈沖到目標(biāo)位置，系統(tǒng)記錄由目標(biāo)點(diǎn)反射回來的脈沖信號和激光信號的往返時間，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和計(jì)算，計(jì)算得到目標(biāo)的表面三維坐標(biāo)[5]。被測物體的坐標(biāo)為以激光掃描儀為中心的相對坐標(biāo)，可以通過后期定向轉(zhuǎn)化為絕對坐標(biāo)。除記錄被測物體坐標(biāo)值(X、Y、Z)外，還可通過相機(jī)獲取影像，記錄物體表面色彩值(R、G、B)，當(dāng)需要對被測物體進(jìn)行建模時，可以利用照片賦予色彩。掃描儀測量時以激光束為單元從左到右、從上到下進(jìn)行全自動掃描測量，得到完整的、全面的、連續(xù)的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)[6]。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y掃描面與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，獲得P的坐標(biāo)(如圖1所示)。

圖1 P點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式

Xp=Scosβcosα

Yp=Scosβcosα

Zp=Scosα

式中，Xp為被測物體的橫坐標(biāo)，Yp為被測物體的縱坐標(biāo)，Zp為被測物體的高程，α為P點(diǎn)在XY面的投影與X軸夾角，β為P點(diǎn)與XY面的垂直角。

2.2 三維激光掃描工作流程

利用三維激光掃描儀進(jìn)行土方測算主要分為外業(yè)測量、點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析三個步驟[7]。外業(yè)測量包括控制測量、三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描等；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、點(diǎn)云拼接、建模等；數(shù)據(jù)分析包括高程點(diǎn)檢核、土方量計(jì)算、數(shù)據(jù)成果輸出等。具體工作流程如圖2所示。

圖2 三維激光掃描儀工程流程

(1)外業(yè)測量。外業(yè)測量主要包括控制測量和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取。控制測量可以通過RTK獲取掃描站的坐標(biāo)，掃描站可以根據(jù)場地均勻分布，對于復(fù)雜地形要多設(shè)站，考慮掃描站之間的銜接，避免出現(xiàn)掃描死角，盡可能提高掃描覆蓋率。利用激光掃描儀進(jìn)行掃描可以事先輸入測站坐標(biāo)，也可以不輸入坐標(biāo)直接掃描，待后續(xù)數(shù)據(jù)處理時再輸入測站坐標(biāo)進(jìn)行定向。

(2)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集完畢后輸入到專業(yè)處理軟件中，由于存在植被對激光的反射影響，需要進(jìn)行除噪，剔除錯誤數(shù)據(jù)。由于相鄰測站的重復(fù)掃描，會造成某一區(qū)域點(diǎn)位密度較大，數(shù)據(jù)煩冗，影響后期數(shù)據(jù)處理效率，同時需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，保持合理的點(diǎn)位分布密度。點(diǎn)云定向是將測站數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，利用采集的控制點(diǎn)將相對坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為絕對坐標(biāo)系，點(diǎn)云配準(zhǔn)是將相鄰的測站數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，可以通過相鄰測站的公共點(diǎn)進(jìn)行拼接，利用軟件的平差功能進(jìn)行精密平差并評估點(diǎn)云拼接精度。利用軟件建模功能進(jìn)行模型構(gòu)建，根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求選擇參考面進(jìn)行土方體積的計(jì)算。

(3)成果分析。選取施工范圍內(nèi)均勻分布特征點(diǎn)，利用RTK圖根控制點(diǎn)施測要求采集高程點(diǎn)，與掃描儀高程點(diǎn)進(jìn)行對比，分析掃描數(shù)據(jù)精度。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)出為DWG格式，方便后期工程應(yīng)用。

