應(yīng)用移動(dòng)激光掃描測量技術(shù)開展土方測量的可行性研究

鐘棉卿 張傳帥

摘 要：為提高量算精度與工作效率，本文將移動(dòng)激光測量技術(shù)應(yīng)用于土方測量。本文基于移動(dòng)激光測量系統(tǒng)的測量原理，介紹了應(yīng)用其開展土方量測算的技術(shù)要點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例，探討了采用此項(xiàng)新技術(shù)實(shí)施土方測量的可行性，并與GPS/RTK技術(shù)、地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行對比，說明了利用移動(dòng)激光測量技術(shù)開展土方量測算的適用范圍和技術(shù)優(yōu)勢，以期為今后開展相似的工程應(yīng)用提供借鑒。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)激光測量技術(shù);土方測量;GPS/RTK;地面三維激光掃描技術(shù)

中圖分類號：P234.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）05-0122-03

Abstract： In order to improve the measurement accuracy and work efficiency， this paper applied mobile laser measurement technology to earthwork measurement. In this paper， based on the measurement principle of the mobile laser measurement system， the technical points of applying earthmoving measurement and calculation were introduced， and combined with engineering examples， the feasibility of using this new technology for earthmoving survey was discussed， finally the application scope and technical advantages of earthwork measurement using mobile laser measurement technology were explained by comparing it with GPS / RTK technology and ground-based 3D laser scanning technology， with a view to providing reference for similar engineering applications in the future.

Keywords： mobile laser scanning measurement technology;earthwork volume measurement;GPS / RTK;ground-based 3D laser scanning technology

工程土方量計(jì)算的精確性依賴于地形數(shù)據(jù)的精細(xì)程度與采用的計(jì)算模型[1]。為保障精度，常采用全站儀或GPS/RTK技術(shù)在工程現(xiàn)場實(shí)測。然而，這兩種技術(shù)都屬于單點(diǎn)定位技術(shù)，數(shù)據(jù)采集的效率不高，勞動(dòng)強(qiáng)度大。在復(fù)雜地形、地貌條件下，傳統(tǒng)測量技術(shù)受到極大的挑戰(zhàn)。近年來，一些工程將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于土方量計(jì)算中[2]，在海量三維數(shù)據(jù)支持下，恢復(fù)了精細(xì)的地表三維形態(tài)，在提升土方量計(jì)算精度的同時(shí)，還解決了不可達(dá)區(qū)域的數(shù)據(jù)采集問題，保障了工作人員安全，提高了自動(dòng)化作業(yè)水平。然而，地面三維激光掃描儀測量距離有限，地形復(fù)雜的區(qū)域還會(huì)因?yàn)榈匚锏南嗷フ趽醵斐刹杉^(qū)。這就需要多次設(shè)站，最后由拼接的數(shù)據(jù)恢復(fù)完整的地形地貌。為拼接多站點(diǎn)云，人們需要在相鄰站點(diǎn)內(nèi)設(shè)置標(biāo)靶作為拼接的連接點(diǎn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中的控制點(diǎn)[3]。另外，相比全站儀與GPS/RTK，三維激光掃描儀更為笨重[4]。儀器搬運(yùn)與安置、標(biāo)靶的設(shè)置、點(diǎn)云的拼接等問題使外業(yè)工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度不能得到有效降低，使新技術(shù)的效率優(yōu)勢不能得到較充分的發(fā)揮。

為提高作業(yè)的自動(dòng)化程度，發(fā)揮新技術(shù)優(yōu)勢，本文嘗試應(yīng)用移動(dòng)激光測量技術(shù)開展土方量快速測算，即依托車輛運(yùn)動(dòng)平臺，加快數(shù)據(jù)采集速度，免除了人工外業(yè)測量工作，進(jìn)一步降低勞動(dòng)強(qiáng)度。更為有益的是，在統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)下，移動(dòng)激光測量技術(shù)采集的數(shù)據(jù)不需要后期拼接。本文依據(jù)移動(dòng)激光測量技術(shù)的工作原理，結(jié)合一個(gè)項(xiàng)目實(shí)例，嘗試應(yīng)用移動(dòng)激光測量技術(shù)開展土方量測算，介紹了其技術(shù)要點(diǎn)，并與GPS/RTK技術(shù)、地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了比較，希望能對新技術(shù)的推廣有參考和借鑒作用。

1 移動(dòng)激光測量技術(shù)作業(yè)流程

移動(dòng)激光測量技術(shù)是將激光掃描、GNSS定位、IMU慣導(dǎo)系統(tǒng)、高分辨率相機(jī)等多種技術(shù)進(jìn)行集成，把激光掃描儀安置在移動(dòng)的車輛平臺上，通過車輛的運(yùn)動(dòng)，完成車輛沿線條帶數(shù)據(jù)的快速獲取。多種傳感器集成為一個(gè)系統(tǒng)，基于時(shí)間同步，應(yīng)用配套的數(shù)據(jù)處理軟件自動(dòng)化完成數(shù)據(jù)解算任務(wù)。不同于地面三維激光掃描技術(shù)，移動(dòng)激光測量系統(tǒng)采集的點(diǎn)云在統(tǒng)一的坐標(biāo)系之下，因此不需要拼接。另外，較高的車載平臺能有效地減少遮擋問題造成的測量盲區(qū)。移動(dòng)激光測量系統(tǒng)采集速度快，測量精度高，是快速高效建立三維空間模型的有力手段，已成功應(yīng)用于地形測繪、數(shù)字城市、道路交通工程、電力、林業(yè)等領(lǐng)域。

