孫亞廷（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

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Riegl LMS-Z420i三維激光掃描測量系統(tǒng)在土石方測量中的應用

孫亞廷
（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心山東總隊，山東 濟南 250100）

【摘 要】目前，傳統(tǒng)的模擬測繪方式逐漸被數字化、信息化測繪方式所代替，先進的測繪儀器和技術以同時滿足測繪產品的數據采集效率與精度為目標，三維激光掃描測量系統(tǒng)正是應此趨勢出現的產品之一。在效率上，三維激光掃描儀掃描速度可達數萬點/s；在精度上，通過對采集的海量點云數據的處理和分析，能直觀、真實的顯示出測區(qū)地形，得到精密的數字高程模型。通過Riegl LMS-Z420i三維激光掃描儀測量系統(tǒng)在項目中的實際應用，探討了三維激光掃描儀在土石方測量中的技術優(yōu)勢及其發(fā)展前景。

【關鍵詞】三維激光掃描；點云；土石方

1　引言

地面三維激光掃描測量技術是繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術突破，它使測繪數據的獲取與處理方法及測繪行業(yè)的服務水平等進入了新的發(fā)展階段[1]。作為非接觸式測量，三維激光測量具有數據獲取速度快、實時性強、數據密度大、數據精度高、安全性高等特點，具有常規(guī)測量技術所不具備的巨大優(yōu)勢，這使得三維激光測量系統(tǒng)應用于很多工程，例如建筑物的變形監(jiān)測、三維模型構建和修繕、特殊區(qū)域的地形數據采集等[2-6]。

傳統(tǒng)的土石方測量計算，就是運用經緯儀、水準儀、全站儀和GPS-RTK等儀器設備測量自然地貌，根據規(guī)劃設計高程和范圍，采用斷面法、網格法、三角網法等，建立數據基礎模型計算土石方量。然而對于地形復雜破碎、坡坎縱橫、不規(guī)則的區(qū)域，這種以碎部點為主的測量方法得出的土石方量必然和實際情況有一定的出入，造成工程項目投資預算的不準確，損害投資方和施工方的經濟利益。綜上所述，本文以Riegl LMS-Z420i三維激光掃描測量系統(tǒng)在工程中的實際應用為例，闡述三維激光掃描技術在工程土石方測量中的優(yōu)勢。

2　Riegl LMS-Z420i三維激光掃描測量系統(tǒng)

2.1 技術特點

Riegl LMS-Z420i三維激光測量系統(tǒng)采用非接觸式快速獲取數據的脈沖掃描機制原理，最高掃描速度為24 000萬點/s，測距精度可達±4mm，點位精度可達4mm，該儀器最遠掃描距離為1 000m，可水平360°，垂直±40°全景粗略掃描，配合數碼全景照相機，可以獲取掃描點云的紋理信息。該儀器具有獨特的多回波功能，配合內業(yè)處理軟件，可以基本實現植被和非地面點地物的自動去除，在有植被覆蓋及非地面點地物較多區(qū)域的測量數據的獲取方面，該功能具有明顯優(yōu)勢。配合GPS定位系統(tǒng)的應用，使得三維激光掃描技術的應用范圍更加廣闊，與工程的結合更加緊密，近一步提高了測量數據的準確性。詳細的技術參數如圖1所示。

圖1　Riegl LMS-Z420i三維激光掃描儀技術參數

2.2 系統(tǒng)組成及工作原理

Riegl LMS-Z420i三維激光掃描儀由三維激光掃描儀直接與數碼相機、GPS定位裝置、升降臺、旋轉平臺、應用軟件以及其他附件結合組成。

三維激光掃描測量技術集成了激光測距系統(tǒng)和激光測角系統(tǒng)，采用脈沖式測量，可以主動發(fā)射激光并接收自然物體的反射信號，通過內置的探測裝置接收該反射信號，利用計算得出的發(fā)射和接收時刻的時間差，得出反射點P到儀器中心的斜距S，同時獲取此激光束的水平方向角度α和垂直方向角度θ。

