不規則三角網法在土方量計算工程的應用

劉夫曉

（山東金嶺鐵礦有限公司，山東 淄博255081）

1 前言

DTM法（不規則三角網法）利用實測地形碎部點、特征點進行三角構網，對計算區域按三棱柱法計算土方。基于不規則三角形建模是直接利用野外實測的地形特征點（離散點）構造出鄰接的三角形，組成不規則三角網結構。相對于規則格網，不規則三角網具有以下優點：三角網中的點和線的分布密度和結構完全可以與地表的特征相協調，直接利用原始資料作為網格結點；不改變原始數據和精度；能夠插入地性線以保存原有關鍵的地形特征，以及能很好地適應復雜、不規則地形，從而將地表的特征表現得淋漓盡致。因此在利用DTM法算出的土方量時就大大提高了計算的精度。傳統的取點方式包括全站儀與GPS，在大面積的作業空間中，傳統方法無論是在工作效率還是在測量精度上都會有所降低。三維激光掃描技術是近幾年來出現的新技術，它利用激光測距的原理，采用非接觸式高速激光測量方式，能夠快速地獲取測量對象表面的幾何特征[1-3]，三維掃描技術突破了傳統測量中由點到線、再由線到面的單點測量方法，目前應用于多個測繪領域[4-7]。

結合工作實踐，測量部門選擇視野開闊，無大型建筑物、機械的阻擋，土方較規則的料堆作為研究對象。選用了Maptek三維激光掃描系統獲取點云數據，并利用Surpac軟件與Cass軟件分別對獲取的點云數據進行了處理，并在數據處理的速度及三維建模可視化方面進行了比較。

2 三維激光掃描系統優勢

本次測量選用的Maptek I-site 8810三維激光掃描系統，具有如下優勢：

1）非接觸測量，數據采樣率高。掃描方式為脈沖式激光掃描，掃描頻率為40 kHz。

2）高分辨率、高精度，主動發射掃描光源。掃描過程中主動發射掃描光源（激光），且獲得的點云數據均勻、細密、噪點少，保證了數據更加準確。

3）高度集成性。具有后視定向功能，數字化采集兼容性好，測量過程中可結合GPS進行測量，多站測量數據無需拼接，彌補了其他掃描儀采用標靶拼接降低了測量精度和增加了內業處理時間的劣勢。I-site8810所采集的數據是直接獲取的數字信號，具有全數字特征，易于后期處理及輸出。

4）高度整合性。掃描過程中可通過平板電腦操作掃描儀，實時查看掃描數據，及時了解數據質量，對掃描盲區進行及時補測，后期配有強大的處理軟件I-site Studio，能輸出多種格式的數據，可與其他原始CAD等數據實現高度整合。

3 數據采集、處理過程

3.1 技術方案

工作的前期內容是利用三維激光掃描技術對S8地區進行掃描，采集三維激光點云數據，在Maptek I-Site Studio中進行預處理，在topo模式下輸出*.csv格式，將所獲取的數據分別編輯生成Surpac軟件所需要的*.str格式和Cass軟件所需要的*.dat格式。總體技術路線如圖1所示。

3.2 試驗方法

根據Maptek I-site 8810的特點，在料堆頂部及周圍共設立測站6站，采用中等分辨率進行全景掃描[8-10]，同時，為了研究對象的一致性，采用GPS RTK技術獲取料堆的邊界范圍數據。

將獲取的多個測站的料堆點云數據導入Maptek I-Site Studio中，同時將RTK獲取的邊界范圍數據導入到survey中，保證測量數據的統一性。刪除研究區域以外的點云數據，剔除非特征點的點云數據，在topo模式下，利用Despiking命令進一步刪除尖峰點，保存輸出為*.csv格式的數據。

3.3 Surpac軟件與Cass軟件對比

Surpac軟件是全球同類軟件中應用最為廣泛的大型三維數字礦業軟件，是Gemcom公司最著名的軟件之一，具有功能強大、易操作等特點，是測量、地質、采礦的信息共享平臺，能夠兼容多種數據庫和數據格式。呂寶雄等證實了利用點云數據在地形測量中的應用，但鮮有學者利用點云數據導入Surpac軟件進行土方計算并與其他常規軟件處理結果進行對比。本試驗將從Maptek中輸出的*.csv數據格式，轉換成Surpac要求的*.Str格式，并將RTK獲取料堆的邊界范圍的數據一并導入到Surpac軟件中。因為本試驗應用的是DTM法土方計算法，所以必須假定一個水平面作為初始平面，本試驗選定+5 m水平面為初始平面。在一定邊界內進行DTM法土方運算，并能夠得到料堆的DTM的三維視圖，如圖2所示。

圖2 料堆的DTM三維視圖

Cass軟件是基于AutoCAD平臺技術的數字化和數據采集系統，現已廣泛應用于野外數字化地形成圖，進行大比例尺地形測繪。由于Maptek I-Site Studio軟件導出的數據為csv類型的數據文件，該數據類型的文件無法導入Cass軟件中使用，故導入前需要將csv類型的數據文件轉換為DAT類型的數據文件。將轉換后的數據導入Cass中，用Polyline命令標定料堆的邊界范圍線，如圖3所示。然后建立以高程為+5m的水平面為初始平面，保存輸出數據，運行DTM法土方運算。

結果對比分析。Surpac軟件與Cass軟件都能夠運用土方的DTM法土方計算求得試驗料堆的土方，結果對比如表1所示，雖然在平場面積與土方上略有差異，但是不影響此次試驗的對比，通過對以上試驗結果的比較分析，得出2種軟件的特性。

Surpac軟件在應用Maptek I-Site Studio軟件導出的*.csv數據時，可以有效保存原點云數據的真實性，不需要內插點。處理過程中不需要生成三角網，能夠直接調用RTK測得的料堆邊界范圍數據，可以很直觀地顯示出范圍線外多余的點云數據，能夠清晰地反映出未掃描區域的范圍，為下一步數據的重新獲取提供了依據。可以對生成的DTM進行放大和縮小及任意角度的旋轉，便于查看。

相比Surpac軟件，Cass軟件可以對三角網進行刪減和修整，在應用Maptek I-Site Studio軟件導出的*.csv數據時，能夠內插點數據，對原點云數據產生影響，在使用料堆邊界范圍時，需對邊界進行重新的編輯閉合。在此過程中容易出錯，造成邊界的大小發生變化，從而對所求的土方產生影響，在使用DTM法求土方計算過程中，對點云數據在數量上有限制，所以在一定程度上對點云數據進行了精簡，在形成的三維模型的顯示效果上較差，顯示的細節較少，不夠直觀。

圖3 Cass中料堆的點云數據

表1 Surpac軟件與Cass軟件計算料堆土方數據

4 結語

通過試驗研究，Maptek點云數據較常規測量方法在提取地物特征方面更方便、快捷，證明了在Maptek點云數據的基礎上，利用Surpac軟件與Cass軟件都能夠利用DTM法計算計算求出料堆的體積，并且求得的數據都是完全可靠的。但在應用Maptek I-Site Studio軟件導出的*.csv數據時，Surpac軟件在數據的導入速率及處理的準確率上較Cass軟件有較大的提高，在生成DTM及顯示上，較Cass軟件有更好的可視化效果。

下一步如何更好的利用Maptek點云數據，開拓更廣闊的應用平臺，使其更便捷地應用于礦山的生產仍然是一個需要深入研究和解決的問題。