三维激光扫描在土石方量精计算中的应用

冯晓刚，刘明星，撒利伟，杨 鑫，李 萌

（1.西安建筑科技大学 建筑学院 建筑勘测研究所，陕西 西安710055）

三维激光扫描在土石方量精计算中的应用

冯晓刚1，刘明星1，撒利伟1，杨 鑫1，李 萌1

（1.西安建筑科技大学 建筑学院 建筑勘测研究所，陕西 西安710055）

探讨了三维激光扫描技术在土石方量精确计算中的应用，主要包括方案设计、前期组织、外业施测到内业成果计算与提交的整个过程。并通过实际项目案例予以验证，以期为三维激光扫描技术在土石方量精计算中的应用提供参考。

地面三维激光扫描；土石方量；精计算

1 三维激光测量原理

传统的土石方量外业施测多以水准测量方法、全站仪方法或者GPS RTK方法为主[1]。且都是通过在测区选择高低不同的特征点进行实地测量并记录以达到外业测量的目的，内业计算通常借助相关计算软件，以外业实测离散点坐标为基础，通过建立相关土方计算模型以达到计算土石方量的目的，多采用诸如断面法、方格网法、等高线法、平均高程法、区域土方量平衡法、不规则三角网法中的一种或者几种[2]。由于获取原始数据均以研究区域特征离散点为基础，因此，最终计算土石方量的精度往往取决于获取研究区原始区域特征点位的精度及点位的密度等。由于研究区域土石方堆积表面形状的复杂性，及实际测量特征离散点个数的有限性，致使以线性内插为基础的土石方计算模型获得结果与实际土石方量有差异[3]。一般情况下，土石方量越大，两者之间的差异也越大。而三维激光扫描技术的出现，为解决上述难题开辟了一条崭新的途径。三维激光扫描技术又称实景复制技术（HDS），是当今最先进的测量技术手段之一[4-8]，国内外众多学者已经开始尝试用该技术进行土方测量[6-8]。

三维激光扫描仪主要包括1台高速精确的激光测距系统、1组引导激光反射并以均匀角速度扫描的反射棱镜、水平方位角偏转控制器、高度角偏转控制器、数据输出处理器，部分仪器还具有内置的数码相机。三维激光扫描仪发射器发射一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P到扫描仪的距离s，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向、纵向扫描角度观测值α、β。三维激光扫描一般为仪器自定义坐标系，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，并一起构成右手坐标系（如图1）。P点坐标为[9]：

图1 地面三维激光扫描系统的定位原理

2 土石方量计算模型

本文以三维激光扫描获取的高分辨率海量点云数据为基础，基于移动拟合法，采用逐点内插的思路构建不规则三角网（TIN）模型，在充分考虑DEM空间分辨率的基础上精确刻画该研究区域的地表形态。基于ArcGIS的地形处理模块，利用构建的高精度TIN模型进行研究区域土石方量的精确计算及精度评价。

3 应用实例分析

3.1 研究区概况

研究区域为某一商品房建设工地，面积约3 300 m2，地形起伏较大，有坡地、凹坑及堆土等。根据甲方要求需要提供项目区域内精确的土石方量大小，基于此，该项目采用Leica C10三维激光扫描仪获取项目区高精度土石方量数据，同时，采用GPS RTK技术进行结果验证。

3.2 方案与前期设计

首先需要根据现场实际情况，制作扫描规划草图，主要包括外业操作人员、扫描区域和时间、设站位置、标靶位置等；其次，为了方便后期拼接和避免重复扫描，需要科学设站并确保两站标靶通视；最后规范设置标靶位置，除了要求标靶摆设稳固、不能共线外，最好设置在两测站公共空间最大的距离处，以保证不同站点点云数据的拼接精度。

3.3 控制网的建立

由于扫描仪获取的数据是以仪器为中心的站心坐标系，为了使扫描数据与甲方提供的已知控制点地理空间坐标系一致，就需要建立施测控制网。施测控制网的建立方法可以借鉴导线控制测量的思路。控制点布设完毕后，借助全站仪获取各控制点地理坐标。本项目根据现场情况，共设置3个控制点。

3.4 施测过程

将三维激光扫描仪安置在1号测站点上，经对中整平后，将专用标靶架设在邻近的已知控制点A上作为后视点定向。当定向精度满足工程需要后，直接将定向结果应用到本次扫描过程。接下来分别设置扫描的分辨率、点间隔和纹理数据库采集的曝光度，以获取扫描区域的影像和标靶影像。本次扫描分辨率设置为5 cm×5 cm，设置完成后开始测站扫描，扫描完成后开始标靶扫描。标靶扫描最好遵循由远及近或者由近及远的顺序，同时，务必保证同一标靶在不同扫描测站中编号一致。扫描完一个测站后，可通过查看功能直接检查本测站扫描结果是否合乎精度要求，若满足要求，再行搬站。

