基于Cesium的工程土方量計算與展示系統設計與實現

李 藝，張大富（通訊作者），劉宣廣，范俊甫

（山東理工大學建筑工程學院 山東 淄博 255049）

1 引言

精準計算工程土方量對于工程造價與施工進度的準確估算具有重要意義[1]。很多學者針對土方量計算與優化方法開展了研究。黃遠祥等[2]在Revit土方平衡的基礎上，通過采用根據項目實際情況對特殊地塊進行特殊分區的方法替換方格網分區方法，提升了計算精度和計算效率；根據施工工藝水準優化了平整場地的誤差區間設置，提升了計算結果與現場的符合程度，使結果更接近現實數據。傳統土方計算方式難以滿足施工階段高效展示的要求，不能可視化反饋與校核施工現場的土方量情況，也不利于對施工工期和施工成本的控制，土方計算的效率與系統平臺的可視化展示能力亟待改進與提升[3]。針對這一問題，目前有學者將GIS系統應用于土方量的計算中，以提高展示的效果和效率。趙瑞將ArcGIS應用在土方量計算中，通過對研究區土方填挖量進行計算，證明了利用ArcGIS進行土方量計算具有操作簡單、精度高、速度快的優點，并且可以實現三維可視化[4]。隨著網絡技術的快速發展，預計輕量級3D地理場景可視化系統將在基于WebGIS中發揮更大的作用[5]。Cesium是三維空間數據可視化表達的重要平臺，是一種輕量級的開源WebGIS開發框架，其開發簡單、支持多種地圖格式的優點使其應用越來越廣泛[6]。目前在使用Cesium平臺計算土方量的研究和算法優化方面研究較少。此外，現行土方計算數據來源大多是通過DEM等傳統測量的方法，過程繁瑣且精度低，通過增加點位來提高精度又會使測量工作大幅增加，在不同軟件加載DEM時，不同地形下DEM的精度也不同。地面三維掃描技術是一種新型的測量方法，該方法利用三維激光掃描儀采用非接觸式激光掃描測量，可以實時化、動態化、智能化、全景化、高精度地采集空間點位信息，快速建立物體的三維影像模型[7]。相較于傳統測量高程點的作業模式，克服了離散單點采集的局限性，采樣率高，提高了作業效率。尤其是地形復雜的地區，更能發揮其自身的優勢。

本文通過三維激光掃描內蒙古境內錫林郭勒盟西二礦的兩組點云數據為基礎，在Cesium平臺上實現點云數據的三維展示，并進行土方量計算，達到能直觀展現出挖方區域挖方情況地形、提高展示效果的目的。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究區數據獲取

西二礦地處內蒙古高原中東部，大興安嶺西延的北坡，東接包饒勒吉音塔拉，北鄰溫都爾包日勒吉，經緯度43°56′N～43°59′N，115°53′E～115°58′E，如圖1所示。地形相對平坦，整體以高原為主體，兼并丘陵，草原多個地貌單元，地形傾斜方向為從西南到東北，海拔在970.00～1 326.60 m之間，相對高程之差為356.60 m。

圖1 西二礦地區遙感圖像

在采集數據之前，先對研究區域所處地形地況進行勘察，以確定三維激光掃描儀的架站位置。確定架站位置時，首先要保證點采集的數據能完整地記錄測量區域；其次是要盡量使架站次數少，通過減少數據量來提高采集效率。

2.2 數據處理與發布

本次實驗所用數據為文本格式的三維激光掃描數據，分別為2019年4月3日的挖方前數據和2019年5月18日的挖方后數據。兩組數據記錄了研究區域各點位的三維坐標值。因通過掃描設備獲取的點云僅包含三維坐標，是無明顯拓撲關系的、紊亂的數據，為使數據能準確地在Cesium平臺上加載，需進行一系列數據處理，包括數據預處理、點云切割、噪聲點及覆蓋物剔除、數據重采樣、點云數據轉換、導出等幾個步驟。最后需將數據的原始格式TXT格式點云數據經CloudCompare軟件轉換為LAS格式數據集，再利用CesiumLab軟件選用西安80坐標系、設置空間參考，轉換成能在Cesium上加載的瓦片數據格式。經過軟件簡單的預處理，即可提供被測對象的三維幾何模型。

