應用移動激光掃描測量技術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，本文將移動激光測量技術應用于土方測量。本文基于移動激光測量系統的測量原理，介紹了應用其開展土方量測算的技術要點，結合工程實例，探討了采用此項新技術實施土方測量的可行性，并與GPS/RTK技術、地面三維激光掃描技術進行對比，說明了利用移動激光測量技術開展土方量測算的適用范圍和技術優勢，以期為今后開展相似的工程應用提供借鑒。

關鍵詞：移動激光測量技術;土方測量;GPS/RTK;地面三維激光掃描技術

中圖分類號：P234.4文獻標識碼：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

工程土方量計算的精確性依賴于地形數據的精細程度與采用的計算模型[1]。為保障精度，常采用全站儀或GPS/RTK技術在工程現場實測。然而，這兩種技術都屬于單點定位技術，數據采集的效率不高，勞動強度大。在復雜地形、地貌條件下，傳統測量技術受到極大的挑戰。近年來，一些工程將三維激光掃描技術應用于土方量計算中[2]，在海量三維數據支持下，恢復了精細的地表三維形態，在提升土方量計算精度的同時，還解決了不可達區域的數據采集問題，保障了工作人員安全，提高了自動化作業水平。然而，地面三維激光掃描儀測量距離有限，地形復雜的區域還會因為地物的相互遮擋而造成采集盲區。這就需要多次設站，最后由拼接的數據恢復完整的地形地貌。為拼接多站點云，人們需要在相鄰站點內設置標靶作為拼接的連接點和坐標轉換中的控制點[3]。另外，相比全站儀與GPS/RTK，三維激光掃描儀更為笨重[4]。儀器搬運與安置、標靶的設置、點云的拼接等問題使外業工作人員的勞動強度不能得到有效降低，使新技術的效率優勢不能得到較充分的發揮。

為提高作業的自動化程度，發揮新技術優勢，本文嘗試應用移動激光測量技術開展土方量快速測算，即依托車輛運動平臺，加快數據采集速度，免除了人工外業測量工作，進一步降低勞動強度。更為有益的是，在統一的坐標系統下，移動激光測量技術采集的數據不需要后期拼接。本文依據移動激光測量技術的工作原理，結合一個項目實例，嘗試應用移動激光測量技術開展土方量測算，介紹了其技術要點，并與GPS/RTK技術、地面三維激光掃描技術進行了比較，希望能對新技術的推廣有參考和借鑒作用。

1 移動激光測量技術作業流程

移動激光測量技術是將激光掃描、GNSS定位、IMU慣導系統、高分辨率相機等多種技術進行集成，把激光掃描儀安置在移動的車輛平臺上，通過車輛的運動，完成車輛沿線條帶數據的快速獲取。多種傳感器集成為一個系統，基于時間同步，應用配套的數據處理軟件自動化完成數據解算任務。不同于地面三維激光掃描技術，移動激光測量系統采集的點云在統一的坐標系之下，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。移動激光測量系統采集速度快，測量精度高，是快速高效建立三維空間模型的有力手段，已成功應用于地形測繪、數字城市、道路交通工程、電力、林業等領域。

應用移動激光測量系統開展土方量測算的作業流程如圖1所示，主要包括作業前的準備、數據采集、數據預處理、土方量計算四個步驟。

1.1 作業前的準備

作業前的準備主要包括測區資料收集、現場踏勘、制定作業方案、車輛與設備檢查等工作。需要收集的資料包括常規測量任務涉及的工程概況、技術任務書，周圍可用的測量控制點，測區已有的地形、影像等資料，而移動激光測量技術更關注測區的真實情況，尤其是測區內高程變化與通車條件。

在充分獲取測區及周邊情況后，可簡單地制定作業方案，包括車輛的行駛路徑、需要額外定點掃描的個別部位、掃描參數的設計以及車輛及設備檢查等工作。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測區，需要來回掃描的部位有一定的重疊區。將凸出周圍地面的正地貌（如土堆、土堆）和低于地表的負地貌（如坑穴、洼地等）作為重點部位，掃描車輛往返行駛或轉圈行駛，對于車輛通行不變的區域，可以在一側利用定點轉掃模式采集數據[5]，以確保沒有數據遺漏，采集的點云能復制真實的場景。

另外，還需要預設掃描參數，這要依據地形復雜程度和土方量計算的精度要求。主要參數包括激光發射點頻、線掃描頻率、車輛行駛速度、系統設備的安裝高度與方位等。要檢查車輛及設備，并進行試掃。

1.2 數據采集

移動激光掃描系統采集的數據采用已有控制點或GNSS基站的坐標系統，也可新建一個工程坐標系。在掃描之前，必須進行系統初始化。一般采用靜態初始化過程以獲取一個高精度的GNSS初始位置。初始化過程中開啟系統，IMU慣導裝置處于靜止狀態5min以上。然后，按照設計路線實施掃描，遇到前期未發現的可能數據采集盲區，可以根據地面通行條件靈活調整車輛行駛路線或調整作業模式進行加測。

