基于三维激光扫描仪技术的土方量测量及精度分析

朱世鹏+胡凯贺+梁启伟+徐贺

摘 要：土方量计算是土方工程项目的核心环节和重要组成部分。传统的土方量测量方法有断面法、方格网法、等高线法等，这些方法是基于野外采集地形特征点信息进行土方量计算，测量精度和工作效率较低。本文利用三维激光扫描技术，对土方工程进行快速测量，构建土方三维实体模型，计算工程土方量，并将该方法与传统的测量方法进行对比，实验结果表明：三维激光扫描仪与传统的土方量测量方法相比具有测量精度高，结果直观，速度快等特点。

关键词：三维激光 土方量测量 点云 三维模型

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0044-03

Abstract：Earthwork survey is the core and main constituent part of earthwork project. The traditional earthwork measurement include section method， grid method， contour method and so on， the measurement accuracy and work efficiency of the methods are lower. Using of 3-d laser scanner technology for rapid surveying in earthwork project， establishing 3d entity solid model， calculating earth volume. Contrast the method with the traditional measurement， and the result indicate that the 3-d laser scanner has a better effect in measurement accuracy and the rapid， and the result is more intuitive.

Key Words：3-d laser；Earthwork survey；Point cloud；3-d model

土方表面數据点采集的速度、精度以及采集点拟合目标表面的精细程度和土方量计算的方法将直接影响土方量计算的效率和精度。对于土方量的测量，传统方法一般都是用RTK和全站仪选点测量的方法，这种方法误差大、效率低，外业人员的工作量大。作为一种新型测绘技术，三维激光扫描可对仪器周围环境进行360°×320°全方位扫描，获取周边环境所有的点位信息以及被测物体表面的反射强度和颜色信息，生成三维的彩色点云数据，具有采集速度快、密度大、精度高、非接触和测量范围广等优点[1-3]。

此次试验在长春市内选取土石方测量典型试验场，利用三维激光扫描技术进行土石方的测量及土方量计算试验，并与常规测量方法进行精度和工作效率的对比分析，旨在能够总结和提炼应用三维激光扫描技术快速准确测量计算土方量的方法及相关的操作规程，验证该方法的可靠性和适用性[4-5]。

1 测区概况

本项目试验区位于长春市南关区，华新街和谊民路交汇，长春市群众文化艺术馆南侧，此次实验所选土石方为建筑施工过程中堆砌的废土石渣，总占地面积约为25416m2，高差约20m。现场情况比较复杂，土堆堆砌的均为粘土，且植被覆盖较为严重，用传统方法时人员攀爬土堆费时费力，RTK和全站仪打点效率低下、测算体积精度差，用激光扫描仪很好地解决了这一难题。

2 扫描准备工作

2.1 控制测量

此试验为了对比分析三维激光与常规方格测量土方的精度，建立一套统一的平面和高程坐标系统。对试验区周围的环境进行踏勘，在地质较坚实、不易破坏、通视效果良好处选择控制点，分别作为标靶中心坐标采集的测站点和后视点。在测站点周围稳定处粘贴靶纸，根据三维激光扫描仪的特性，仪器无法精准扫描法向量与激光接近垂直的地物，因此，张贴标靶纸时让标靶纸中心的法向量与仪器发射激光束交角越小越好。观测仪器采用徕卡TM30全站仪，用标靶中心坐标采用双测站极坐标法进行观测，测量前必须对仪器进行检验，依据工程测量规范，测角中误差±0.5″，半测回归零差4″，一测回互差值8″，测距误差±1mm，测量3个标靶中心的测量坐标，作为三维激光扫描的相对坐标和测量坐标转换的基准。

2.2 规划扫描线路

根据试验场地的现场情况合理布设每一站位置，规划扫描仪走向，原则上做到试验的土方在扫描过程中没有死角。扫描线路示意图如图1所示，圆形为测站位置，箭头指示方向为扫描仪测量走向。

3 三维激光扫描仪测量土方量

3.1 外业扫描

本次三维扫描项目采用德国Z+F IMAGER 5010C设备，该扫描仪是相位式三维激光扫描仪，最高精度可达0.3mm，有效测量距离可达187m，角度分辨率水平方向达到0.0002°，垂直方向达到0.0004°，所以，对堆砌土堆的微小角落都不会错过，对凹凸曲面也能完美反映出来。三维激光的外业扫描包括设立标靶和仪器扫描，此次实验，用于两站之间拼接的球形标志为Z+F IMAGER5010C仪器配套的球形标志，直径10cm。由于土方地形细节较为复杂，因此为得到较为精确的实验数据，每两站之间距离控制在30m之内，最后实验完成后测站数共有29站。

3.2 内业处理

3.2.1 数据配准

由于物体的遮挡、扫描仪的限制等原因，要完成对土堆的完整数据获取，扫描仪要进行多测站多角度的测量。但由于扫描仪每测站坐标系的坐标原点都是扫描仪的仪器中心，因此，需要通过点云配准的方式将不同测站的扫描数据拼接到同一坐标系下，将标定转换完成的文件保存为3D点云。endprint

3.2.2 數据滤波

基于Geomagic Studio 2012软件平台，打开.asc格式的文件。通过软件自带的功能对点云数据进行去噪、滤波，去除体外孤点和非连接项，去除不必要的数据，使之更加直观，去噪结果如图2所示。

3.2.3 基于点云数据的土方量计算

本次土方量计算采用JRC 3D Reconstructor软件，以简单快捷地获取等值线、截面，更善于生成正射影像与特有的实体影像，特别是该软件可以导入或自定义实体剖面，可视效果强，基于基准面的体积量测、填挖方量测，结果可直接生成PDF报告，为土方计算提供了有效途径，图3为构建的土方表面模型。利用软件自带的“计算体积到平面”的功能，将建好的模型投影到平面，拾取模型底面边界，计算出土方量为102740.3m3。

4 试验数据精度对比分析

本次研究将三维激光扫描技术和GPS RTK常规测量方法进行对比。RTK测量法需要利用GPS对地形征点进行逐一采集，需要大量的野外工作，作业时间较长，采集特征点数量少，工作效率低，劳动强度高，而三维激光扫描仪主要对地物进行扫描，扫描时间短，可采集海量的点云数据，工作效率高，劳动强度低。

地面激光扫描法内业数据处理时间长，对点云的拼接、冗余去除，需要大量人工干预多，自动化程度不高。RTK测量法内业处理相对简单，需要对照草图和外业数据进行编辑成图，作业方式成熟固定，处理时间短。以本次试验研究为例对两种方法的生产质量和效率进行定量分析，如表1所示。

5 结语

本次利用三维激光扫描技术进行土石方的测量及土方量计算试验，并与常规测量方法进行精度和工作效率的对比分析，总结了应用三维激光扫描技术快速准确测量计算土方量的过程及相关的操作方法，验证三维激光扫描仪在土方量测量中的可操作性，为土方量测量提供了新途径。

参考文献

[1] 苏春艳，隋立春.基于三维激光扫描技术的土方量快速测量[J].测绘技术装备，2014，16（2）：49-52.

[2] 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.

[3] 张荣华，李俊峰，林昀.三维激光扫描技术在土方量算中的应用研究[J].测绘地理信息，2014，39（6）：47-49.

[4] 刘博涛.三维激光扫描技术在地面沉降监测中的应用研究[D].长安大学，2014.

[5] 吴静，靳奉祥，王健.基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J].测绘工程，2007，16（5）：57-60.endprint