2.3 系統設計

本系統設計按照操作步驟劃分為四個層次，第一個層次是數據處理，通過三維激光掃描內蒙古境內錫林郭勒盟西二礦的兩組點云數據為基礎，對該數據進行預處理、點云裁切、噪聲點及覆蓋物剔除、數據重采樣、點云數據轉換、導出等操作，最終轉換成能在Cesium上加載的、真實的、清晰的瓦片數據格式，實現點云數據的三維展示和計算土方量直觀地展現出挖方區域的填挖方情況。第二個層次是服務發布，選擇合適的地圖服務發布方式發布本地數據。第三層次是土方量的計算，獲取數據的URL，通過VS Code軟件編寫腳本，指定Cesium訪問路徑，在Cesium上展示研究區域的地形影像并進行土方量的計算。第四個層次是分析與結論，將Cesium顯示的土方量結果與使用ArcGIS進行土方計算的結果進行對比，分析本次設計的土方計算系統的精確度和產生誤差的原因，提出改進方法并得到結論。

3 土方量計算方法

土方量計算是土方工程施工組織設計中的重要內容，求取在研究區域范圍內自然地面與設計地面實測標高之間挖或填的土方體積。最常用的幾種方法就是等高線法、方格網法、DTM法、斷面法以及基于DEM的計算法等。考慮到基于DEM的計算法用于各種地形地貌，具有較高的計算精度，故本次土方量計算基于DEM。

在Cesiumlab平臺上加載點云數據時，Cesium系統可自動識別各個點的三維坐標（X，Y，Z），并對點云數據的影像進行立體展示。

由于兩次數據的點位不同，不可直接通過兩者作差求得高程變化量，需引入一個假定基準面（假定基準面的高程需小于等于兩組數據的最低高程值），分別對兩組點云數據進行計算。按照公式（1）計算各個分塊的體積。

公式中S為底面積，h為各點到基準面的Z坐標差值。由于挖方區域的地勢不是平面，故引入微元法的思想，將研究區域劃分為一塊塊不規則三角形，如此，每個分部的表面積近似為平面，按照三角形面積公式可求得S，高度則是通過內插求得，再將各個分塊的體積進行累加，總體積即可求得。按照這個方法再對第二組數據進行計算求得總體積，兩次體積差值即為最終土方量結果。

土方量計算系統建成后，直接于編輯器終端輸入http-server即可建立服務器。復制服務器地址在瀏覽器中打開，進行第一組數據影像加載，再繪制分析區域，加載挖方后的點云圖像，系統會自動分析計算該區域的體積，并顯示土方體積。點擊“挖方后影像”，自動加載挖方后的點云圖像，對第二組數據重復進行影像加載過程，即可計算挖方后的體積值，如圖2所示。

圖2 計算挖方后體積

當完成兩次體積計算后，系統會自動將兩次計算結果作差，取結果絕對值，此結果即為最終要求的土方量。計算結果表明，通過Cesium平臺，可以快速準確地進行土方計算，對于土地整平工作具有重要指導意義，能夠為施工方案的制定提供理論依據。

4 分析與結論

將Cesium平臺對研究區域進行土方量計算結果與使用ArcGIS計算的土方量結果進行對比分析，對該土方計算系統的準確度做一個評估。計算結果對比如表1所示。

表1 ArcGIS計算結果與該土方計算系統計算結果對比表

由表1可知，本次實驗設計的土方計算系統與ArcGIS計算差值在2.813%，符合《城市測量規范》中土石方測量章節中兩次土方量計算較差百分比需在3%以內的要求，滿足精度要求。誤差產生的原因為本實驗未對原始點云數據進行分類等處理，在Cesium上加載地形和點云數據時，有些區域點云數據稀疏或是缺失，會使系統按地形高度進行計算，因此造成計算誤差。

本文將西二礦的三維激光掃描的實時數據，通過Cesium平臺三維立體地展現挖方前后的在變化，并開發土方計算系統，完成土方量計算。WebGIS與傳統GIS相比，與網絡技術聯系更為密切。首次將Cesium平臺應用到土方計算中，利用Cesium平臺的優勢對土方量計算進行優化，不僅提升了計算的速度，而且實現了土方影像立體展示的可視化，拓寬了Cesium平臺的應用領域和實用價值，切實可行地為土方計算的創新提供了新的技術支持。