三维激光扫描技术在土方测量中的应用

郑一涛

摘 要：介绍了三维激光扫描仪以FARO Focus 3D为例的使用方法、内外业数据采集技术流程，分析了三维激光扫描仪的特点及优点。针对目前土方测量中要求高精度和高效率，以及采用全站仪的传统作业过程中存在时间长、工作量大等问题，以实际案例论证了三维激光扫描技术在土方测量中的应用技术，探索了测量的方法和数据处理的方法，以促进三维激光扫描技术的推广。

关键词：三维激光扫描技术；点云；数据处理；土方测量；对比分析

1引言

随着城市建设的不断发展带动着各种工程建设项目的不断进行，项目建设大部分都与土方工程息息相关。精确计算土方量能够为选取施工方案、工程费用的估算以及施工进度的考虑提供重要依据。在测量过程中，因为测区地理环境复杂多样因素的影响、土方量计算中存在的误差和开挖后不可重来等因素，精准计算土方体积是不可能的，经常引起双方的利益纠纷，如何为了弥补其中不足，就要视工程具体情况来挑选不同测绘方法，以此提高效率和精度。

2 三维激光扫描技术流程

三维激光扫描仪根据不同需求可以分为地面三维激光扫描仪、车载三维激光扫描仪、机载三维激光扫描仪、手持三维激光扫描仪、特殊场合应用的三维激光扫描仪等几类。本文主要介绍地面三维激光扫描设备。地面三维激光扫描是一种直接获取物体三维图像的测量手段，由密集的点组成，每个点包含（x，y，z，i）值，x，y，z是扫描仪坐标系表示该点的三维坐标，i是接收到的反射信号的强度。地面三维激光扫描仪与全站仪、RTK等传统测量手段不同，将单点测量变成立体三维测量，全方位全高精度通过海量连续的点云数据来构建物体三维表面的完整模型，但是扫描存在盲目性，不能准确地选择目标上某一点。

2.1 地面三维激光扫描仪测量原理

三维激光扫描技术的核心是激光发射器、激光反射镜、CCD装置等【4】，地面激光扫描仪的的工作方式与全站仪相似，激光发射器通过激光二极管发射近红外波长的安全激光束，激光束通过旋转反射镜对所测对象进行立面的扫描，借助时间解码器或鉴相器获取不同点位的反射时间差，从而测出激光与测量点之间的距离，最后编码器利用采集到的镜头旋转角度和水平旋转角度的值，计算出被测地物表面上每个扫描点的三维坐标，最后整合得到被测对象的采样点集合，称之为“点云”。

图2-1为地面三维扫描仪测量原理：

2.2 外业数据采集技术流程

图2-2为外业数据采集的技术流程图，在外业过程中，为了保证数据的精度应注意以下几点：

放置靶球，准确放置靶球可以节约很多时间，同时提高数据的可靠性和完整性。是扫描工作中重要的一步，放置靶球时应注意以下几点：

1）靶球应尽可能放置在高处和不被影响的位置。

2）选择在夜晚或者人流量较少的时段进行工作。

3）合适的靶球数量可以使数据拼接误差减少（8个左右）。

4）保持地物的全貌，不可遮挡地物的纹理和细节，以方便建模。

5）在扫描范围内尽量均匀摆放靶球，任意三球不要在同一条直线上。

6）注意设备的扫描盲区

2.3 内业数据处理技术流程

本文内业处理流程以点云内业软件FAROScene为例。

图2-3是內业数据处理流程：

在内业数据处理的过程中应注意以下几点：

加载单站点点云数据时，应注意单站点的数量以防止加载过多超出电脑运行能力，减慢了软件运行的流畅性降低了工作效率。在处理点云数据和删噪的时候应使用较高Mio扫描点参数可以避免对细节和纹理造成误删或多删。

3.三维激光扫描技术的部分应用现状

（1）三维激光扫描技术在海洋领域的应用现状，海洋物理模型是重演自然发生复杂的海洋现象的一种重要方法，三维激光扫描克服了传统测量技术的缺点，为模型的构建提供了有利的技术支持。

（2）三维激光扫描技术在铁路危岩落石勘测中，以非接触远距离测量、实时高效的特点弥补了测量中可能出现危险情况的缺点，例如：铁路沿线在地质复杂的区域的，大多悬崖峭壁，经常出现落石现象，给作业人员带来很大的危险性，增加了勘测工作的难度。

4.三维激光扫描测量技术在土方测量方面的应用

4.1试验区概况

试验区位于仙游县一固定区域土方，其中该图红色区域为本文所选区域。区域内地面起伏大且土方形状较复杂，有一定的树木遮挡，扫描过程应注意这些存在因素，本次试验以全站仪和三维激光扫描仪分别进行土方测量，然后对过程及成果进行对比。

4.2 全站仪测量法

考虑到试验区树木遮挡和卫星信号强弱的问题，本文采用全站仪进行数据坐标的采集。考虑测区的实际情况，根据精度要求，在平坦测区每隔4米测量一点，地面不平整或斜坡每隔2米测量一点。

4.3 三维激光扫描仪法

本次实验可设置为1/4分辨率和四倍质量，相当于相邻站点距离20米进行摆站，正常情况下每站扫描花费时间为14分钟。由于三维激光扫描仪内置高分辨率的数码相机，也可以采用彩色扫描模式，以真彩色或色彩编码形式显示点数据，使扫描获取的信息更加全面。

4.4 对比分析

4.4.1精度分析

1）全站仪可通过调节棱镜高获取测点的实际高程，就减少了被遮挡的部分对测量造的影响。使用三维激光扫描仪时，如果地物被障碍区遮挡，扫描所得信息就不够准确存在一定的误差，在内业处理时就需要人工处理删除这些不准确的数据和构造地面模型，其中人工处理的准确程度就直接影响了土方量计算的精度。

2）三维激光扫描仪只能根据扫描数据构建模型，模型根据表面数据进行填充，底面是上表面的投影，平均高程为10米，模型体积即为本次挖填方体积，挖方体积就是模型体积，因此没有填方。

4.4.2综合分析

三维激光扫描仪需要大容量的内存卡，对电脑软件设备的要求也比较高，在使用Faro软件进行数据处理时，数据拼接和删噪的自动化程度低，需要更多的人力投入，后期内业处理需要消耗更多的时间。全站仪采集数据时占用内存相比较少，内业处理也较容易。

5.结论和展望

在全站仪和三维激光扫描仪计算土方量的对比中，使用全站仪测量的方格网法耗时较长，计算精度不太高，受环境影响较大，适合较为平坦的测区。三维激光扫描仪计算土方量速度较快，精度较高，采集的数据更加全面，不受环境的影响，节省了测量人员的工作时间，提高了工作效率。三维激光测量技术的问世和进步为空间三维信息的获取提供了全新的技术支持，是全球信息化发展的新机遇，已经逐渐成为测绘行业研究的热门，应用领域不断扩展延伸，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。可以认为，三维激光扫描技术是未来测绘行业的又一重大技术革命。

参考文献

[1] 冯亚飞 陈云波 张河坤 谭晓华. 三维点云数据在历史建筑结构分析和尺寸量测中的应用[J].地矿测绘，2015（2）：4-8.

[2] 温久民. 基于地面三维激光扫描技术的建筑物的三维建模[J].南方国土资源，2014（4）：38-40.

[3] 朱凌 石若明.地面三维激光扫面点云分辨率研究[J].遥感学报，2008（3）