三維激光掃描技術在土石方量測量中的應用

袁鳳祥，秦巖賓，安家瑞

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059)

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三維激光掃描技術在土石方量測量中的應用

袁鳳祥，秦巖賓，安家瑞

(成都理工大學 地球科學學院，四川 成都 610059)

摘要：簡要介紹三維激光掃描儀的工作原理，測量土石方量的基本步驟及土石方量計算的基本原理。結合四川省大邑縣出江鎮礦堆測量實例，計算出土石方量。結果表明，相對于傳統測量方法，三維激光掃描技術更具優勢。

關鍵詞：三維激光掃描技術；土石方量；測量；DTM

三維激光掃描技術是近年來出現的一門先進的測繪技術，基于空間點陣掃描技術和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術，作為繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革新，被稱為“實景復制技術”[1-3]。國外對于三維激光掃描技術的研究已日趨成熟，提出許多新的測繪理念，并且也開發出相關的掃描產品，而我國對于三維激光掃描的研究工作是從近幾年才剛起步，應用也很少。三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、適應性好、效率高、精度高，且無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環境下應用[4]。測量土石方量是工程施工前的一項很重要的工作，因為它直接關系到工程項目的資金預算，工作方案制定，資金分配等工作[5]。然而傳統測量方法測量土石方量能夠測得的點位數量有限，精度、效率相對較低，此時充分體現出三維激光掃描技術測量的成本低、效率高的優勢。本文主要介紹三維激光掃描技術在土石方量測量中的應用。

1地面三維激光掃描儀

地面三維激光掃描儀的工作原理是通過激光測距儀測得目標點P與掃描儀儀器中心(坐標原點)的斜距S，同時通過精密時鐘控制編碼器測得每個激光脈沖橫向掃描角度α(水平角)和縱向掃描角度β(垂直角)。坐標系統通常采用儀器自定義坐標系統，坐標原點在儀器中心，Y軸是激光脈沖掃描方向，儀器自身已定，Z軸豎直向上，再由右手直角坐標系確定X軸[6]。由此可計算得采樣點坐標P(X,Y,Z)如圖1所示。

圖1　采樣點計算原理

計算式:

2計算土石方量

計算土石方量是將地形表面與其投影到指定起算面上的部分所圍成的體積。土石方量的計算與地形復雜程度及精度要求有關，計算方法較多。較常用的方法有方格網法、斷面法及數字高程模型(DTM)方法。每種方法的計算原理不同，適用的場合及精度也有差異[7]。本文采用DTM模型計算土方量，此方法精度相對較高，根據實地測定的地面點坐標和設計高程計算得到土方量，測量點的數量及其精度決定土方量計算的精度。

DTM法是將場地劃分為若干個不規則三角網，計算每個三棱柱的體積，最后匯總每個三棱柱的體積即可求得土方量。本文DTM法運用南方CASS軟件進行計算。主要步驟為工程應用DTM法土方計算-根據坐標文件-選擇邊界線-選擇坐標文件-輸入平場標高-繪制表格。可計算出填方量和挖方量。

3基于三維激光掃描技術的土石方量測量

用三維激光掃描技術測量土石方量步驟包括現場踏勘、外業數據采集、數據處理、土石方量計算。圖2為三維激光掃描技術測量土石方量的流程圖。

圖2　三維激光掃描技術測量流程圖

3.1現場踏勘

三維激光掃描儀的掃描速度快，采集空間點的密度大，所以在測量時應盡量減少重復掃描范圍，需要先進行現場踏勘，確定最佳掃描路線，初步設置好測站數目和位置，掃描范圍。

3.2外業數據采集

按照采集方案進行外業數據采集，通過三維激光掃描儀對場景進行全方位掃描，獲得海量的三維坐標數據。本次作業采用FAROFOCUS3D120大空間掃描儀，掃描速度最快為976 000點/s，測距精度為±2mm，掃描范圍為120m視場角范圍為360°× 300°。單站掃描一般2～5min即可完成，300m2左右的場景空間，只需半個小時即可完成所有數據的采集工作(包括設站以及參考球布置)。

掃描儀作業一般有兩種模式：標靶或參考球拼接模式，GPS、全站儀+掃描儀模式。

標靶或參考球拼接模式：這種工作模式適用于小范圍掃描，采用標靶或者參考球用于相鄰測站間的連接，相鄰測站間至少3個公共點(即統一所有測站的坐標系統)。該方法受限于參考球的尺寸，參考球與掃描儀的距離一般最遠可達30～40m，因而測站間的距離在60～80m。作業效率相對較低，整體精度依賴于參考球或者標靶的擬合精度。

GPS、全站儀+掃描儀模式適用于大范圍掃描，工作原理：在一個測站中均勻擺放3個參考球，參考球位于掃描儀掃描市場角內，距掃描儀的距離為8～15m左右，掃描完成后用全站儀或者GPS測定參考球的坐標。利用測量坐標即可完成掃描數據坐標轉換。該方法工作效率高，能夠充分發揮掃描儀優勢。

本次作業范圍較小，作業地區位于四川省大邑縣出江鎮一小礦石堆。采用參考球拼接模式，共有7個測站，用時約30min，一共用了9個參考球，整個作業過程中按照以下規則執行：