應(yīng)用移動(dòng)激光測量系統(tǒng)開展土方量測算的作業(yè)流程如圖1所示，主要包括作業(yè)前的準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、土方量計(jì)算四個(gè)步驟。

1.1 作業(yè)前的準(zhǔn)備

作業(yè)前的準(zhǔn)備主要包括測區(qū)資料收集、現(xiàn)場踏勘、制定作業(yè)方案、車輛與設(shè)備檢查等工作。需要收集的資料包括常規(guī)測量任務(wù)涉及的工程概況、技術(shù)任務(wù)書，周圍可用的測量控制點(diǎn)，測區(qū)已有的地形、影像等資料，而移動(dòng)激光測量技術(shù)更關(guān)注測區(qū)的真實(shí)情況，尤其是測區(qū)內(nèi)高程變化與通車條件。

在充分獲取測區(qū)及周邊情況后，可簡單地制定作業(yè)方案，包括車輛的行駛路徑、需要額外定點(diǎn)掃描的個(gè)別部位、掃描參數(shù)的設(shè)計(jì)以及車輛及設(shè)備檢查等工作。車輛的行駛路徑要求具備正常通車條件，并保證探測范圍能覆蓋整個(gè)測區(qū)，需要來回掃描的部位有一定的重疊區(qū)。將凸出周圍地面的正地貌（如土堆、土堆）和低于地表的負(fù)地貌（如坑穴、洼地等）作為重點(diǎn)部位，掃描車輛往返行駛或轉(zhuǎn)圈行駛，對于車輛通行不變的區(qū)域，可以在一側(cè)利用定點(diǎn)轉(zhuǎn)掃模式采集數(shù)據(jù)[5]，以確保沒有數(shù)據(jù)遺漏，采集的點(diǎn)云能復(fù)制真實(shí)的場景。

另外，還需要預(yù)設(shè)掃描參數(shù)，這要依據(jù)地形復(fù)雜程度和土方量計(jì)算的精度要求。主要參數(shù)包括激光發(fā)射點(diǎn)頻、線掃描頻率、車輛行駛速度、系統(tǒng)設(shè)備的安裝高度與方位等。要檢查車輛及設(shè)備，并進(jìn)行試掃。

1.2 數(shù)據(jù)采集

移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)采用已有控制點(diǎn)或GNSS基站的坐標(biāo)系統(tǒng)，也可新建一個(gè)工程坐標(biāo)系。在掃描之前，必須進(jìn)行系統(tǒng)初始化。一般采用靜態(tài)初始化過程以獲取一個(gè)高精度的GNSS初始位置。初始化過程中開啟系統(tǒng)，IMU慣導(dǎo)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)5min以上。然后，按照設(shè)計(jì)路線實(shí)施掃描，遇到前期未發(fā)現(xiàn)的可能數(shù)據(jù)采集盲區(qū)，可以根據(jù)地面通行條件靈活調(diào)整車輛行駛路線或調(diào)整作業(yè)模式進(jìn)行加測。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件，生成高精度的原始點(diǎn)云。移動(dòng)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理步驟主要包括去除噪聲、非地面點(diǎn)濾波、數(shù)據(jù)抽稀等，這些操作在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中完成。對于土方工程，點(diǎn)云抽稀時(shí)還要考慮土方量要求的精度，保留地面特征點(diǎn)。

1.4 土方量計(jì)算

經(jīng)過抽稀后的點(diǎn)云仍然保留了大量數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)入CASS計(jì)算軟件，使用常規(guī)方法計(jì)算土方量，也可以采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件中的土方計(jì)算模塊計(jì)算。主要方法有方格網(wǎng)法、等高線法、DTM法等[6]，常采用多種方法計(jì)算和復(fù)核。

2 工程實(shí)例

2.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于西安市長安區(qū)灤鎮(zhèn)街道，為省級重點(diǎn)示范鎮(zhèn)建設(shè)工程。地塊形狀不規(guī)則，最長處約為1.8 km，最窄處為0.6 km，總面積約為90萬m3。該地塊一側(cè)有圍墻，其余為開放式狀態(tài)，場地基本平整，最低高程為475 m，最高約為493 m，具備車輛通行條件，部分地表有垃圾和低矮植被覆蓋。場區(qū)內(nèi)有少量廢棄的水泥電線桿和樹木，對掃描點(diǎn)云不造成大的空洞，無須補(bǔ)測。

