三維激光掃描技術(shù)在土方測(cè)繪項(xiàng)目中的應(yīng)用

鄭 磊 紀(jì)志剛 易 恒 樊東昊

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

作為眾多工程項(xiàng)目重要組成部分的土方工程，不僅關(guān)系到工程項(xiàng)目進(jìn)度的合理安排，施工組織的優(yōu)化設(shè)計(jì)，更關(guān)系到施工成本的有效控制，因此，如何精確高效地獲取土方數(shù)據(jù)一直以來(lái)就是廣大科研技術(shù)人員研究的熱點(diǎn)之一。當(dāng)前，工程上常用的土方測(cè)量方法有水準(zhǔn)儀測(cè)量法、全站儀測(cè)量法和GPS-RTK/VRS測(cè)量法等。其中，水準(zhǔn)儀測(cè)量法受限因素較多，采集點(diǎn)位效率低下，不適宜大范圍、起伏較大場(chǎng)地的作業(yè)；全站儀測(cè)量法雖然較水準(zhǔn)儀測(cè)量法在多個(gè)方面均有了明顯的提高，但是該方法對(duì)通視條件要求高，同時(shí)也存在采集點(diǎn)位效率低下的不足，難以實(shí)現(xiàn)土方的精細(xì)化測(cè)量；GPS-RTK/VRS測(cè)量法雖然較全站儀測(cè)量法免去了通視條件的要求，但卻容易受到樹(shù)木、建筑等信號(hào)遮擋的影響，同時(shí)也存在采集點(diǎn)位效率低下的不足。土方表面點(diǎn)位數(shù)據(jù)采集效率的低下以及由此可能造成的點(diǎn)位數(shù)量的不足不僅影響了土方工程的進(jìn)度，更影響了土方模型的精細(xì)程度，進(jìn)而影響到土方數(shù)據(jù)的精確程度。隨著三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，一種采集速度快、點(diǎn)位密度大、精度高、非接觸和測(cè)量范圍廣的土方測(cè)繪方法便成為了可能。

1 土方掃描測(cè)繪技術(shù)

三維激光土方掃描測(cè)繪技術(shù)作業(yè)流程主要步驟如下。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘，制定掃描作業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)

掃描作業(yè)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地物實(shí)際特點(diǎn)，結(jié)合掃描作業(yè)的技術(shù)特點(diǎn)，合理選擇掃描站點(diǎn)以及掃描測(cè)站數(shù)量。一般而言，掃描測(cè)站點(diǎn)位應(yīng)優(yōu)先選擇在位置較高的穩(wěn)固區(qū)域，以盡可能提高掃描覆蓋范圍，并減少掃描測(cè)站數(shù)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；其次，目標(biāo)區(qū)域宜由3站及以上掃描測(cè)站的點(diǎn)云疊加而成，且不同測(cè)站點(diǎn)云之間應(yīng)有足夠的重疊部分，掃描測(cè)站幾何構(gòu)圖形狀也應(yīng)盡可能優(yōu)化，以利于減少目標(biāo)區(qū)域的掃描死角，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理成果在X，Y，Z三個(gè)維度的精度。

1.2 掃描測(cè)站點(diǎn)測(cè)量

掃描測(cè)站點(diǎn)就是三維激光架設(shè)的站點(diǎn)。掃描測(cè)站點(diǎn)測(cè)量主要是利用CORS技術(shù)、GPS-RTK或者全站儀人工采集得到，以得到高精度的三維坐標(biāo)。掃描測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)主要是用來(lái)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和定向提供依據(jù)，以得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的絕對(duì)坐標(biāo)。