3 工程實(shí)例

3.1 測區(qū)概況

工程項(xiàng)目需要對原有地形進(jìn)行開挖平整，地表分布灌木、雜草、垃圾等覆蓋物，場地范圍約 1.6 km2，作業(yè)區(qū)域測量條件差，如果按傳統(tǒng)方法進(jìn)行RTK采集數(shù)據(jù)，費(fèi)時費(fèi)力。為提高工作效率，決定利用RIEGL三維激光掃描儀進(jìn)行測量。測區(qū)范圍如圖3所示。

圖3 測區(qū)范圍

圖4 測站設(shè)置

本項(xiàng)目利用RIEGL-1000三維激光掃描儀，如圖4所示，利用紅外激光束快速掃描機(jī)進(jìn)行高速掃描，基于全波形數(shù)字化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量。儀器的標(biāo)配點(diǎn)云處理軟件為Riscan Pro軟件，可以對點(diǎn)云進(jìn)行附色、拼接、格式轉(zhuǎn)換、輸出等處理，滿足點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理要求，數(shù)據(jù)拼接方式有直接定向、自主定位等。具體參數(shù)如表1所示。

掃描參數(shù)設(shè)置 表1

3.2 外業(yè)測量

本項(xiàng)目根據(jù)測區(qū)范圍共設(shè)置測站8個，掃描范圍覆蓋全測區(qū)，并對一些特征物進(jìn)行冗余掃描，用于后期數(shù)據(jù)拼接的公共點(diǎn)。掃描站設(shè)置可以采用圓周法，通過排列圓周，覆蓋測區(qū)，并注意測站接邊處不能出現(xiàn)死角，防止漏測數(shù)據(jù)。一般將圓周的半徑設(shè)置為 400 m(儀器的掃描距離為 2 m～420 m)，圓周的中心點(diǎn)即為掃描站。利用該方法設(shè)置掃描站，可以清楚看到各個掃描站的掃描范圍和掃描重疊度，也避免漏測，該方法快捷、直觀。通過提取測站坐標(biāo)進(jìn)行RTK放樣，確定每一個掃描站的位置。

掃描儀掃描之前，儀器的三腳架要盡量整平，如果傾斜過大會影響后續(xù)的數(shù)據(jù)拼接。因已有每個掃描站的中心坐標(biāo)，因此可以在掃描前輸入測站坐標(biāo)。在儀器掃描過程中，要避免儀器操作人員和現(xiàn)場其他工作人員遮擋激光，造成掃描數(shù)據(jù)漏測。因掃描儀每一站掃描數(shù)據(jù)較大，要及時檢查內(nèi)置存儲容量，若儲存空間不足應(yīng)及時插入外接存儲設(shè)備，以保證儀器正常工作。具體掃描站和掃描數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。

圖5 掃描站設(shè)置

圖6 測區(qū)共掃描數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理

(1)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。將RTK測得的測站絕對坐標(biāo)值輸入到對應(yīng)的測站掃描數(shù)據(jù)中，使得各掃描測站獲得絕對坐標(biāo)值，如圖7所示。

圖7 點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(2)點(diǎn)云去噪。三維激光掃描儀測距遠(yuǎn)，測站之間存在冗余測量，根據(jù)施工現(xiàn)場范圍剔除多余數(shù)據(jù)，通過軟件過濾功能去除噪聲點(diǎn)，得到濾波點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

(3)數(shù)據(jù)重采樣。三維激光掃描儀每一站獲取數(shù)據(jù)量很大，如果不進(jìn)行抽稀，會增加后期處理難度，因此需要對所獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。本項(xiàng)目重采樣點(diǎn)云間距為 20 cm，點(diǎn)云間距過大則會降低土方計(jì)算的精度，點(diǎn)云間距過小雖然會提高土方計(jì)算精度，但海量數(shù)據(jù)處理難度大，對計(jì)算機(jī)硬件要求很高。本項(xiàng)目所采用的計(jì)算機(jī)配置良好，但處理高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)效率低，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)掃描站在10站以下時，點(diǎn)云抽稀間距設(shè)置為 20 cm時，可良好得對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算[8]。

