基于三维激光扫描技术的土石方测量方法及对比分析

胡玉祥，栾学科，石乐乐1，，徐潇1，，熊文辉1，

(1.青岛市西海岸基础地理信息中心有限公司，山东 青岛 266000； 2.青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266032；3.青岛市地下空间地理信息工程研究中心，山东 青岛 266032)

1 引 言

目前常用的土石方测量方法是通过将地形模拟为高度不一的棱柱来计算场地的土方量[3]。此种方法需要采集一定间隔的地形点标高，而且采集点的密度越大计算得到的方量越精确。传统离散点测量方式是通过全站仪或者RTK测量形式，构建三角网或者方格网计算土石方量。基于网格法计算方量精度严重取决于格网点采集的密度，而过密的离散点采集大大增加了外业测绘的工作量，同时传统测量方式费事、费力，效率低下。

三维激光扫描技术近几年发展异常迅速，它突破了传统的单点测量方式，能在单位时间内发射几十万甚至几百万的点，以点云的形式表达三维空间的几何形态，同时还可以采集高分辨相片，形成物体的三维正射影像，再现物体的真实三维形态[1，2]。三维激光扫描技术的出现对于解决土石方量测绘问题提供了一种全新的解决办法[4]。本文借助青岛市勘察测绘研究院购置的站式三维激光扫描仪RTC360和手持扫描仪ZEB HORIZON，探索三维激光扫描仪用于土石方测量的精度和有效性，分析两种扫描方式的优点和不足，同时对三维扫描和传统测量方式进行对比分析，为土石方测量提供了很好的借鉴。

2 土石方测量

土石方测量的基本思路是：基于已有的地形图、DEM或者外业实测一定间隔的离散点三维坐标，通过将地形模拟为高度不一的棱柱来计算方量，离散点采集密度直接决定着土石方量计算的准确度。

2.1 传统数据采集方法

传统外业数据采集方法是基于RTK或者全站仪测量方式，获取一定间隔的离散点三维坐标，基于三维坐标，采用方格网法或者三角网法计算土石方量。具体流程如图1所示：

图1 方格网法计算土石方流程

2.2 三维激光扫描数据采集方法

三维激光扫描技术的出现为土石方测量提供了一种新的途径，本文借助青岛市勘察测绘研究院购置的站式三维激光扫描仪RTC360和手持式三维激光扫描仪ZEB HORIZON，介绍两种扫描仪的作业流程和注意事项。

(1)站式三维激光扫描仪RTC360

站式三维激光扫描仪，主要经过外业扫描和内业数据处理过程，如图2所示。

图2 RTC360土石方测量作业流程

点云拼接是将多站扫描数据拼接到一个整体的过程，采用徕卡配套的专用拼接软件REGISTER 360进行，一般有两种方式：基于公共点的拼接和基于点云视图的拼接。在RTC360视图拼接中，每站拼接完均可以得到点云匹配的相关精度信息，如图3所示。

图3 点云拼接精度信息

点云融合就是将不同站点、不同仪器设备的点云数据合并在一起的过程，在外业扫描过程中，每站都会有很多的重合点云数据，将各站点云数据拼接在一起就造成点云数据的重叠，点云融合的目的就是根据点云归一化算法将重叠点云进行优化的过程；在扫描仪的原始点云中往往包含若干对成果处理有不良影响的点，点云去噪就是根据一定的点云滤波算法，让有效点保留，无效点删除的过程。

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点云绝对定向就是进行坐标转换的过程，点云数据以三维坐标的形式进行展示。

点云数据导出就是对预处理的点云数据导出成标准格式的点云数据(如.las .pts)，方便后续用专用软件进行处理、建模、分析使用。

(2)手持三维激光扫描仪

手持三维激光扫描仪Geoslam采用移动式的数据采集方式，以SLAM算法为技术核心，全自动处理，可以完整地采集地形环境下的点云数据。采集流程如图4所示。

图4 手持三维激光扫描仪土石方测量作业流程

Geoslam不需要摆设靶球、目标物等，采集效率是静态扫描仪的十倍以上，其超宽视角可以获取更多的数据，不用担心漏扫；其轻便体积小，在自然林地环境中可以自由穿梭，不受环境限制；内业数据处理时间短，全自动多任务同时处理[2]。