1.3 檢核點(diǎn)測(cè)量

檢核點(diǎn)可以采用靶標(biāo)、靶球或者掃描區(qū)域內(nèi)的特征明顯的地物等形式。檢核點(diǎn)選用靶標(biāo)、靶球形式時(shí)，需要在掃描作業(yè)前將靶標(biāo)、靶球布設(shè)到目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，先對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行整體掃描，然后再對(duì)靶標(biāo)、靶球進(jìn)行精細(xì)掃描，以確保靶標(biāo)、靶球有足夠的點(diǎn)云密度，進(jìn)而通過(guò)擬合計(jì)算等方法得到靶標(biāo)、靶球的精確坐標(biāo)。檢核點(diǎn)選用特征地物形式時(shí)，則需要先對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行整體掃描，然后通過(guò)預(yù)覽掃描后的點(diǎn)云信息，進(jìn)而選定目標(biāo)區(qū)域內(nèi)適合作為檢核點(diǎn)的特征地物(一般選擇道路交叉口、臺(tái)階等，主要用來(lái)檢查高程精度)。檢核點(diǎn)測(cè)量主要是利用CORS技術(shù)、GPS-RTK或者全站儀人工采集得到，以得到高精度的三維坐標(biāo)，并用來(lái)檢核點(diǎn)云最終拼接以及平差成果的外符合精度。

1.4 點(diǎn)云外業(yè)數(shù)據(jù)掃描

根據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)書(shū)以及三維激光掃描儀操作手冊(cè)，將掃描儀逐次架設(shè)在相應(yīng)的測(cè)站點(diǎn)位上，接通電源，設(shè)置好各種參數(shù)后，即可對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行三維掃描。如果檢核點(diǎn)選用靶標(biāo)、靶球形式時(shí)，還需在整體掃描之后對(duì)檢核點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)掃描。

1.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理

將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從掃描儀中下載后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)軟件中，然后根據(jù)輸入測(cè)站坐標(biāo)→點(diǎn)云配準(zhǔn)→去噪→平差(一般需要迭代處理)→濾波。濾波完成后即可進(jìn)行質(zhì)量檢查與精度分析→抽吸→導(dǎo)出數(shù)據(jù)等步驟，得到土方計(jì)算所需的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度評(píng)定

三維激光掃描作業(yè)技術(shù)成果精度檢查分為內(nèi)符合精度檢查與外符合精度檢查。其中，內(nèi)符合精度檢查主要是檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接質(zhì)量，主要方法是對(duì)拼接后的點(diǎn)云進(jìn)行切片，查看不同測(cè)站點(diǎn)云之間是否存在分層以及分層的絕對(duì)間距。外符合精度檢查主要是通過(guò)CORS技術(shù)、GPS-RTK技術(shù)或者全站儀現(xiàn)場(chǎng)人工采集測(cè)區(qū)內(nèi)的特征地物的特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后將人工采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，檢查檢核點(diǎn)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的誤差大小，作為點(diǎn)云數(shù)據(jù)的外符合精度。如若內(nèi)、外符合精度超過(guò)限差，則均需要查明原因，并重新對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、平差處理，直至內(nèi)、外符合精度均滿足要求。

1.7 土方計(jì)算

當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)符合精度、外符合精度通過(guò)質(zhì)量檢查之后，則可以根據(jù)土方精度的要求，確定格網(wǎng)大小，提取目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用RiScan PRO配套軟件或者CASS軟件進(jìn)行土方計(jì)算。

2 工程案例應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程位于天津市濱海新區(qū)，緊鄰海河，是一處渣土臨時(shí)存放點(diǎn)，南北長(zhǎng)約1.5 km，東西寬約600 m。場(chǎng)地內(nèi)部土堆數(shù)量多、起伏落差大、通視條件較差。堆土高度最高約15 m。緊鄰本工程現(xiàn)場(chǎng)西北方位有多棟高層建筑正在施工但已封頂，樓頂高度預(yù)估在百米以上，可以俯瞰整個(gè)土方測(cè)繪現(xiàn)場(chǎng)，且有施工電梯可以直達(dá)高層建筑樓頂。緊鄰本工程?hào)|南方位有一棟7層到頂?shù)暮＞ш?duì)樓房，高約20 m。本工程土方測(cè)繪要求：根據(jù)甲方指定的范圍線，3 d之內(nèi)完成土方測(cè)繪任務(wù)并提交成果報(bào)告，見(jiàn)圖1。

