Riegl LMS-Z420i三维激光扫描测量系统在土石方测量中的应用

孙亚廷（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100）



Riegl LMS-Z420i三维激光扫描测量系统在土石方测量中的应用

孙亚廷
（中国建筑材料工业地质勘查中心山东总队，山东 济南 250100）

【摘 要】目前，传统的模拟测绘方式逐渐被数字化、信息化测绘方式所代替，先进的测绘仪器和技术以同时满足测绘产品的数据采集效率与精度为目标，三维激光扫描测量系统正是应此趋势出现的产品之一。在效率上，三维激光扫描仪扫描速度可达数万点/s；在精度上，通过对采集的海量点云数据的处理和分析，能直观、真实的显示出测区地形，得到精密的数字高程模型。通过Riegl LMS-Z420i三维激光扫描仪测量系统在项目中的实际应用，探讨了三维激光扫描仪在土石方测量中的技术优势及其发展前景。

【关键词】三维激光扫描；点云；土石方

1　引言

地面三维激光扫描测量技术是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术突破，它使测绘数据的获取与处理方法及测绘行业的服务水平等进入了新的发展阶段[1]。作为非接触式测量，三维激光测量具有数据获取速度快、实时性强、数据密度大、数据精度高、安全性高等特点，具有常规测量技术所不具备的巨大优势，这使得三维激光测量系统应用于很多工程，例如建筑物的变形监测、三维模型构建和修缮、特殊区域的地形数据采集等[2-6]。

传统的土石方测量计算，就是运用经纬仪、水准仪、全站仪和GPS-RTK等仪器设备测量自然地貌，根据规划设计高程和范围，采用断面法、网格法、三角网法等，建立数据基础模型计算土石方量。然而对于地形复杂破碎、坡坎纵横、不规则的区域，这种以碎部点为主的测量方法得出的土石方量必然和实际情况有一定的出入，造成工程项目投资预算的不准确，损害投资方和施工方的经济利益。综上所述，本文以Riegl LMS-Z420i三维激光扫描测量系统在工程中的实际应用为例，阐述三维激光扫描技术在工程土石方测量中的优势。

2　Riegl LMS-Z420i三维激光扫描测量系统

2.1 技术特点

Riegl LMS-Z420i三维激光测量系统采用非接触式快速获取数据的脉冲扫描机制原理，最高扫描速度为24 000万点/s，测距精度可达±4mm，点位精度可达4mm，该仪器最远扫描距离为1 000m，可水平360°，垂直±40°全景粗略扫描，配合数码全景照相机，可以获取扫描点云的纹理信息。该仪器具有独特的多回波功能，配合内业处理软件，可以基本实现植被和非地面点地物的自动去除，在有植被覆盖及非地面点地物较多区域的测量数据的获取方面，该功能具有明显优势。配合GPS定位系统的应用，使得三维激光扫描技术的应用范围更加广阔，与工程的结合更加紧密，近一步提高了测量数据的准确性。详细的技术参数如图1所示。

图1　Riegl LMS-Z420i三维激光扫描仪技术参数

2.2 系统组成及工作原理

Riegl LMS-Z420i三维激光扫描仪由三维激光扫描仪直接与数码相机、GPS定位装置、升降台、旋转平台、应用软件以及其他附件结合组成。

三维激光扫描测量技术集成了激光测距系统和激光测角系统，采用脉冲式测量，可以主动发射激光并接收自然物体的反射信号，通过内置的探测装置接收该反射信号，利用计算得出的发射和接收时刻的时间差，得出反射点P到仪器中心的斜距S，同时获取此激光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ。

三维激光扫描仪的三维坐标计算原理是极坐标法(见图2)。其坐标原点为扫描仪的激光脉冲发射中心，Z轴为仪器的竖轴，Y轴为扫描默认起始方位，X轴垂直于Y、X轴构成空间直角坐标系，通过这种关系根据点空间直角坐标系的计算原理即可得出以扫描仪中心为原点的反射物P的三维坐标(X,Y,Z)，具体公式为：

图2　扫描仪三维坐标计算原理示意图

3　应用实例

3.1 作业流程

作业流程见图3。

图3　作业流程示意图

3.2 扫描计划的制定

根据测区的地形状况，本次外业作业测站和标靶均匀分布于测区内，共架设18站扫描站，确保无盲区，并将现场完整扫描下来，每个扫描站均使用专业的高精度反射标靶来进行精确定向，单站扫描时间为2′55″。

3.3 外业数据采集

在进行实际测量作业前，先进行部分试测，现场分析采集到的数据是否满足规范要求，进行初步的质量分析和控制。当试测的数据满足要求后，方可进一步作业。每站在进行点云数据采集的同时，利用高精度GPS精确获取测站点和反射标靶的坐标，以便在进行后续的内业处理时能将扫描点和当地坐标进行精确匹配。采集到的部分GPS测站点和相关反射标靶的坐标数据如图4所示。

