三维激光扫描技术在陡峭山体土石方量计算中的应用

宋培焱，杨志敏

(1.深圳市地籍测绘大队，广东 深圳 518034； 2.武汉市测绘研究院，湖北 武汉 430022)

1 引 言

三维激光扫描技术作为一门新兴的测绘技术，具有实时性、主动性、效率高、精度高等特点，在许多复杂环境中，可以做到非接触被测物体，极大地提高了工作效率。在工程施工前，测量土石方量是一项极为重要的工作，直接关系到工程项目的资金预算，为了合理安排工程进度，提高工程质量，通常需要高效、准确地计算土石方量。然而传统测量方法采集到的高程数据有限，精度及效率偏低，而采用三维激光扫描技术可以实现成本低、效率高的优势。

三维激光扫描仪可以非接触观测区域，而能快速、有效、高精度地获取观测区域表面的空间三维数据，操作简单有效，较好地保护了测绘工作者的人身安全。除此之外，三维激光扫描仪提取信息能力强，能够突出重点区域、重点部位的细节信息，同时还能够根据不同时期采集到的点云数据进行分析比较，快速生成模型，计算不同时期产生的土石方量。

2 基于三维激光扫描技术的土石方计算

2.1 三维激光扫描技术工作原理

地面三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。其工作原理为：扫描仪对目标发射激光，根据激光发射和接受的时间差计算出相应被测点与扫描仪的距离，再根据水平方向和垂直方向的步进角距值，即可实时计算出被测点的三维坐标，并将其送入存储设备予以记录储存，经过相应软件的简单处理，即可提供被测对象的三维几何模型。三维激光扫描系统工作原理如图1所示。

图1 三维激光扫描系统工作原理

2.2 土石方计算原理及方法

三维激光扫描技术的土石方量测量，就是利用激光测距原理，通过计算脉冲或者相位时间差，推算出扫描中心距离目标的斜距，再配合同时记录下的激光束的水平角、垂直角解算物体表面激光点的三维坐标，同时记录激光点的反射强度值，实现全自动阵列式高速、实时扫描。基于获取的目标表面海量点云数据，采用一定的数学计算方法，即可求取工程的土方填挖方量。

主要的工作步骤为：

①控制测量，作为测量的首要任务，为激光三维点云数据的配准和定向提供依据；

②激光三维扫描仪外业测量，即将三维扫描仪及标靶安置在已有控制点上，定向检查完成后对测区进行扫描；

③激光三维扫描仪内业处理，即删除噪声点及剔除冗余数据、点云配准及定向等；

④激光点云数据精度评定；

⑤土石方量计算，并与传统方法南方CASS计算结果进行比较分析，对三维激光扫描技术在土石方量计算中应用的精度及效率进行评定。

3 三维激光扫描仪在山体土石方量计算中的应用实例

本文案例选择深圳市龙华区某公园山体进行三维激光扫描，本次利用三维激光扫描仪在测区内设置5个三维激光扫描站点，利用GPS RTK对各个扫描站点进行坐标采集，获取绝对位置，达到控制标靶坐标准确性，以配合三维激光扫描不同测站三维点云数据的拼接。同时根据传统方法利用GPS RTK，做好图根点，架设全站仪，采集山体的高程数据。

3.1 三维激光扫描仪外业数据采集

(1)定向扫描

根据现场地形情况，布设扫描仪架设点，保证两两通视及覆盖整个山体区域，设定标靶，在架设激光三维激光扫描仪时，保证扫描区域无遗漏。

(2)设定标靶数据

利用GPS RTK连接SZCORS系统，获取控制标靶的深圳独立坐标，控制标靶坐标的准确性。GPS RTK获取绝对坐标数据，用于纠正覆盖整个区域的坐标，激光三维扫描仪及后视定向靶点分别架设在已知控制点上，对扫描山体进行全方位的扫描工作，通过数据预处理，得出整个区域的深圳独立坐标的点云数据。

