地面三维激光扫描技术在土方测量中的应用

刘小阳 高彦笑

摘 要：文章运用三维激光扫描对某工地大型土堆进行了扫描测量，并对点云数据进行拼接、切割、除燥等处理，建立目标区域地面数字模型。利用Riscan Pro和CASS软件进行了土方量的计算。结果表明：地面三维激光扫描技术是一种非常有效的土方测量新技术。

关键词：三维激光扫描；土方测量；点云；CASS

中图分类号：TU751 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）14-0163-02

Abstract： In this paper， the 3D laser scanning is used to scan and measure the large earth pile in a site， and the point cloud data are spliced， cut， and dryness removed， and the DTM （Digital Terrain Model） the target area is established. The earthwork is calculated by using Riscan Pro and CASS softwares. The results show that the 3D laser scanning technique is a very effective new technique for earthwork measurement.

Keywords： 3D laser scanning； earthwork measurement； point cloud； CASS

1 概述

对大面积堆积物的土方测量是工程建设中的一项常见工作。传统的测量方法主要是利用全站仪或GPS测量堆积物表面的离散点的坐标，建立表面数字模型，计算土方量[1-3]。该方法因堆积物形状复杂，测量点离散不均，局部点无法测量等因素，极大的影响了土方测量的效率和精度。有些堆积物因自身松散等原因造成其表面无法立杆测量，使得传统测量方法难以进行。三维激光扫描作为一种非接触、全方位、高精度、全自动的测量技术已广泛的应用到各测量领域，探讨利用三维激光扫描技术进行土方测量具有非常重要的现实意义[4-5]。

2 地面三维激光扫描仪的技术

目前地面三维激光扫描主要是基于时间测距系统通过测量仪器到物体反射面之间的距离及方位来确定物体的空间位置。根据其工作原理分为脉冲式和相位式。脉冲式三维激光扫描仪通过激光二极管在脉冲发射器的触发下，周期性地对外发射激光脉冲，然后由探测器接收激光反射信号，并通过精密时钟获取发射和接收信号间的时间差，根据式（1）可获得扫描仪与被测物体之间的距离：

式中：D表示测量距离；c0表示真空中的光速；△t表示激光脉冲往返时间差；ng表示光在大气中的传输的折射率。而相位式三维激光扫描仪则是通过测量相位变化间接计算激光从发射到接收之间的时间差，根据（2）式进而求出其测量距离：

式中：D表示测量距离；c0表示真空中的光速；？渍表示激光往返相位差；ng表示光在大气中的传输的折射率；f表示激光的频率。三维激光扫描仪在高速精确测量距离的同时，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜，反射棱镜进行一定范围内垂直方向的扫描，伺服马达转动仪器在水平360°内进行水平扫描，从而测量出扫描的水平和垂直方向角。通过测量到的距离、水平方向角和垂直方向角，就可以根据（3）式完成目标物体在仪器坐标系下的空间坐标的计算：

（3）

三维激光扫描仪的测量时通常采用仪器坐标系，该坐标系仪激光发射点为坐标原点，在横向扫描面内建立相互垂直的X轴和Y轴，Z轴与横向扫描面垂直，构成右手坐标系。在扫描过程中，三维扫描仪根据偏转镜同步记录每束激光的横向扫描角度和纵向扫描角度，由此获得被测对象表面点的三维坐标（x，y，z）。

3 工程实例

3.1 测区概况

本次量测目标为某工地需运输的大土堆，待测区域面积约为2500m2，高约7m，土堆表面基本无植被。测区周围比较广阔，基本没有遮挡扫描视线的建筑物、丛林等。

3.2 数据采集

本次测量工作采用Rigel VZ-400三维激光扫描仪，同时利用南方S86T进行GPS-RTK辅助测站点定位。Rigel VZ-400三维激光扫描成像系统拥有全波形回波技术和实时全波形数字化处理和分析技术，每秒可发射30万个激光点，其最大有效扫描距离为600m；扫描精度2mm；扫描视场范围为100°×360°（垂直扫描+60°～-40°，水平扫描360°）。本工程扫描范围小，起伏小，但因形状凸凹极不规则，且坑洼较多。为保障扫描数据的质量，应合理选择扫描站点的位置。站点的选择首先要考虑开阔的视角，增大目标区域的有效扫描范围。同时为了保证后续点云数据处理的效率和质量，相互站点间要保持一定的扫描公共区域，每站点扫描完成后，利用GPS-RTK测量出地面站点的三维坐标，以获取扫描仪中心点的大地坐标，减少点云拼接误差的累计，保证扫描成果的精度。