图4　测站点和坐标数据

3.4 内业数据处理

(1) 点云数据的拼接和坐标转换。

由于18个测站所采集的点云数据均是以扫描仪自身为坐标原点的独立坐标系，即扫描仪自身测量坐标系，18个测站的点云数据坐标是互不相关的，因此扫描数据采集完毕后，还需要通过与扫描仪配套的Riscan PRO软件对点云数据进行拼接与坐标转换[7]。通过拼接和坐标转换后镶嵌到测区内，如图5所示。

图5　通过拼接和坐标转换后镶嵌到测区的点云数据

(2) 多余数据的删除和滤波处理。

扫描点云的数据量比较大，总测点数达到了25 326 054个，将测区范围外的多余数据删除，并通过Riscan PRO软件自动剔除测区范围内的噪点，保留可用的测区扫描点云如图6所示，其中包括测量点数为：1 770 665个，删除率达到了93%。

图6　数据删除后剩余点云数据

为验证三维激光扫描仪所采集的点云数据的精度是否达到了要求，在测区内使用全站仪均匀随机的采集碎部点(见图7)，并将全站仪所测的测区内检测点和检查点最邻近的扫描点进行比对，对比结果见图8。

图7　全站仪采集检查点

图8　检查点和扫描点对比结果

为进一步减少数据的计算量，将测区范围内的扫描点云进行0.5m格网抽稀，最后该区域存有点的数量为：127 459个，仅占最初采集总点数的0.5%，抽稀后的点云数据以及利用这些数据生成的三角网见图9。

将设计中的标高导入到Riscan PRO软件里，生成标高平面(图中网状面表示标高)见图10，并分别计算测区内的土石方填挖方量，最终得出测区共需挖方73 132.509m3，填方513.850m3。该工程通过最后的施工验收，测量成果满足工程需要，数据精度达到了规范要求。

图9　剩余点云数据和三角网

图10　生成的标高平面

4　结语

通过三维激光扫描在土石方测量中的应用实例，得出以下几点结论：

(1) 三维激光扫描技术作业效率远高于传统测量方法，并且所得数据能更为准确的反应出测区的实际地表情况。

(2) 以现有的三维激光扫描技术能够达到土石方测量的精度要求，在地形复杂，特别是不规则的测区内有很大的应用前景。

(3) 现有的激光扫描仪器测量距离和云数据处理仍是限制其应用的最大制约因素，这也将是以后三维激光扫描测量系统研究的必然方向。

【参考文献】

[1]徐进军,张民伟.地面三维激光扫描仪:现状与发展[J].测绘通报,2007(1):47-50．

[2]毛方儒,王磊.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术,2005, 25(2):1-6．

[3]丁延辉,汤羽扬,周克勤,等.基于地面三维激光技术的建筑物变形监测研究[J].北京测绘,2011(2):4-6．

[4]路兴昌,张艳红.基于三维激光扫描的空间地物建模[J].吉林大学学报(地球科学版),2008,38(1):167-171．

[5]刘旭春,丁延辉.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].测绘工程,2006,15(1):48-49．

[6]陈冉丽,吴侃.三维激光扫描用于获取开采沉陷盆地研究[J].测绘工程,2012,21(3):67-70．

[7]白立飞,潘宝玉,张兰.三维激光扫描技术在数字矿山领域的应用[J].山东国土资源,2013,29(8):43-46．

【其 他】

Application of Riegl LMS-Z420i 3D Laser Scanning Measurement System on Earthwork Volume Measurement

SUN Ya-ting
(Shandong Branch of China National Geological Exploration Center of Building Materials Indusrty, Jinan 250100, China)

Abstract:Currently, the traditional analogical style is gradually being replaced by digital and informatization style, advanced surveying instruments and technology mapping products to meet the efficiency and accuracy of data collection for the purpose, 3D laser scanning measurement systemis the one of them. In effect, thisinstrumentcan obtain tens of thousands of points per second; in accuracy, by processing and analyzing the massive point cloud data, can article intuitively and truly show the survey area and the surrounding, this paper got the precise digital elevation model. In this paper, through the practical application of Riegl LMS-Z420i 3D laser scanning measurement system on earthwork volume measurement, explores the technical advantages of 3D coordinatefor scanners and its prospects.

Key words:3D coordinatefor scanners; point cloud; earthwork volume

【收稿日期】2015-03-16

【文章编号】1007-9386(2015)03-0054-03

【文献标识码】A

【中图分类号】TD173.5