与此同时，利用GPS RTK技术每隔0.5 m进行研究区域有限点坐标的采集，数据采集完毕，将获取的数据导入CASS9.0，在构建TIN模型的基础上，绘制测区等高线图，并基于等高线进行土石方量的计算。

3.5 点云数据的处理

由于外业测量过程中外界因素的干扰，使得实测点云数据产生噪声，噪声数据的存在会降低模型的计算精度，因此必须剔除。常见的剔除手段包括计算机设置阈值自动剔除和人工手动删除2种。本项目采用人工手动删除的方式，能够很容易达到剔除噪声的目的，从而保证点云数据的准确性。

基于此，利用已知控制点与标靶坐标数据进行基于已知控制点的点云数据拼接，并检查拼接精度是否满足内业处理精度要求。再经数据冻结等操作，并导出文本格式。

3.6 土石方量的计算结果

1）计算模型。本文利用TIN进行土石方量计算。TIN计算原理是通过建立三角网计算每一个三棱锥柱的填挖方量，然后把每个三棱锥的方量累加，从而获得研究区域内的填方量和挖方量。根据三角形各角点填挖高度的不同，可将每个参与计算的三角形分为全填全挖及有填有挖2种[2]。

2）土石方计算结果。将经过拼接后的点云数据进行抽稀，导出为文本格式，在ArcGIS中的ARC环境下生成TIN模型，结果见图2。在ArcScene环境下打开构建的TIN模型，利用3D Analyst模块中的Surface Analyst下的Area and Volume Statistics 功能，以参考高程390.685 m为基准，分别计算该参考面上的填方量和挖方量，结果见图3，计算土方量总面积3 351.85 m2；地表土挖方方量10 010.85 m3；地表土填方方量47.95 m3。

图2 基于点数据构建的TIN模型

3.7 结果与分析

本项目外业实测中点采样间隔为5 cm，抽稀后为20 cm，利用TIN拟合地表三维模型，可认为该模型能够完全反映真实的地表起伏状态，因此，基于该三维模型计算的地表土方量可认为误差小至忽略不计。同时，为了比较常规GPS采用动态RTK模式测量土方量的精度，外业采用RTK方法获取测绘区域地貌特征点，累计获取1 380个碎部点数据，利用CASS9.0软件中土方计算功能，在进行异常点剔除、计算边界界定及基准标高确定（h=390.685）等工作后，同样采用0.2 m间隔基于方格网法计算土石方量，计算结果为：计算土方量总面积3 351.85 m2；地表土挖方方量9 980.3 m3；地表土填方方量46.16 m3。

对比分析发现，挖方量相差30.55 m3，占总挖方量的0.3%，填方量相差1.79 m3，占总填方量的3.7%。原因在于原始地貌形态破碎度大，三维激光扫描仪能够完整地记录这种地貌的破碎形态，而传统单点测绘的方法无法完整地记录地貌的起伏状况，且只能通过实测特征点及特征点加密的方法尽可能详尽地表达地貌的原始形态。因此，传统的单点测绘无法完整地表达地貌的原始形态，其计算结果只能根据实测点数的多少无限地接近真实值。然而三维激光扫描技术克服了这一技术缺陷，能达到近乎零误差的地步。

图3 计算结果

[1] Du J C,Teng H C.3D Laser Scanning and GPS Technology for Landslide Earthwork Volume Estimation[J].Automation in Construction,2007(16):657-663

[2] 李滨,冉磊,程承旗.三维激光扫描技术应用于土石方工程的研究[J].测绘通报,2012(10):62-64

[3] 王京卫,丁宁,赵同龙.场地平整中土石方量计算的三维可视化方法[J].测绘工程,2006(6):15-19

[4] 王解先,侯东亚,段兵兵.三维激光扫描仪在堆积物体积计算中的应用[J].测绘通报,2013(7):54-56

[5] 胡奎.三维激光扫描在土方计算中的应用[J].矿山测量,2013(1):70-72

[6] 刘思宇.基于三维扫描的土石方计算研究[J].河南科技, 2013(8):13-14

[7] 孟志义.激光扫描技术在土方量计算中的应用及精度分析[J].北京测绘,2012(4):64-66

[8] 刘昌军,丁留谦,孙东亚.三星堆月亮湾城墙遗址覆土方量计算[J].水利水电科技进展,2011(2):81-84

[9] 郭超,牛雪峰,梁振兴,等.三维激光扫描技术在土方量计算中的应用[J].数字技术与应用,2013(1):85-86

P237.9

B

1672-4623（2015）04-0049-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.018

冯晓刚，讲师，主要从事全息化古遗址保护与环境遥感方面的研究。

2014-05-19。

项目来源：陕西省自然科学基金青年人才基金资助项目（2013JQ5011）；陕西省教育厅专项基金资助项目（11KJ0756）；西安建筑科技大学人才基金资助项目（RC1214）。