三維激光掃描技術(shù)在測量公園項目中的應(yīng)用

李起

（福州市勘測院有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

在測繪領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的測量技術(shù)以單點測量為主，精確性和時效性不高，無法達到工程測量的要求。三維激光掃描技術(shù)作為測繪領(lǐng)域的一種新興測量技術(shù)，具有實時、主動、高效、精確等優(yōu)勢，同時憑借其掃描功能的優(yōu)勢，可以對測量過程中反射回來的三維點進行高效存儲，從而為提升數(shù)據(jù)采集效率、擴大數(shù)據(jù)采集范圍、提高數(shù)據(jù)精度等提供保障。為實現(xiàn)快速、有效的測量作業(yè)，可以將三維激光掃描技術(shù)引入測量項目，從而提高工程測量的精確度。本文分析了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理，明確其項目適用性，為提高工程施工質(zhì)量與效率奠定基礎(chǔ)。

1 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用原理

三維激光掃描儀主要利用激光測距原理，激光測距將激光器作為光源，在測量過程中，激光測距儀會向測量目標發(fā)射激光，目標在對激光束進行反射后由光電元件接收，通過測定從激光發(fā)射到接收的時間，推測相應(yīng)的目標距離。假設(shè)有A、B兩點，光在空氣中傳播的速度為c，在A、B兩點間往返一次的時間為t，其距離的公式表達如下：

公式（1）中，其中D為A、B兩點間的距離，c為光在空氣中傳播的速度，t為光在A點與B點之間往返一次所需要的時間。三維激光掃描儀借助激光器系統(tǒng)向目標位置發(fā)射激光脈沖，目標點完成對脈沖信號和激光信號的反射，由系統(tǒng)記錄往返時間。作為三維激光掃描技術(shù)的代表，同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）在土方測量中得到廣泛的應(yīng)用，在環(huán)境與地點未知的情況下SLAM可以根據(jù)觀測到的環(huán)境特征定位自身位置和姿態(tài)，并完成空間三維數(shù)據(jù)的獲取。之后，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息繪制增量式地圖，實現(xiàn)地圖構(gòu)建的目的[1]。應(yīng)用同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)的過程中，在不依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的基礎(chǔ)上實現(xiàn)自主定位和導航，同時可以為三角網(wǎng)法、格網(wǎng)法、斷面法等土方測量方法的應(yīng)用提供技術(shù)支撐，有效地提升數(shù)據(jù)獲取效率與精度。

2 工程概況

某公園面積約1 500 m2，整體地形比較平坦且植被覆蓋率較高?，F(xiàn)需要對公園中心區(qū)域進行改造，增加綠植覆蓋面積、完善園內(nèi)場地規(guī)劃。在此過程中，由專業(yè)技術(shù)人員對改造場地的土方量進行精準計算，為后續(xù)施工提供數(shù)據(jù)支撐。當前，園內(nèi)存在GPS信號弱、通視情況受阻的問題，因此在測量計算時需要予以解決。

3 土方測量應(yīng)用

根據(jù)工程項目的實際情況，園內(nèi)場地的情況復(fù)雜，在進行工程測繪的過程中應(yīng)注重提高土方測量計算結(jié)果精度的要求[2]。

（1）相關(guān)人員在工程項目中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時，需要充分保證計算的完整性與準確性。

（2）本次項目中采用SLAM技術(shù)進行計量，該技術(shù)在綠地規(guī)劃等工程中的應(yīng)用具有突出的優(yōu)勢，對科學合理地規(guī)劃園林布局、規(guī)范整體景觀布置等起到了重要的作用。在實際開展施工時，需要根據(jù)公園內(nèi)部的實際情況制訂科學合理的施工方案，同時需要通過提高土方計算的準確度確保施工方案的合理性和科學性。在以往類似工程項目中，比較常用的方法包括土方施工估算、土方圖形幾何公式計算、土方斷面計算及土方高面計算等，但是結(jié)合其實際應(yīng)用成效進行分析發(fā)現(xiàn)，無論采用哪種計算方式，結(jié)果均存在較大偏差。

（3）公園內(nèi)部存在通視條件差、GPS信號弱等問題，嚴重影響外業(yè)測量工作的順利開展。因此，可以引入SLAM技術(shù)，該技術(shù)不受通視、GPS信號條件的限制，采集人員可以在園中方便、輕松地獲取改造區(qū)點云數(shù)據(jù)，并經(jīng)過點云糾正、去噪、分類等環(huán)節(jié)實現(xiàn)精確計算土方量[3]。