3.2 三维激光扫描仪内业数据处理

三维激光扫描数据内业处理主要包括数据预处理、点云裁切、噪声点及覆盖物剔除、数据重采样、点云数据导出等几个步骤。

(1)数据预处理

根据三维激光扫描仪获取的点云数据，进行数据预处理即坐标转换及点云拼接。坐标转换就是将获取的点云坐标系统由扫描仪自身的坐标系转换为深圳独立坐标系。点云拼接则是将不同测站获取的点云数据，通过预处理软件，将点云数据拼接成整个区域的点云数据。

(2)点云数据裁切、噪声点剔除

在仪器扫描过程中，由于扫描仪器为360°全方位扫描，采集数据为海量数据，有较多的多余数据，同时仪器采集时，不可避免地产生噪声数据，将对精度产生一定的影响。通过数据处理软件，对产生的噪声点进行过滤清除，同时根据测区需求裁切需要的点云数据，从而得到无噪音的点云数据。

(3)数据重采样

三维激光扫描仪在扫描过程中获取了海量的点云数据，在数据后处理过程中需要根据所需求的精度对点云数据进行重采样。本次项目设置点云间隔 5 cm～20 cm，数据重采样设置后，高程点数据仍有两百多万，精度完全满足土石方量计算的要求。

(4)植被及覆盖物剔除

由于采集区域为陡峭山体，山上植被茂盛，为了获取更加准确的地表数据，需要剔除山上的植被及覆盖物，从而得到最真实的点云数据。通过设置创立粗略的网络模型，将点云数据与其他进行比较，即可剔除植被，得到真实的点云数据，生成DEM数据模型。

3.3 点云高程精度分析

利用全站仪对陡峭边坡进行高程点测量，平均每 5 m测得一高程点，将测得的高程点随机抽出50个点，导入相应的软件中与点云数据进行比较，高程系统差值都满足在 5 cm以内，可以得出三维激光点云数据的高程精度满足土方测量的精度要求。

3.4 土石方量计算及分析

利用全站仪测得的高程数据导入南方CASS，构建TIN，设置设计高程面，得到TIN数据，如图2所示。

图2 全站仪测得的高程数据构建的TIN

将点云数据导入三维激光扫描内业处理软件，构建TIN，生成DEM模型，如图3所示。

利用全站仪测得高程点构建的TIN及三维扫描仪扫描得到的点云数据分别以 0 m作为基准面，计算土石方量，得到的各项指标如表1所示。

图3 点云数据生成构建的DEM

土石方量的各项指标计算表 表1

从采集到的数据量上看，全站仪采集到的高程数据点数为285个，而三维激光扫描仪采集到的点云数据高达 2 560 732个。

从数据采集时间上看，传统的全站仪测量高程点方式为 4 h，三维激光扫描仪作业时间为 2 h，节约1倍的工作时间，而且由于山体较为陡峭，用全站仪观测，跑尺人员相当辛苦，并且危险性大，而激光三维扫描技术减轻了外业的工作强度。

从统计计算的结果对比来看，采用三维激光扫描仪得到的土石方量误差仅为1.49%，精度更加精确，满足工程测量规范要求。表面积误差为8.45%，这是因为三维激光扫描仪采集到的点云数据达到海量级别，而全站仪仅仅采集百位数的高程数据，在细节上三维激光扫描仪能更加贴近现场地形的细微特征，因此获取的表面积更大。

相比传统全站仪测量高程点的作业模式，三维激光扫描技术提高了作业效率，对于山体较为陡峭、地形比较复杂的区域，更能发挥自身的优势。

4 结 语

三维激光扫描技术实现了从单点测量方式到面测量方式的转变，为测绘领域提供了新的研究方向。相比较传统测量方法，三维激光扫描系统操作简单，测量速度快，点云密度高，精度质量好，生成的三维地形网格模型满足了工程的要求，同时三维激光扫描仪技术不受地形限制，无论是平坦地面还是丘陵山地、悬崖峭壁都能很好地完成任务，尤其是特别危险的、人力难以到达的区域，都可以实现非接触观测，最大限度地保护测量人员的人身安全并获取现场数据，提高了测绘的效率。