1.3 數據預處理

數據采集結束后，將數據導入數據處理軟件，生成高精度的原始點云。移動激光點云數據預處理步驟主要包括去除噪聲、非地面點濾波、數據抽稀等，這些操作在點云數據處理軟件中完成。對于土方工程，點云抽稀時還要考慮土方量要求的精度，保留地面特征點。

1.4 土方量計算

經過抽稀后的點云仍然保留了大量數據，可以導入CASS計算軟件，使用常規方法計算土方量，也可以采用點云數據處理軟件中的土方計算模塊計算。主要方法有方格網法、等高線法、DTM法等[6]，常采用多種方法計算和復核。

2 工程實例

2.1 項目概況

本項目位于西安市長安區灤鎮街道，為省級重點示范鎮建設工程。地塊形狀不規則，最長處約為1.8 km，最窄處為0.6 km，總面積約為90萬m3。該地塊一側有圍墻，其余為開放式狀態，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。場區內有少量廢棄的水泥電線桿和樹木，對掃描點云不造成大的空洞，無須補測。

2.2 數據采集

根據現場情況，使用越野車搭載掃描系統，激光掃描儀安裝高度（距地面）為2.1 m，激光發射平面與地面呈45°，掃描平面內360°視場角內采集數據。激光發射頻率為100 kHz。行車路線為一個不規則的閉合環，行車速度為5 km/s。GNSS接收機系統接入省級CORS系統，達到厘米級精度。包括初始化步驟，數據采集時間約為40 min。

2.3 數據預處理

原始點云數據量龐大，經過去噪、濾波、抽稀等基本處理過程后，點云最小間距為0.8 m，保留了原始地形特征，將這些點云用于下一步的土方量計算。

2.4 土方量計算

根據給定的測區邊界點對點云進行裁減，對于剩余點云，構建規則方格網和不規則三角網，如圖2所示。

根據場地平整要求的設計高程面，計算了挖土方量和填土方量。為了確保檢核的有效性，使用DTM和方格網兩種方法，計算結果如表1所示。

3 討論

本項目是使用移動測量技術進行土方量快速測算的一次嘗試，根據數據采集過程、數據質量和自動化水平，有必要總結新技術的優勢與注意事項。

3.1 新技術優勢

從采集時間來看，本工程的測區范圍較大，若使用GPS/RTK技術，需要測量兩天的時間。若使用地面三維激光掃描儀，需要轉站幾十次，最少需要4～5 h。使用移動激光掃描系統不足1 h。

從勞動強度來看，GPS全野外實測，勞動強度大，地面三維激光掃描儀主要勞動集中在搬站上，由于儀器重達十幾千克，徒步行走4～5h仍然是比較大的勞動力度。人們可以采用車載激光掃描儀，數據純自動化采集，勞動強度最低。

從數據處理流程來看，采用GPS采集的數據點數據量少，導入CASS軟件后，設定方法，進行必要的三角形刪除后，可很快計算出土方量的大小。但地形覆蓋面大，采樣點稀少，無法維持細部地形的完整性和準確度。地面激光掃描儀采集的數據點最為精確，點云密集，有利于全面恢復真實的地形起伏，但需要進行幾十個測站的拼接，需要專業的點云處理軟件。由于測區缺少顯著的特征點，人們需要將標靶作為轉站的依據。其間需要在每一站上設立標靶，降低了工作效率。點云的濾波和抽稀都需要專業的點云處理軟件，使用車載激光掃描系統省去了拼接的過程，加快了數據處理速度。

3.2 注意事項

移動激光掃描系統的價格較高，但勞動效率快，自動化程度高。測區需要具備一定的行車環境，掃描時不能過于顛簸，這就要求測區范圍應內包含地面情況較好的通道。另外，即便經過抽稀步驟，點云的數據量對比GPS的測點密度依舊龐大。即便數據點格式完全兼容CASS軟件，但龐大的數據量使得土方量的計算最好在點云處理軟件中進行。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，易于學習，自動化程度高。

4 結論

當前，地面三維激光技術已成功應用于土方量的計算中，但仍然需要搬站、拼接等工作。本文通過一個實例嘗試將移動激光測量技術應用于土方量的計算過程中，并介紹了具體的技術實施要點，分析了使用新技術的優勢和注意事項。試驗表明，應用移動激光測量系統不僅能獲取海量的高精度地形點云數據，還提高了數據的自動化處理水平，顯著提高了勞動效率，降低了作業員的勞動強度，體現了數據處理自動化的技術優勢?？傊苿蛹す鉁y量技術適用于測區面積大、行車路徑相對平整、地面硬度高的區域。

參考文獻：

[1]林文.斷面數據土方量計算方法研究[J].地礦測繪，2010（1）：39-41.

[2]袁鳳祥，秦巖賓，安家瑞.三維激光掃描技術在土石方量測量中的應用[J].測繪工程，2016（9）：55-58.

[3]朱凌.地面三維激光掃描標靶研究[J].激光雜志，2008（1）：35-37.

[4]丁建闖，閆方方，盧璐.地面三維激光掃描技術在古建筑變形監測中的應用研究[J].礦山測量，2017（5）：24-27.

[5]薛效斌，錢星，馬寧.基于車載三維激光掃描的地形圖數據采集的研究[J].北京測繪，2014（1）：88-90.

[6]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）：68-70.