三维激光扫描技术在土方计算中的应用

■薛东方

（安徽鑫图土地勘测规划科技有限公司　安徽　合肥　230031）

三维激光扫描技术在土方计算中的应用

■薛东方

（安徽鑫图土地勘测规划科技有限公司安徽合肥230031）

经济发展中，基础设施建设方兴未艾，土方量计算是基础设施项目建设中最常见的工作，如何才能准确、快速、及时的算出土方量，使计算土方量与实际土方量相一致是甲方与项目施工方所关注的。本文使用三维激光扫描法对某一工厂施工区进行扫描，结合cyclone处理软件计算该工厂地基平整前的挖填方量。结果表明，使用三维激光扫描仪对土方量进行计算不仅速度快且精度高能满足工程建设需求。

三维激光扫描技术技术应用土方计算

当前，土方量计算速度与准确性将影响到施工进度与施工效率，成为土方施工项目的中心环节，同时也是方案优选所考虑的因素。土方竖向规划调整都是重要的施工依据，会对工程造价有直接影响，由此，在对土方计算时必须精益求精，与施工实际相符合，这样才能使成本得到优化，将工程质量提高。

1　三维扫描技术原理与土方计算模型的应用

三维激光扫描技术是近年来发展起来的一种新型立体扫描技术，也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。扫描结果能够以点云的方式显示，并通过点云快速构建出一个结构复杂且三维可视化的模型[1]。

1.1技术原理

使用一台高速运转的精度较高的激光测距仪，配合使用引导激光并均匀角速扫描反射棱镜。三维激光扫描仪能够定点发射激光脉冲信号，然后通过物体表面发射，沿着一致的路径返回到接收器中，能够将目标P点到扫描仪的距离S计算出来，对编码器进行控制，并同步计算出激光脉冲横向扫描的观测角度，标记为α，纵向扫描观测角度β。三维激光扫描能建立自定义坐标体系，X轴位于横向扫描面中，而Y轴则与X轴垂直，Z轴垂直于横向扫描轴，进而得出P点坐标。具体见下图1所示。

图1　P点坐标计算

1.2土方计算模型

使用DTM法对土方量进行计算，使用网格法、高等线法以及断面法。应用这些计算方法不仅能将精度提高，还能依据要求建立起地面点坐标，对高程进行设计，进而计算得出土方量，其中，决定土方量计算精度的是测点数量与精度，数据点越集中、越多所占有的内存量就越大，对于大范围的土方计算非常不适合。网格法就是在测量点的基础上将网格绘制出来，在其中插入格网点估算土方量与高程，测量点数量与精度同样是影响土方量计算精度的重要指标。高等线法与断面法则适合应用在地形复杂其起伏较大的山区，需要按照地形图计算出面积，将面积与平均高程求出，还能计算出两个相邻高等线体积，土方量，这种计算法精度不是非常高[2]。使用三维扫描仪能够得到点云数据，除了X、Y、Z以外的信息，还有颜色信息、物体反色率信息等，能够体现出真实情景感。此外，扫描仪的扫描速度为50000点每秒，不仅使工作效率大大提高，还能确保扫描出物体的纹理特性，将土方量计算精度提升。用三维激光扫描仪获取的海量数据构TIN来拟合被测物体的表面形状，拟合精度高，剔除噪声数据后，土方计算更准确。

图2　非地貌数据剔除

1.3生成等高线

将植被、地物等非地貌部分点云数据剔除。使用平面跌送法，先将明显的地貌数据剔除，再使用原有数据对平均面进行计算，剔除距离平均面远的数据，对平均面进行计算，跌送4~7次，能够得出更加精准的地貌数据。完成剔除的地貌点云将出现密度增大、不均匀分布等，将不能构建出三角形网，生成的网格效果不明显。由此，需要自动抽稀点云数据，再将抽稀后点云数据导进大比例尺测图软件处理，然后生成一个等高线。

1.4编辑成图

剔除后的地貌点数据将从高线位置消失，使等高线出现扭曲、不光滑等现象，此时可以对等高线编辑处理，调整地形图与其他物体间关系。地物图与等高线图相互重叠，人工编辑照片与点云数据，最后修饰成图[3]。

2　扫描数据土方计算与拓展应用

使用LeicaC10扫描仪能够针对该区域一侧全面扫描，使扫描具备全方位效果，最远扫描距离为300m，点位精度为6mm，测距精度为4mm。扫描需要结合土方计算标准，使用快速扫描法，架设4站，从南向北依次扫描，能够快速获得扫描后的点云数据[4]。对点云数据进行处理，降噪、拼接、重构、精简等，使用Cyclone软件将设计高程确定下来，并将其移动到设计高程点位上，依据物体的体积对扫描地土方量进行计算。如果是高程土方量计算，可以将Cyclone中的原有堤岸模型导进CAD软件进行处理，建立三维模型，在原有设计堤岸基础上绘制加高模型，假设加高堤岸倾角为35°，高为9m，所需土方量就为112453.2m3。按照扫描的特点在完成土方量计算以后，还可以将扫描速度与精度拓展，实时监测堤岸加高过程。比如，每增加一个高程以后就要重新对加高堤岸体积算一遍，比较该数据与原数据模型，能够使土方实际用量与堤岸施工形态变形获得，对施工单位结果分析有一定帮助，还能作为方案调整依据，使施工安全与质量得到保证[5]。

3　结束语

在土方量计算中应用三维激光扫描仪不仅能够缩短施工工期，还能提高土方计算精度，并受地形限制小，适用地形广泛，精度高、无需接触被测物体、速度快，且节约成本，值得在项目施工中推广应用。

[1]董秀军,黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用 [J].岩石力学与工程学报,2011,25(z2):3629-3635.

[2]谢雄耀,卢晓智,田海洋等.基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J].岩石力学与工程学报,2013(11):2214-2224.

[3]邵晴,徐涛,吉野辰萌等.基于三维激光扫描技术的粮食储量监测系统的设计与试验[J].农业工程学报,2015,31(20):262-267.

[4]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): 44-66.

P2[文献码]B

1000-405X（2016）-9-193-1

薛东方（1986～），男，专科，助理工程师，研究方向为测绘。