(4)數(shù)據(jù)拼接。手工拼接和自動拼接相結(jié)合。手動拼接通過X、Y、Z軸平移和Z軸旋轉(zhuǎn)，自動拼接是利用Riscan Pro軟件自有的平差計(jì)算功能，不斷迭代計(jì)算，直到拼接精度達(dá)到設(shè)定要求，如圖8所示。

圖8 拼接平差計(jì)算

(5)模型構(gòu)建。通過Riscan Pro軟件構(gòu)建曲面DEM，如圖9所示。根據(jù)工程需要設(shè)置參考面，利用參考面和曲面計(jì)算土方體積，如圖10所示。

圖9 土方模型構(gòu)建

圖10 土方量計(jì)算

3.4 成果分析

為檢測成果可靠性，需要選取場地特征物，用GPS-RTK測其高程值與掃描的點(diǎn)云高程值進(jìn)行比較。特征點(diǎn)可以選擇表面平整的方形石塊，首先提取其點(diǎn)云高程值，然后再通過RTK測量獲取其表面高程值，計(jì)算兩者差值，如表2所示。在工程測量中，RTK高程測量誤差為5 cm，初步預(yù)估三維激光掃描儀所獲取高程點(diǎn)精度滿足土方計(jì)算的要求。

特征點(diǎn)的GPS-RTK高程值與點(diǎn)云高程值差值計(jì)算表 表2

根據(jù)項(xiàng)目施工要求，設(shè)計(jì)底面高程 22.5 m，計(jì)算得出總開挖量 374 456 m3，此為自然方，根據(jù)土石方松實(shí)系數(shù)計(jì)算規(guī)范(見表3)，得出需要外運(yùn)土方為 486 792 m3。目前在建設(shè)工程領(lǐng)域?qū)ν练搅康挠?jì)算誤差沒有統(tǒng)一的規(guī)定，但在實(shí)際合同中范圍一般不超過5%，否則會引起施工價的變更，故將土方量計(jì)算誤差控制在5%之內(nèi)，可提高工程量編制預(yù)算的準(zhǔn)確性。該項(xiàng)目土方工程施工從開始到結(jié)束，共外運(yùn)土方 507 700 m3，誤差范圍在4.3%，滿足5%的行業(yè)要求。

本項(xiàng)目場地范圍1.6 km2，利用RTK采集高程點(diǎn)進(jìn)行土方量測算，一般來說外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理需要7天～10天，本項(xiàng)目利用三維激光掃描儀從數(shù)據(jù)采集到最終成果輸出耗時3天，相對于RTK技術(shù)在時間上縮短50%以上。

土石方松實(shí)系數(shù)換算表 表3

4 結(jié) 論

(1)在大型工程項(xiàng)目中，傳統(tǒng)土方測量方法存在外業(yè)數(shù)據(jù)采集量大、計(jì)算結(jié)果精度不高、工程效率低的缺點(diǎn)。本項(xiàng)目將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于土方測量，外業(yè)數(shù)據(jù)獲取方便快捷，計(jì)算結(jié)果精度高，項(xiàng)目完成時效高，特別在地形復(fù)雜的工程項(xiàng)目中，相比傳統(tǒng)測量方法具有顯著優(yōu)勢。

(2)利用三維掃描技術(shù)進(jìn)行土方測量和計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果精度受掃描儀標(biāo)稱掃描精度、點(diǎn)云掃描密度、各個測站點(diǎn)云拼接精度的影響，因此在計(jì)算機(jī)配置滿足數(shù)據(jù)處理容量的前提下，提高點(diǎn)云掃描密度和數(shù)據(jù)拼接的精度，可以提高土方計(jì)算的精度。

(3)三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)量大，對點(diǎn)云處理軟件和計(jì)算機(jī)配置要求高。因此開發(fā)方便、快捷的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件和高速數(shù)據(jù)處理器有助于推動三維激光掃描技術(shù)在工程測量領(lǐng)域的應(yīng)用。