三維激光掃描技術在土方測量中的應用

鄭一濤

摘 要：介紹了三維激光掃描儀以FARO Focus 3D為例的使用方法、內外業數據采集技術流程，分析了三維激光掃描儀的特點及優點。針對目前土方測量中要求高精度和高效率，以及采用全站儀的傳統作業過程中存在時間長、工作量大等問題，以實際案例論證了三維激光掃描技術在土方測量中的應用技術，探索了測量的方法和數據處理的方法，以促進三維激光掃描技術的推廣。

關鍵詞：三維激光掃描技術；點云；數據處理；土方測量；對比分析

1引言

隨著城市建設的不斷發展帶動著各種工程建設項目的不斷進行，項目建設大部分都與土方工程息息相關。精確計算土方量能夠為選取施工方案、工程費用的估算以及施工進度的考慮提供重要依據。在測量過程中，因為測區地理環境復雜多樣因素的影響、土方量計算中存在的誤差和開挖后不可重來等因素，精準計算土方體積是不可能的，經常引起雙方的利益糾紛，如何為了彌補其中不足，就要視工程具體情況來挑選不同測繪方法，以此提高效率和精度。

2 三維激光掃描技術流程

三維激光掃描儀根據不同需求可以分為地面三維激光掃描儀、車載三維激光掃描儀、機載三維激光掃描儀、手持三維激光掃描儀、特殊場合應用的三維激光掃描儀等幾類。本文主要介紹地面三維激光掃描設備。地面三維激光掃描是一種直接獲取物體三維圖像的測量手段，由密集的點組成，每個點包含（x，y，z，i）值，x，y，z是掃描儀坐標系表示該點的三維坐標，i是接收到的反射信號的強度。地面三維激光掃描儀與全站儀、RTK等傳統測量手段不同，將單點測量變成立體三維測量，全方位全高精度通過海量連續的點云數據來構建物體三維表面的完整模型，但是掃描存在盲目性，不能準確地選擇目標上某一點。

2.1 地面三維激光掃描儀測量原理

三維激光掃描技術的核心是激光發射器、激光反射鏡、CCD裝置等【4】，地面激光掃描儀的的工作方式與全站儀相似，激光發射器通過激光二極管發射近紅外波長的安全激光束，激光束通過旋轉反射鏡對所測對象進行立面的掃描，借助時間解碼器或鑒相器獲取不同點位的反射時間差，從而測出激光與測量點之間的距離，最后編碼器利用采集到的鏡頭旋轉角度和水平旋轉角度的值，計算出被測地物表面上每個掃描點的三維坐標，最后整合得到被測對象的采樣點集合，稱之為“點云”。

圖2-1為地面三維掃描儀測量原理：

2.2 外業數據采集技術流程

圖2-2為外業數據采集的技術流程圖，在外業過程中，為了保證數據的精度應注意以下幾點：

放置靶球，準確放置靶球可以節約很多時間，同時提高數據的可靠性和完整性。是掃描工作中重要的一步，放置靶球時應注意以下幾點：

1）靶球應盡可能放置在高處和不被影響的位置。

2）選擇在夜晚或者人流量較少的時段進行工作。

3）合適的靶球數量可以使數據拼接誤差減少（8個左右）。

4）保持地物的全貌，不可遮擋地物的紋理和細節，以方便建模。

5）在掃描范圍內盡量均勻擺放靶球，任意三球不要在同一條直線上。

6）注意設備的掃描盲區

2.3 內業數據處理技術流程

本文內業處理流程以點云內業軟件FAROScene為例。

圖2-3是內業數據處理流程：

在內業數據處理的過程中應注意以下幾點：

加載單站點點云數據時，應注意單站點的數量以防止加載過多超出電腦運行能力，減慢了軟件運行的流暢性降低了工作效率。在處理點云數據和刪噪的時候應使用較高Mio掃描點參數可以避免對細節和紋理造成誤刪或多刪。

3.三維激光掃描技術的部分應用現狀

（1）三維激光掃描技術在海洋領域的應用現狀，海洋物理模型是重演自然發生復雜的海洋現象的一種重要方法，三維激光掃描克服了傳統測量技術的缺點，為模型的構建提供了有利的技術支持。

（2）三維激光掃描技術在鐵路危巖落石勘測中，以非接觸遠距離測量、實時高效的特點彌補了測量中可能出現危險情況的缺點，例如：鐵路沿線在地質復雜的區域的，大多懸崖峭壁，經常出現落石現象，給作業人員帶來很大的危險性，增加了勘測工作的難度。

4.三維激光掃描測量技術在土方測量方面的應用

4.1試驗區概況

試驗區位于仙游縣一固定區域土方，其中該圖紅色區域為本文所選區域。區域內地面起伏大且土方形狀較復雜，有一定的樹木遮擋，掃描過程應注意這些存在因素，本次試驗以全站儀和三維激光掃描儀分別進行土方測量，然后對過程及成果進行對比。

4.2 全站儀測量法

考慮到試驗區樹木遮擋和衛星信號強弱的問題，本文采用全站儀進行數據坐標的采集?？紤]測區的實際情況，根據精度要求，在平坦測區每隔4米測量一點，地面不平整或斜坡每隔2米測量一點。

4.3 三維激光掃描儀法

本次實驗可設置為1/4分辨率和四倍質量，相當于相鄰站點距離20米進行擺站，正常情況下每站掃描花費時間為14分鐘。由于三維激光掃描儀內置高分辨率的數碼相機，也可以采用彩色掃描模式，以真彩色或色彩編碼形式顯示點數據，使掃描獲取的信息更加全面。

4.4 對比分析

4.4.1精度分析

1）全站儀可通過調節棱鏡高獲取測點的實際高程，就減少了被遮擋的部分對測量造的影響。使用三維激光掃描儀時，如果地物被障礙區遮擋，掃描所得信息就不夠準確存在一定的誤差，在內業處理時就需要人工處理刪除這些不準確的數據和構造地面模型，其中人工處理的準確程度就直接影響了土方量計算的精度。

2）三維激光掃描儀只能根據掃描數據構建模型，模型根據表面數據進行填充，底面是上表面的投影，平均高程為10米，模型體積即為本次挖填方體積，挖方體積就是模型體積，因此沒有填方。

4.4.2綜合分析

三維激光掃描儀需要大容量的內存卡，對電腦軟件設備的要求也比較高，在使用Faro軟件進行數據處理時，數據拼接和刪噪的自動化程度低，需要更多的人力投入，后期內業處理需要消耗更多的時間。全站儀采集數據時占用內存相比較少，內業處理也較容易。

5.結論和展望

在全站儀和三維激光掃描儀計算土方量的對比中，使用全站儀測量的方格網法耗時較長，計算精度不太高，受環境影響較大，適合較為平坦的測區。三維激光掃描儀計算土方量速度較快，精度較高，采集的數據更加全面，不受環境的影響，節省了測量人員的工作時間，提高了工作效率。三維激光測量技術的問世和進步為空間三維信息的獲取提供了全新的技術支持，是全球信息化發展的新機遇，已經逐漸成為測繪行業研究的熱門，應用領域不斷擴展延伸，逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一?？梢哉J為，三維激光掃描技術是未來測繪行業的又一重大技術革命。

參考文獻

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