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

1)制定測(cè)站布設(shè)方案。

由于緊鄰本工程西北方位存有高度超百米的高層建筑A，緊鄰工程?hào)|南方位存在7層建筑B，且均可到達(dá)樓頂布設(shè)測(cè)站，因此，為了充分發(fā)揮三維激光掃描儀的掃描優(yōu)勢(shì)，特制定測(cè)站布設(shè)方案如下：在A高層樓頂布設(shè)C1,C2掃描測(cè)站，在B建筑樓頂布設(shè)C3,C4掃描測(cè)站，共計(jì)4站(如圖2所示)。此方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)向掃描、從高處往低處掃描，利用較少的測(cè)站實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)地掃描的全覆蓋，降低了作業(yè)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率。

2)點(diǎn)云外業(yè)數(shù)據(jù)采集。

本工程外業(yè)數(shù)據(jù)采集使用的是Riegl VZ1000三維激光掃描儀，測(cè)站點(diǎn)及檢核點(diǎn)三維坐標(biāo)基于天津CORS系統(tǒng)進(jìn)行人工數(shù)據(jù)采集。其中，Riegl VZ1000三維激光掃描儀掃描最大距離可達(dá) 1 400 m，重復(fù)掃描精度可達(dá)±5 mm，掃描速度可達(dá)300 000點(diǎn)/s，每測(cè)站掃描用時(shí)約10 min；測(cè)站點(diǎn)及檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)精度為±1 cm，高程精度為±2 cm。本工程外業(yè)數(shù)據(jù)掃描共計(jì)投入3人，見(jiàn)圖3。

3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)內(nèi)業(yè)處理。

本工程點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理采用RiScan PRO配套軟件，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接及處理后的部分效果圖如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6可以看出，本次土方掃描現(xiàn)場(chǎng)存在縱橫交錯(cuò)的車(chē)道，這些車(chē)道又將其分割為多個(gè)高低不等的土堆(經(jīng)統(tǒng)計(jì)本工程現(xiàn)場(chǎng)最大高程約為16.82 m，最低高程約為0.76 m)，且本工程土方地形分布極不規(guī)則，人工測(cè)試難度極大；而本次土方測(cè)繪采用了高處架設(shè)三維激光掃描儀進(jìn)行俯視掃描的技術(shù)方案，從點(diǎn)云數(shù)據(jù)上看，本次掃描以較少的人員、較少的測(cè)站，實(shí)現(xiàn)了對(duì)待測(cè)區(qū)域的快速、全覆蓋、精細(xì)掃描，充分體現(xiàn)了三維激光在高精度地形建模以及土方測(cè)繪工程中的極大優(yōu)勢(shì)。

4)質(zhì)量檢查與精度分析。

點(diǎn)云切片宜在俯視圖下矩形框選點(diǎn)云，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)工具，側(cè)視或平視，以查看不同測(cè)站點(diǎn)云之間是否存在明顯分層，并量取點(diǎn)云分層之間的最短距離。

從圖7可以看出，點(diǎn)云拼接效果較好，不存在明顯分層，內(nèi)符合精度良好。本工程利用GPS設(shè)備采用CORS技術(shù)共計(jì)采集特征點(diǎn)位45處，將檢核點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入點(diǎn)云后如圖8所示，通過(guò)中誤差統(tǒng)計(jì)，本工程高程精度為±4.1 cm，滿足土方測(cè)繪的精度要求。中誤差計(jì)算公式如下：

其中，σ為高程中誤差；hCORS為基于CORS技術(shù)得到的特征點(diǎn)高程值；hRS為基于三維激光點(diǎn)云成果得到的特征點(diǎn)高程值。