（4）考慮到傳統(tǒng)測量方法在外業(yè)數(shù)據(jù)采集上存在較大的誤差，因此本次工程應(yīng)用SLAM100手持激光測距儀進行特防測量，以期獲取更高精度的數(shù)據(jù)，提高工程整體的控制水平。在開展實際工作之前，針對工程場地原有地貌，需要充分利用地形測量結(jié)果保證土方量計算的精準性，并以此為基礎(chǔ)完成對施工人力、機械設(shè)備的合理配置。SLAM技術(shù)是控制現(xiàn)場施工方案順利推進的重要基礎(chǔ)，同時對工程項目造價也有比較關(guān)鍵的影響。

（5）在實際測量環(huán)節(jié)中，測量人員手持SLAM100激光測距儀圍繞場地進行掃描，能在短時間內(nèi)完成場地點云數(shù)據(jù)的獲取，大大地減輕了測繪工作量；該技術(shù)可以有效克服邊坡等地形數(shù)據(jù)獲取困難的問題，根據(jù)場地地形特點合理選擇土方計算方法，為后續(xù)數(shù)據(jù)計算的開展提供依據(jù)。此外，利用SLAM技術(shù)還可以對數(shù)據(jù)密度進行評價，進一步提升土方量的計算精度。

4 項目方案的實施

4.1 測量要求的明確

公園項目測量期間，實際需要采集的測量要素較多，并且采集要素的屬性呈現(xiàn)復(fù)雜的特性，同時施工單位對測量精確度提出了較高的要求。為提升測量精度，需要重點保證在項目測量期間所選定的測量技術(shù)及其配套設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對公園內(nèi)多種植被、樹木、構(gòu)筑物、道路、設(shè)施、水體等要素的精準辨別與全面采集，并且要求用更短的時間獲得更高精確度的土方量等數(shù)據(jù)信息。

4.2 實地勘測

結(jié)合本工程項目的實際情況，需要先進行實地勘測，采集人員手持SLAM100激光測距儀按照規(guī)劃好的路線在園內(nèi)收集數(shù)據(jù)。這樣的測量形式，不僅可以解決植被遮擋測量物等導致無法施測的問題，還可以合理地規(guī)避由靜態(tài)掃描儀頻繁換站、點云拼接等帶來的麻煩。相較于常規(guī)測量方法，采用SLAM100手持激光測距儀可以顯著提升作業(yè)效率，在掃描過程中，采集人員可以通過SLAM GO對點云拼接效果進行實時瀏覽，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失的情況，就需要在第一時間解決，保證點云數(shù)據(jù)的完整性。

4.3 模型

土方表面形態(tài)復(fù)雜，因此工作人員獲取到的掃描數(shù)據(jù)點在其空間位置密集且呈現(xiàn)不規(guī)則分布。此時，可以將相應(yīng)掃描數(shù)據(jù)點云構(gòu)建成不規(guī)則的三角網(wǎng)，并保證其與地表特征協(xié)調(diào)。通常，掃描數(shù)據(jù)點設(shè)定的密集度越大，實際的細節(jié)的表達就更充分。在計算模型中，設(shè)定A、B、C三點在三角網(wǎng)中形成一個三角面，并利用A’B’C’表達基準面上的豎直投影。此時，挖方為基準面以上的體量，而填方則為基準面以下的體量，將所有的三棱柱或楔體的體量實施累加處理，最終獲取到更為精準的挖方量與填方量數(shù)據(jù)。

4.4 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的過程中，采用的是SLAM100手持激光測距儀，該設(shè)備具有精度高、掃描速度快的優(yōu)勢，可以顯著提升掃描距離、速度與精度。在進行數(shù)據(jù)掃描的過程中，還能執(zhí)行“閉環(huán)掃描”，通過軟件自動識別重疊區(qū)域，對計算過程中存在的偏移誤差或跟蹤誤差進行糾正。若受到條件限制無法形成閉環(huán)，可以利用Slam Go Post配套軟件保證點云數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]。

4.5 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

坐標轉(zhuǎn)換、點云裁切、噪聲點與植被剔除、數(shù)據(jù)重采樣等為激光掃描數(shù)據(jù)處理中需要完成的重點操作。其中，在坐標轉(zhuǎn)換期間，需要將掃描儀自身的坐標系迅速、精準地轉(zhuǎn)換為區(qū)域獨立坐標系。在本項目中，利用掃描儀所獲取到的原始點云數(shù)據(jù)所應(yīng)用的坐標系為掃描儀坐標系，在后視靶標球的支持下，促使其快速轉(zhuǎn)變至區(qū)域獨立坐標系內(nèi)，應(yīng)用三角激光掃描儀自帶的處理軟件實施拼接（如圖1所示）。

圖1 拼接后整體點云數(shù)據(jù)