2.2 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場情況，使用越野車搭載掃描系統(tǒng)，激光掃描儀安裝高度（距地面）為2.1 m，激光發(fā)射平面與地面呈45°，掃描平面內(nèi)360°視場角內(nèi)采集數(shù)據(jù)。激光發(fā)射頻率為100 kHz。行車路線為一個(gè)不規(guī)則的閉合環(huán)，行車速度為5 km/s。GNSS接收機(jī)系統(tǒng)接入省級CORS系統(tǒng)，達(dá)到厘米級精度。包括初始化步驟，數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為40 min。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，經(jīng)過去噪、濾波、抽稀等基本處理過程后，點(diǎn)云最小間距為0.8 m，保留了原始地形特征，將這些點(diǎn)云用于下一步的土方量計(jì)算。

2.4 土方量計(jì)算

根據(jù)給定的測區(qū)邊界點(diǎn)對點(diǎn)云進(jìn)行裁減，對于剩余點(diǎn)云，構(gòu)建規(guī)則方格網(wǎng)和不規(guī)則三角網(wǎng)，如圖2所示。

根據(jù)場地平整要求的設(shè)計(jì)高程面，計(jì)算了挖土方量和填土方量。為了確保檢核的有效性，使用DTM和方格網(wǎng)兩種方法，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3 討論

本項(xiàng)目是使用移動(dòng)測量技術(shù)進(jìn)行土方量快速測算的一次嘗試，根據(jù)數(shù)據(jù)采集過程、數(shù)據(jù)質(zhì)量和自動(dòng)化水平，有必要總結(jié)新技術(shù)的優(yōu)勢與注意事項(xiàng)。

3.1 新技術(shù)優(yōu)勢

從采集時(shí)間來看，本工程的測區(qū)范圍較大，若使用GPS/RTK技術(shù)，需要測量兩天的時(shí)間。若使用地面三維激光掃描儀，需要轉(zhuǎn)站幾十次，最少需要4～5 h。使用移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)不足1 h。

從勞動(dòng)強(qiáng)度來看，GPS全野外實(shí)測，勞動(dòng)強(qiáng)度大，地面三維激光掃描儀主要?jiǎng)趧?dòng)集中在搬站上，由于儀器重達(dá)十幾千克，徒步行走4～5h仍然是比較大的勞動(dòng)力度。人們可以采用車載激光掃描儀，數(shù)據(jù)純自動(dòng)化采集，勞動(dòng)強(qiáng)度最低。

從數(shù)據(jù)處理流程來看，采用GPS采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)量少，導(dǎo)入CASS軟件后，設(shè)定方法，進(jìn)行必要的三角形刪除后，可很快計(jì)算出土方量的大小。但地形覆蓋面大，采樣點(diǎn)稀少，無法維持細(xì)部地形的完整性和準(zhǔn)確度。地面激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)最為精確，點(diǎn)云密集，有利于全面恢復(fù)真實(shí)的地形起伏，但需要進(jìn)行幾十個(gè)測站的拼接，需要專業(yè)的點(diǎn)云處理軟件。由于測區(qū)缺少顯著的特征點(diǎn)，人們需要將標(biāo)靶作為轉(zhuǎn)站的依據(jù)。其間需要在每一站上設(shè)立標(biāo)靶，降低了工作效率。點(diǎn)云的濾波和抽稀都需要專業(yè)的點(diǎn)云處理軟件，使用車載激光掃描系統(tǒng)省去了拼接的過程，加快了數(shù)據(jù)處理速度。

3.2 注意事項(xiàng)

移動(dòng)激光掃描系統(tǒng)的價(jià)格較高，但勞動(dòng)效率快，自動(dòng)化程度高。測區(qū)需要具備一定的行車環(huán)境，掃描時(shí)不能過于顛簸，這就要求測區(qū)范圍應(yīng)內(nèi)包含地面情況較好的通道。另外，即便經(jīng)過抽稀步驟，點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量對比GPS的測點(diǎn)密度依舊龐大。即便數(shù)據(jù)點(diǎn)格式完全兼容CASS軟件，但龐大的數(shù)據(jù)量使得土方量的計(jì)算最好在點(diǎn)云處理軟件中進(jìn)行。這就需要工作人員了解必要的軟件。目前，商用處理軟件操作簡單，易于學(xué)習(xí)，自動(dòng)化程度高。

4 結(jié)論

當(dāng)前，地面三維激光技術(shù)已成功應(yīng)用于土方量的計(jì)算中，但仍然需要搬站、拼接等工作。本文通過一個(gè)實(shí)例嘗試將移動(dòng)激光測量技術(shù)應(yīng)用于土方量的計(jì)算過程中，并介紹了具體的技術(shù)實(shí)施要點(diǎn)，分析了使用新技術(shù)的優(yōu)勢和注意事項(xiàng)。試驗(yàn)表明，應(yīng)用移動(dòng)激光測量系統(tǒng)不僅能獲取海量的高精度地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還提高了數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理水平，顯著提高了勞動(dòng)效率，降低了作業(yè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化的技術(shù)優(yōu)勢。總之，移動(dòng)激光測量技術(shù)適用于測區(qū)面積大、行車路徑相對平整、地面硬度高的區(qū)域。

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