5)土方計(jì)算及效果分析。

鑒于不規(guī)則三角形法(TIN)在表征地形特征方面能力比較強(qiáng)，在計(jì)算土方時(shí)直接利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，不改變?cè)紨?shù)據(jù)和精度，還能夠插入地性線以保存原有關(guān)鍵的地形特征,計(jì)算得到的土方數(shù)據(jù)精度較高，本文采用不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)法作為本工程的土方計(jì)算方法。其中，計(jì)算軟件采用的是CASS9.0，點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取格網(wǎng)間距設(shè)置為5 m，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，適當(dāng)增加特征點(diǎn)以及地性線，土方計(jì)算參考面為上一期測(cè)量成果。上一期土方測(cè)量采用的是“GPS+全站儀”模式，其中GPS利用CORS技術(shù)進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)平高坐標(biāo)采集以及碎步點(diǎn)平高坐標(biāo)采集，全站儀用來(lái)采集碎步點(diǎn)，點(diǎn)采集間距控制在5 m以內(nèi)。

由于本工程利用5 m格網(wǎng)提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)較多，點(diǎn)云提取結(jié)果的整體縮微圖以及由此生成的三角網(wǎng)整體縮微圖展示效果較差，因此，本文在此給出局部不規(guī)則三角網(wǎng)示意圖(如圖9所示)以說(shuō)明三維掃描測(cè)繪技術(shù)在土方測(cè)繪項(xiàng)目的應(yīng)用情況。由圖9可以看出，本次土方高程點(diǎn)數(shù)據(jù)量較為密集且分布均勻，而且構(gòu)網(wǎng)三角形幾何形狀也比較好，大小也比較均勻，從而為構(gòu)建高精度的地面模型以及高精度的土方計(jì)算結(jié)果提供了堅(jiān)實(shí)的保證，也進(jìn)一步說(shuō)明了三維激光掃描技術(shù)在土方測(cè)繪項(xiàng)目中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

為了進(jìn)一步說(shuō)明三維激光掃描技術(shù)在土方測(cè)繪項(xiàng)目中的優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)全站儀+GPS、三維掃描兩種模式的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表1所示。由表1數(shù)據(jù)可以看出，三維掃描模式的構(gòu)網(wǎng)三角網(wǎng)個(gè)數(shù)是全站儀+GPS模式的1.5倍以上，地面模型的表征能力得到大幅提高；從投入人員數(shù)量上看，三維掃描模式所需人員則為傳統(tǒng)方法的37.5%，節(jié)省人力成本60%以上；從作業(yè)耗時(shí)上看，全站儀+GPS模式需要耗時(shí)4 d，是三維掃描模式的4倍。

表1 土方計(jì)算成果量化數(shù)據(jù)對(duì)比表

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某渣土場(chǎng)土方測(cè)繪項(xiàng)目面臨的土堆數(shù)量多、落差大、通視條件差等難題，給出了一種利用三維激光掃描儀進(jìn)行掃描測(cè)繪的方法。工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，該方法人員需求少，作業(yè)效率高，點(diǎn)位密集且分布均勻，地面模型三角網(wǎng)個(gè)數(shù)較全站儀測(cè)繪方法有了顯著提高，實(shí)現(xiàn)了土方測(cè)繪的精細(xì)表征與計(jì)算，使得土方計(jì)算結(jié)果的精度得到了有效保證與顯著提高，對(duì)工程成本控制，優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)也將起到積極的促進(jìn)作用。需要說(shuō)明的是，如需得到更高精度的土方計(jì)算結(jié)果，則點(diǎn)云提取的格網(wǎng)間距需要降低到1 m，甚至0.5 m；不過(guò)此時(shí)用于土方計(jì)算的數(shù)據(jù)量就會(huì)比較大，則需要考慮利用ARCGIS來(lái)完成計(jì)算。