3.3 数据处理

（1）点云拼接。点云拼接有两种方式：一种是选定某一测站扫描数据作为基准，其他测站数据依据重叠区域的同名特征点转换到该站同一坐标系下。该方法无需控制，只需要测站间保留一定的扫描重叠区域，操作简单方便。但因测站拼接误差传递的影响，精度不高且整体精度不均匀。第二种方式是基于扫描站点的绝对坐标完成。利用GPS（全站仪）测量出各扫描站点的绝对坐标和仪器高，拼接时直接把各站点的扫描数据转换到同一绝对坐标系下。这种方式可以避免多测站是点云拼接误差的累计，有效的保障了整体点云数据的精度。本工程基于GPS测量的各扫描站点绝对坐标进行拼接，拼接点位误差最大为0.0153m。（2）点云数据的切除及除噪。本工程在采集数据的过程中由于场地比较开阔，扫描频率较大，全方位的扫描不可避免的产生了大量的冗余数据。这些冗余数据极大的影响了后续的数据处理效率，可对工程区域外的点云数据进行切除。在扫描过程中，由于工作现场环境复杂，各种震动、风力、施工浮尘、遮挡等外界的干扰及扫描系统本身因素，将会造成扫描数据中出现一定的噪声点。因此拼接完后需对点云数据进行除燥处理。利用软件进行数据除噪可采用手动删除和自动判断两种。本工程区域小，工作量小，采用手动除燥处理。（3）三维点云数据DEM构建。选择需要建立基准面的点云数据，建立基准平面，依据目标土堆周围地表点的高程设定基准平面的Z值，本次设置为25m。将基准平面拖入点云视图中，生成DEM，如图3所示。

3.4 土方量计算

（1）基于Riscan Pro软件计算土方量。在Riscan Pro软件中，利用扫描数据构建的DEM，设置好土方计算的基准面，直接计算土方量。

（2）基于CASS软件计算土方量。利用CASS软件计算土方量之前，需要处理点云数据，使之转换成CAD格式。即在Riscan Pro软件中将处理好的工程区域内的点云数据进行抽稀后输出，并转换成dat格式导入CASS软件中。在CASS中可以依据坐标数据文件或高程点进行计算土方量。利用封闭的复合曲线圈定要测量的区域，确定土方计算的基准面高程，即可计算出土方量。

本项目利用Riscan Pro软件和CASS软件两种软件计算土方量，前者求得土方量为16531.7m3，后者计算结果为16461.8m3。对比结果可知，用这两种方法计算的土方量值基本一致。

4 结束语

本文結合工程实际，探讨了基于地面三维激光扫技术的土方测量方法。研究结果表明，该技术不仅能有效的开展土方测量，而且能大大的减少外业测量的工作量，降低了劳动强度，提高了工作效率，为今后的堆积物土方测量提供了一种高效的解决方案。

参考文献：

[1]王臣.土方工程中测量技术应用[J].工程技术与应用，2017（8）：63+70.

[2]戴海波.网络RTK技术在土方测量中的应用[J].资源信息与工程，2017，32（2）：103-104.

[3]向东，汪志明，赵建虎.RTK和TPS在矿料堆体积测量中的对比分析[J].城市勘察，2002（4）：61-62.

[4]刘强，崔希民，刘文龙，等.三维激光扫描仪在煤矸石山复垦中的应用[J].测绘工程，2015（10）：67-70.

[5]欧斌，黄承亮.三维激光扫描技术在分方测量中的应用研究[J].城市勘察，2012（2）：123-125.