基于三維激光掃描儀技術的土方量測量及精度分析

朱世鵬+胡凱賀+梁啟偉+徐賀

摘 要：土方量計算是土方工程項目的核心環節和重要組成部分。傳統的土方量測量方法有斷面法、方格網法、等高線法等，這些方法是基于野外采集地形特征點信息進行土方量計算，測量精度和工作效率較低。本文利用三維激光掃描技術，對土方工程進行快速測量，構建土方三維實體模型，計算工程土方量，并將該方法與傳統的測量方法進行對比，實驗結果表明：三維激光掃描儀與傳統的土方量測量方法相比具有測量精度高，結果直觀，速度快等特點。

關鍵詞：三維激光 土方量測量 點云 三維模型

中圖分類號：U231 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0044-03

Abstract：Earthwork survey is the core and main constituent part of earthwork project. The traditional earthwork measurement include section method， grid method， contour method and so on， the measurement accuracy and work efficiency of the methods are lower. Using of 3-d laser scanner technology for rapid surveying in earthwork project， establishing 3d entity solid model， calculating earth volume. Contrast the method with the traditional measurement， and the result indicate that the 3-d laser scanner has a better effect in measurement accuracy and the rapid， and the result is more intuitive.

Key Words：3-d laser；Earthwork survey；Point cloud；3-d model

土方表面數據點采集的速度、精度以及采集點擬合目標表面的精細程度和土方量計算的方法將直接影響土方量計算的效率和精度。對于土方量的測量，傳統方法一般都是用RTK和全站儀選點測量的方法，這種方法誤差大、效率低，外業人員的工作量大。作為一種新型測繪技術，三維激光掃描可對儀器周圍環境進行360°×320°全方位掃描，獲取周邊環境所有的點位信息以及被測物體表面的反射強度和顏色信息，生成三維的彩色點云數據，具有采集速度快、密度大、精度高、非接觸和測量范圍廣等優點[1-3]。

此次試驗在長春市內選取土石方測量典型試驗場，利用三維激光掃描技術進行土石方的測量及土方量計算試驗，并與常規測量方法進行精度和工作效率的對比分析，旨在能夠總結和提煉應用三維激光掃描技術快速準確測量計算土方量的方法及相關的操作規程，驗證該方法的可靠性和適用性[4-5]。

1 測區概況

本項目試驗區位于長春市南關區，華新街和誼民路交匯，長春市群眾文化藝術館南側，此次實驗所選土石方為建筑施工過程中堆砌的廢土石渣，總占地面積約為25416m2，高差約20m。現場情況比較復雜，土堆堆砌的均為粘土，且植被覆蓋較為嚴重，用傳統方法時人員攀爬土堆費時費力，RTK和全站儀打點效率低下、測算體積精度差，用激光掃描儀很好地解決了這一難題。

2 掃描準備工作

2.1 控制測量

此試驗為了對比分析三維激光與常規方格測量土方的精度，建立一套統一的平面和高程坐標系統。對試驗區周圍的環境進行踏勘，在地質較堅實、不易破壞、通視效果良好處選擇控制點，分別作為標靶中心坐標采集的測站點和后視點。在測站點周圍穩定處粘貼靶紙，根據三維激光掃描儀的特性，儀器無法精準掃描法向量與激光接近垂直的地物，因此，張貼標靶紙時讓標靶紙中心的法向量與儀器發射激光束交角越小越好。觀測儀器采用徠卡TM30全站儀，用標靶中心坐標采用雙測站極坐標法進行觀測，測量前必須對儀器進行檢驗，依據工程測量規范，測角中誤差±0.5″，半測回歸零差4″，一測回互差值8″，測距誤差±1mm，測量3個標靶中心的測量坐標，作為三維激光掃描的相對坐標和測量坐標轉換的基準。