(3)土石方量计算

无论是采用架站式还是手持移动式扫描仪，经过上述点云数据预处理后，可以导出标准格式的点云数据：.las或者.pts。将.las或者.pts标准格式导入后处理软件RealWorks中，可以建立三角网格，然后计算土石方量；也可以将点云抽稀成一定间隔的离散点云，导出离散点的三维坐标，利用传统土石方测量计算方法计算土石方量。

利用点云后处理软件计算土石方量，首先设置一定的分辨率，基于点云生成三角格网，对生成的三角格网进行编辑处理可以计算出相对于某高度的土石方填挖量，如图5所示。

图5 土石方计算示意图

3 精度验证及对比分析

试验选取地铁6号线朝阳山路车站土石方项目为例，分别采用传统测量方式和两种扫描仪进行扫描，计算土石方量，对结果进行对比分析，如图6所示。

图6 扫描点云及范围线示意图

3.1 离散点高程对比分析

将三维扫描激光点云进行数据处理后导出整个测区范围点的三维坐标信息，均匀选取测区内的离散点60个，同时利用全站仪(或RTK)测量方式获取其三维坐标，然后与三维激光扫描仪获取的同位置点的高程进行对比分析。以全站仪(或RTK)测量方式获取的高程作为基准，分析架站式和手持式扫描仪与其较差，如图7所示：

图7 高程对比较差示意图

由图7可知RTC360与全站仪测量高程基本一致，最大较差 -4.4 cm，较差中误差 1.9 cm，93%数据较差小于 3 cm，较差分布比较均匀。ZEB HORIZON与全站仪测量高程存在差异，除去飞点，最大较差 11.9 cm，较差中误差 7.6 cm，16%数据较差小于 3 cm。

根据《城市测量规范》(CJJ/T8-2011)及测绘合同要求，RTC360可以用于土石方测量。

3.2 土石方量对比

土石方量对比采取两种方式：一种是使用点云后处理软件求取土石方量，即2.3所示方法(方法一)；另一种采用将点云采样为一定分辨率的点云数据网格，导入到CASS等软件中生成三角网，求取土石方量(方法二)；最终与全站仪方法测量计算的土石方量(方法三)结果对比如表1所示：

不同离散点密度土方量对比较差表(以RTC360为例) 表1

由对比结果可以得到，随着点密度的变化，计算结果存在差异，理论上点的密度越大，计算结果越可靠，因此建议提供 0.5 m或 1 m间隔的数据。

不同测量方式土方量对比较差表 表2

从表2中可以看出，前两种方法求得的土石方量较为接近，这也间接证明了RTC360用于土石方测量的可靠性。

3.3 作业效率比较

针对此土石方测绘项目，对比三维激光扫描技术和全野外全站仪实测法进行作业效率方面的对比，如表3所示：

作业效率对比(单位/天) 表3

从表3中可以看出，采用RTC360扫描方法共计3天，采用ZEB HORIZON扫描方法共计2.5天，采用全站仪测量方法共计5天，相比全站仪测量方法，三维激光扫描测量方法作业效率方面明显改善。

4 结 论

三维激光扫描技术的迅速发展为传统测绘行业提供了一种很好的解决办法，其外业测绘省时、省力，成果展示具有较高的三维可视性，尤其对需要测绘较细内容的项目优势明显。本文借助青岛市勘察测绘研究院购置的站式三维激光扫描仪RTC360和手持扫描仪ZEB HORIZON，探索三维激光扫描仪用于土石方测量的精度和有效性，分析两种扫描方式的优点和不足，得到了一些有益结论：

(1)根据多次土方测量结果表明：RTC360通过一站站拼接，精度较为稳定，可以用于土石方测量；ZEB HORIZON借助于SLAM算法，由于SLAM的不稳定性及随着时间的漂移，手持扫描仪具有较大的不确定性，因而不建议用于精度要求较高的土石方测量。

(2)在进行外业作业前，应对现场进行踏勘，规划合理的扫描路线。这样不仅能够避免漏测，同时还能提高作业效率。

(3)RTC360可用于土石方测量，但现场环境需满足一定的条件，即现场没有密集的杂草等植被或其他障碍物以及水域等影响激光反射的情形。如果地形较为复杂，建议增加架站的密度和控制点的数量，以便提高扫描的可靠性。

(4)采用三维激光扫描设备进行土石方测量时，现场应同时采用RTK或者全站仪等测量方式获取控制点，以便于三维点云转换到绝对坐标系下，同时还应采集部分离散特征点作为检核，以验证扫描的准确性。