三維激光掃描技術在土方計算中的應用

■薛東方

（安徽鑫圖土地勘測規劃科技有限公司　安徽　合肥　230031）

三維激光掃描技術在土方計算中的應用

■薛東方

（安徽鑫圖土地勘測規劃科技有限公司安徽合肥230031）

經濟發展中，基礎設施建設方興未艾，土方量計算是基礎設施項目建設中最常見的工作，如何才能準確、快速、及時的算出土方量，使計算土方量與實際土方量相一致是甲方與項目施工方所關注的。本文使用三維激光掃描法對某一工廠施工區進行掃描，結合cyclone處理軟件計算該工廠地基平整前的挖填方量。結果表明，使用三維激光掃描儀對土方量進行計算不僅速度快且精度高能滿足工程建設需求。

三維激光掃描技術技術應用土方計算

當前，土方量計算速度與準確性將影響到施工進度與施工效率，成為土方施工項目的中心環節，同時也是方案優選所考慮的因素。土方豎向規劃調整都是重要的施工依據，會對工程造價有直接影響，由此，在對土方計算時必須精益求精，與施工實際相符合，這樣才能使成本得到優化，將工程質量提高。

1　三維掃描技術原理與土方計算模型的應用

三維激光掃描技術是近年來發展起來的一種新型立體掃描技術，也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。三維激光掃描儀已經成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業、變形監測、工廠、大型結構、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等領域里應用。掃描結果能夠以點云的方式顯示，并通過點云快速構建出一個結構復雜且三維可視化的模型[1]。

1.1技術原理

使用一臺高速運轉的精度較高的激光測距儀，配合使用引導激光并均勻角速掃描反射棱鏡。三維激光掃描儀能夠定點發射激光脈沖信號，然后通過物體表面發射，沿著一致的路徑返回到接收器中，能夠將目標P點到掃描儀的距離S計算出來，對編碼器進行控制，并同步計算出激光脈沖橫向掃描的觀測角度，標記為α，縱向掃描觀測角度β。三維激光掃描能建立自定義坐標體系，X軸位于橫向掃描面中，而Y軸則與X軸垂直，Z軸垂直于橫向掃描軸，進而得出P點坐標。具體見下圖1所示。

圖1　P點坐標計算

1.2土方計算模型

使用DTM法對土方量進行計算，使用網格法、高等線法以及斷面法。應用這些計算方法不僅能將精度提高，還能依據要求建立起地面點坐標，對高程進行設計，進而計算得出土方量，其中，決定土方量計算精度的是測點數量與精度，數據點越集中、越多所占有的內存量就越大，對于大范圍的土方計算非常不適合。網格法就是在測量點的基礎上將網格繪制出來，在其中插入格網點估算土方量與高程，測量點數量與精度同樣是影響土方量計算精度的重要指標。高等線法與斷面法則適合應用在地形復雜其起伏較大的山區，需要按照地形圖計算出面積，將面積與平均高程求出，還能計算出兩個相鄰高等線體積，土方量，這種計算法精度不是非常高[2]。使用三維掃描儀能夠得到點云數據，除了X、Y、Z以外的信息，還有顏色信息、物體反色率信息等，能夠體現出真實情景感。此外，掃描儀的掃描速度為50000點每秒，不僅使工作效率大大提高，還能確保掃描出物體的紋理特性，將土方量計算精度提升。用三維激光掃描儀獲取的海量數據構TIN來擬合被測物體的表面形狀，擬合精度高，剔除噪聲數據后，土方計算更準確。

圖2　非地貌數據剔除

1.3生成等高線

將植被、地物等非地貌部分點云數據剔除。使用平面跌送法，先將明顯的地貌數據剔除，再使用原有數據對平均面進行計算，剔除距離平均面遠的數據，對平均面進行計算，跌送4~7次，能夠得出更加精準的地貌數據。完成剔除的地貌點云將出現密度增大、不均勻分布等，將不能構建出三角形網，生成的網格效果不明顯。由此，需要自動抽稀點云數據，再將抽稀后點云數據導進大比例尺測圖軟件處理，然后生成一個等高線。

1.4編輯成圖

剔除后的地貌點數據將從高線位置消失，使等高線出現扭曲、不光滑等現象，此時可以對等高線編輯處理，調整地形圖與其他物體間關系。地物圖與等高線圖相互重疊，人工編輯照片與點云數據，最后修飾成圖[3]。

2　掃描數據土方計算與拓展應用

使用LeicaC10掃描儀能夠針對該區域一側全面掃描，使掃描具備全方位效果，最遠掃描距離為300m，點位精度為6mm，測距精度為4mm。掃描需要結合土方計算標準，使用快速掃描法，架設4站，從南向北依次掃描，能夠快速獲得掃描后的點云數據[4]。對點云數據進行處理，降噪、拼接、重構、精簡等，使用Cyclone軟件將設計高程確定下來，并將其移動到設計高程點位上，依據物體的體積對掃描地土方量進行計算。如果是高程土方量計算，可以將Cyclone中的原有堤岸模型導進CAD軟件進行處理，建立三維模型，在原有設計堤岸基礎上繪制加高模型，假設加高堤岸傾角為35°，高為9m，所需土方量就為112453.2m3。按照掃描的特點在完成土方量計算以后，還可以將掃描速度與精度拓展，實時監測堤岸加高過程。比如，每增加一個高程以后就要重新對加高堤岸體積算一遍，比較該數據與原數據模型，能夠使土方實際用量與堤岸施工形態變形獲得，對施工單位結果分析有一定幫助，還能作為方案調整依據，使施工安全與質量得到保證[5]。

3　結束語

在土方量計算中應用三維激光掃描儀不僅能夠縮短施工工期，還能提高土方計算精度，并受地形限制小，適用地形廣泛，精度高、無需接觸被測物體、速度快，且節約成本，值得在項目施工中推廣應用。

[1]董秀軍,黃潤秋.三維激光掃描技術在高陡邊坡地質調查中的應用 [J].巖石力學與工程學報,2011,25(z2):3629-3635.

[2]謝雄耀,盧曉智,田海洋等.基于地面三維激光掃描技術的隧道全斷面變形測量方法[J].巖石力學與工程學報,2013(11):2214-2224.

[3]邵晴,徐濤,吉野辰萌等.基于三維激光掃描技術的糧食儲量監測系統的設計與試驗[J].農業工程學報,2015,31(20):262-267.

[4]孟志義.激光掃描技術在土方量計算中的應用及精度分析 [J].北京測繪，2012(4): 44-66.

P2[文獻碼]B

1000-405X（2016）-9-193-1

薛東方（1986～），男，專科，助理工程師，研究方向為測繪。