2.2 規劃掃描線路

根據試驗場地的現場情況合理布設每一站位置，規劃掃描儀走向，原則上做到試驗的土方在掃描過程中沒有死角。掃描線路示意圖如圖1所示，圓形為測站位置，箭頭指示方向為掃描儀測量走向。

3 三維激光掃描儀測量土方量

3.1 外業掃描

本次三維掃描項目采用德國Z+F IMAGER 5010C設備，該掃描儀是相位式三維激光掃描儀，最高精度可達0.3mm，有效測量距離可達187m，角度分辨率水平方向達到0.0002°，垂直方向達到0.0004°，所以，對堆砌土堆的微小角落都不會錯過，對凹凸曲面也能完美反映出來。三維激光的外業掃描包括設立標靶和儀器掃描，此次實驗，用于兩站之間拼接的球形標志為Z+F IMAGER5010C儀器配套的球形標志，直徑10cm。由于土方地形細節較為復雜，因此為得到較為精確的實驗數據，每兩站之間距離控制在30m之內，最后實驗完成后測站數共有29站。

3.2 內業處理

3.2.1 數據配準

由于物體的遮擋、掃描儀的限制等原因，要完成對土堆的完整數據獲取，掃描儀要進行多測站多角度的測量。但由于掃描儀每測站坐標系的坐標原點都是掃描儀的儀器中心，因此，需要通過點云配準的方式將不同測站的掃描數據拼接到同一坐標系下，將標定轉換完成的文件保存為3D點云。endprint

3.2.2 數據濾波

基于Geomagic Studio 2012軟件平臺，打開.asc格式的文件。通過軟件自帶的功能對點云數據進行去噪、濾波，去除體外孤點和非連接項，去除不必要的數據，使之更加直觀，去噪結果如圖2所示。

3.2.3 基于點云數據的土方量計算

本次土方量計算采用JRC 3D Reconstructor軟件，以簡單快捷地獲取等值線、截面，更善于生成正射影像與特有的實體影像，特別是該軟件可以導入或自定義實體剖面，可視效果強，基于基準面的體積量測、填挖方量測，結果可直接生成PDF報告，為土方計算提供了有效途徑，圖3為構建的土方表面模型。利用軟件自帶的“計算體積到平面”的功能，將建好的模型投影到平面，拾取模型底面邊界，計算出土方量為102740.3m3。

4 試驗數據精度對比分析

本次研究將三維激光掃描技術和GPS RTK常規測量方法進行對比。RTK測量法需要利用GPS對地形征點進行逐一采集，需要大量的野外工作，作業時間較長，采集特征點數量少，工作效率低，勞動強度高，而三維激光掃描儀主要對地物進行掃描，掃描時間短，可采集海量的點云數據，工作效率高，勞動強度低。

地面激光掃描法內業數據處理時間長，對點云的拼接、冗余去除，需要大量人工干預多，自動化程度不高。RTK測量法內業處理相對簡單，需要對照草圖和外業數據進行編輯成圖，作業方式成熟固定，處理時間短。以本次試驗研究為例對兩種方法的生產質量和效率進行定量分析，如表1所示。

5 結語

本次利用三維激光掃描技術進行土石方的測量及土方量計算試驗，并與常規測量方法進行精度和工作效率的對比分析，總結了應用三維激光掃描技術快速準確測量計算土方量的過程及相關的操作方法，驗證三維激光掃描儀在土方量測量中的可操作性，為土方量測量提供了新途徑。

參考文獻

[1] 蘇春艷，隋立春.基于三維激光掃描技術的土方量快速測量[J].測繪技術裝備，2014，16（2）：49-52.

[2] 胡奎.三維激光掃描在土方計算中的應用[J].礦山測量，2013（1）：70-72.

[3] 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，2014，39（6）：47-49.

[4] 劉博濤.三維激光掃描技術在地面沉降監測中的應用研究[D].長安大學，2014.

[5] 吳靜，靳奉祥，王健.基于三維激光掃描數據的建筑物三維建模[J].測繪工程，2007，16（5）：57-60.endprint