1)設備中的采樣分辨率設置為1/5，質量為3X，滿足10m處的點間距為8mm。

2)相鄰測站間采用3個參考球進行連接，參考球與掃描儀的距離不大于20m，參考球之間的距離大于2m，且盡量高低錯落放置。

3)起始掃描站中保證3個參考球固定不動，最后掃描測站中包含這3個固定的參考球，形成閉合環。

4)掃描儀整平，保證電子水準氣泡居中。

3.3數據處理

激光掃描數據處理主要包括點云拼接、坐標轉換、噪聲點與植被剔除、數據重采樣、點云數據導出等步驟[8]。數據處理采用FAROSCENE軟件，主要步驟：

1)點云拼接。三維激光掃描儀每站掃描的數據都是獨立的自由坐標系統，掃描儀鏡頭為坐標系原點，掃描儀開機時的鏡頭朝向為X方向。處理數據時必須統一坐標系，需要將各測站數據進行拼接處理。利用SCENE標定參考標靶，相鄰測站中的公共標靶名稱必需保持一致。目前，拼接方式主要包括絕對方式、配對方式和全局方式[9]。絕對方式需要先測量控制點的坐標，拼接時以控制點為基準進行拼接，實際操作較為麻煩，也增加了工作量。配對方式只需進行相鄰掃描圖之間的坐標轉換，但不能控制整體的誤差傳播。一般采用全局方式進行拼接，全局方式是以某一掃描站為基準，通過同名點進行強制附和，從而將其他測站數據統一到基準坐標系。

2)點云數據消冗以及噪聲點剔除。在數據掃描過程中，采用360°全方位掃描，因此會產生較多冗余數據，而且圖形拼接后，點云數據冗余更大，要進行消冗處理，采用裁切的方式剔除。對于大宗噪聲點，一般采用手工降噪，對于比較小的噪聲點、還有其他原因產生的噪聲數據需要采用三維激光掃描儀隨機配置的RiscanPro軟件逐站將激光掃描數據導入，通過軟件的過濾功能去除噪聲點，得到濾波點云數據，見圖3。

3)點云過濾、數據重采樣導出數據。由于三維激光掃描儀的采集空間點的密度大，將點重采樣以抽稀數據，重采樣后點云間隔為0.3m左右(自由設置點云間隔參數)，再用軟件導出成dxf文件，運用CASS軟件進行土方量計算見圖4。

圖3　拼接后點云數據

圖4　點云數據重采樣抽稀并導出

3.4土石方量計算

由于測區范圍較小，本文運用南方CASS軟件進行計算。在CASS中打開保存的dxf文件，在工程應用中選擇高程點生成數據文件，導出點。再重新打開CASS，點擊繪圖處理高程點，根據命令提示展點。再運用DTM法計算土石方量，成果如圖5和6所示。

圖5　DTM法用全站儀測量土方量計算成果

圖6　DTM法三維激光掃描測量土方量計算成果

通過計算得出運用全站儀測量土方量的挖方量為2 436.9m3，填方量為0，為使測量結果更準確，此次特取全站儀測量的點密度約為每1m一個點，測量共用時約3h。而計算用三維激光掃描測量的結果為挖方量2 425.0m3，填方量為0.1m3，若以全站儀測量結果作為參照，得到的土方體積誤差為0.49%，符合一般工程測量規范要求。由此可以看出運用三維激光掃描技術進行土石方測量是可行的，而且三維激光掃描技術測量的結果更準確，因為掃描點遠遠多于用全站儀測量的測量點，所以用DTM法進行土方量計算時形成的三角網也是更多、更準確，用時更短，測量方便、簡捷，大大提高測量效率。在計算結果中用三維激光掃描測量技術測量數據計算出的填方量為0.1m3，可以看出三維激光掃描技術測量更精確，因為三維激光掃描測量可以基本還原實地面貌，而用全站儀測量很容易忽略這些小坑洼，而且很多地形有細微變化的地方容易遺漏，會有一定偏差。本文運用南方CASS軟件計算三維激光掃描測量數據的土方量時有一

定的局限性，但本次作業適宜用南方CASS軟件計算，因為測量點相對較少，對于小范圍的測量數據處理方便快捷，但大范圍的測量數據處理就受局限，由于數據量巨大，處理起來會很耗時，而且對計算機的性能要求也較高。

4結束語

本文詳細介紹三維激光掃描技術進行土石方量測量的流程以及數據處理的方法，用三維激光掃描技術進行土方量測量，可以大幅度縮短測量時間，其無接觸，高精度，速度快的特點，大大提高測量工作的安全和質量，同時能夠有效降低測量成本，提高測量精度，而且三維激光掃描技術不受地形限制，在平地、丘陵、懸崖等各種地區均適用，特別是危險的或者人力難以到達的地方，三維激光掃描技術都可以測量。

參考文獻：

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[8]張榮華，李俊峰，林昀.三維激光掃描技術在土方量算中的應用研究[J].測繪地理信息，2014(6):47-49.

[9]張遠智，胡廣洋，劉玉彤，等.基于工程應用的3維激光掃描系統[J].測繪通報，2002(1):34-36.

[責任編輯：李銘娜]

Application of 3D laser scanning technology tothe earthwork calculation

YUAN Fengxiang,QIN Yanbin,AN Jiarui

(CollegeofEarthScience,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Abstract：This paper introduces the theory of the 3D laser scanner,the method of earth volume calculation,and the basic flow of measuring earth volume by 3D laser scanning technology.Combined with examples,illustrations are made on measuring a small ore heap by 3D laser scanning technology in the Town of Chujiang,Dayi County,Sichuan Province.The results show that 3D laser scanning technology enjoys high superiority over the traditional method of measuring the earth volume.

Key words：three dimensional laser scanning technology；earth volume；measurement；DTM

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2016.09.012

收稿日期：2015-06-14

作者簡介：袁鳳祥(1990-)，男，碩士研究生.

中圖分類號：P258

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)09-0055-04