在點云裁切期間，針對360°全方位掃描實踐中所產(chǎn)生的冗余數(shù)據(jù)，應(yīng)用裁切的方式實施剔除處理。在噪聲點與植被剔除時，針對由其他原因所產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)，利用三維激光掃描儀配置的Riscan Pro軟件實現(xiàn)對激光掃描數(shù)據(jù)的逐站導入，并在軟件的支持下實現(xiàn)對噪聲點的剔除，從而獲取濾波點云數(shù)據(jù)。同時，為了獲取更具真實性的地表數(shù)據(jù)，還要在剔除噪聲點的基礎(chǔ)上，對公園內(nèi)的植被做進一步的剔除處理。在此過程中，應(yīng)用Riscan Pro軟件過濾點云數(shù)據(jù)，并創(chuàng)建polydata數(shù)據(jù)；應(yīng)用Plane Triangulation功能，將polydata數(shù)據(jù)初步創(chuàng)建粗略的網(wǎng)絡(luò)模型；應(yīng)用Surface Comparison功能，比較分析粗略的網(wǎng)絡(luò)模型與點云數(shù)據(jù)，以此實現(xiàn)對植被的剔除。植被剔除前后的點云數(shù)據(jù)情況如圖2所示。在進行數(shù)據(jù)重采樣時，要求參考土方測量精度要求完成對點云數(shù)據(jù)進行重采樣處理，促使重采樣后點云間隔維持在8～30cm。

圖2 植被剔除前后的點云數(shù)據(jù)對比

本項目在進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過程中，采用的是SLAM100配套處理解算軟件Slam Go Post實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的拼接與處理等操作。將采集人員采集到的原始數(shù)據(jù)導入Slam Go Post進行處理，并生成高精度點云地圖。經(jīng)點云分類后，利用Cloud Compare計算土方量。整體內(nèi)業(yè)處理用時約1.5 h，挖方量為2 898.107 m3，填方量為85 m3（可以忽略不計）。SLAM技術(shù)的應(yīng)用可以有效實現(xiàn)對整體區(qū)域的全過程、精細化掃描，最大限度地發(fā)揮出三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的優(yōu)勢。

5 技術(shù)應(yīng)用成效

本工程項目最大的問題是環(huán)境復(fù)雜且通視條件差，將SLAM100手持激光測距儀成功應(yīng)用于方量計算中，有效提高測量效率，實現(xiàn)土方測量的特征表征與精細計算。應(yīng)用SLAM100手持激光測距儀，可以充分獲取測區(qū)點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換和點云分類后獲得地面點，為后續(xù)施工環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐[5]。此外，在控制成本方面，該技術(shù)也能起到有一定的作用。SLAM技術(shù)方案的特點主要如下。

（1）實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)獲取方式的革新，受環(huán)境因素影響而無法應(yīng)用GPS技術(shù)時，可以實現(xiàn)自主導航和定位構(gòu)建高精度增量式地圖。

（2）傳統(tǒng)測量方式存在獲取數(shù)據(jù)單一的問題，而應(yīng)用SLAM技術(shù)可以規(guī)避靜態(tài)掃描儀頻繁換站、點云拼接的弊端，提高了內(nèi)外作業(yè)效率。

（3）采集人員只需要手持SLAM100激光測距儀就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取，并且數(shù)據(jù)的穿透性強；而配套軟件SLAM GO可以進一步確保數(shù)據(jù)獲取的完整性。

（4）工業(yè)級SLAM技術(shù)可以將點云相對精度范圍控制在±2 cm，絕對精度范圍控制在±5 cm，極大地提升土方量計算結(jié)果的準確性。

（5）智點云自動提取地面點準確率高，減少不必要的工作環(huán)境，并能提升工作效率。

（6）Cloud Compare軟件具有數(shù)據(jù)承載能力強、操作簡單、精度高等優(yōu)勢，因此可以應(yīng)用于各種類型的土方測量場景中，為數(shù)據(jù)獲取提供便利條件[6]。

（7）通過同步定位與地圖構(gòu)建技術(shù)進行土方測量計算，其數(shù)據(jù)精度往往會受到多種因素的影響，包括掃描精度、點云拼接情況等。因此，在進行土方測量的時候需要考量上述因素，從而不斷提高土方計算的精度。

（8）三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)規(guī)模與數(shù)量顯著提升，因此對點云處理軟件及計算機配置提出更高的要求。在工程項目中，必須將實際情況與需求結(jié)合并引入高效的數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理器，為激光技術(shù)優(yōu)勢的充分發(fā)揮奠定基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在土方測量中發(fā)揮十分關(guān)鍵的作用，在實際工程項目中也取得了良好的效果。該技術(shù)在實際應(yīng)用中，體現(xiàn)出精度高、速度快、工作量少的優(yōu)勢，從而在土方測量項目中勢必會得到更廣泛的應(yīng)用和施工單位的認可。相較于以往采用的“全站儀+GPS”模式，三維激光掃描技術(shù)在地面特征表征的提取、人力、物力成本的控制方面，均有較好的效果，因此有必要加強對三維掃描技術(shù)的研究，為相關(guān)項目提供技術(shù)支持。