三維激光掃描儀的三維坐標計算原理是極坐標法(見圖2)。其坐標原點為掃描儀的激光脈沖發(fā)射中心，Z軸為儀器的豎軸，Y軸為掃描默認起始方位，X軸垂直于Y、X軸構成空間直角坐標系，通過這種關系根據點空間直角坐標系的計算原理即可得出以掃描儀中心為原點的反射物P的三維坐標(X,Y,Z)，具體公式為：

圖2　掃描儀三維坐標計算原理示意圖

3　應用實例

3.1 作業(yè)流程

作業(yè)流程見圖3。

圖3　作業(yè)流程示意圖

3.2 掃描計劃的制定

根據測區(qū)的地形狀況，本次外業(yè)作業(yè)測站和標靶均勻分布于測區(qū)內，共架設18站掃描站，確保無盲區(qū)，并將現場完整掃描下來，每個掃描站均使用專業(yè)的高精度反射標靶來進行精確定向，單站掃描時間為2′55″。

3.3 外業(yè)數據采集

在進行實際測量作業(yè)前，先進行部分試測，現場分析采集到的數據是否滿足規(guī)范要求，進行初步的質量分析和控制。當試測的數據滿足要求后，方可進一步作業(yè)。每站在進行點云數據采集的同時，利用高精度GPS精確獲取測站點和反射標靶的坐標，以便在進行后續(xù)的內業(yè)處理時能將掃描點和當地坐標進行精確匹配。采集到的部分GPS測站點和相關反射標靶的坐標數據如圖4所示。

圖4　測站點和坐標數據

3.4 內業(yè)數據處理

(1) 點云數據的拼接和坐標轉換。

由于18個測站所采集的點云數據均是以掃描儀自身為坐標原點的獨立坐標系，即掃描儀自身測量坐標系，18個測站的點云數據坐標是互不相關的，因此掃描數據采集完畢后，還需要通過與掃描儀配套的Riscan PRO軟件對點云數據進行拼接與坐標轉換[7]。通過拼接和坐標轉換后鑲嵌到測區(qū)內，如圖5所示。

圖5　通過拼接和坐標轉換后鑲嵌到測區(qū)的點云數據

(2) 多余數據的刪除和濾波處理。

掃描點云的數據量比較大，總測點數達到了25 326 054個，將測區(qū)范圍外的多余數據刪除，并通過Riscan PRO軟件自動剔除測區(qū)范圍內的噪點，保留可用的測區(qū)掃描點云如圖6所示，其中包括測量點數為：1 770 665個，刪除率達到了93%。

圖6　數據刪除后剩余點云數據

為驗證三維激光掃描儀所采集的點云數據的精度是否達到了要求，在測區(qū)內使用全站儀均勻隨機的采集碎部點(見圖7)，并將全站儀所測的測區(qū)內檢測點和檢查點最鄰近的掃描點進行比對，對比結果見圖8。

圖7　全站儀采集檢查點

圖8　檢查點和掃描點對比結果

為進一步減少數據的計算量，將測區(qū)范圍內的掃描點云進行0.5m格網抽稀，最后該區(qū)域存有點的數量為：127 459個，僅占最初采集總點數的0.5%，抽稀后的點云數據以及利用這些數據生成的三角網見圖9。

將設計中的標高導入到Riscan PRO軟件里，生成標高平面(圖中網狀面表示標高)見圖10，并分別計算測區(qū)內的土石方填挖方量，最終得出測區(qū)共需挖方73 132.509m3，填方513.850m3。該工程通過最后的施工驗收，測量成果滿足工程需要，數據精度達到了規(guī)范要求。

圖9　剩余點云數據和三角網

圖10　生成的標高平面

4　結語

通過三維激光掃描在土石方測量中的應用實例，得出以下幾點結論：

(1) 三維激光掃描技術作業(yè)效率遠高于傳統(tǒng)測量方法，并且所得數據能更為準確的反應出測區(qū)的實際地表情況。

(2) 以現有的三維激光掃描技術能夠達到土石方測量的精度要求，在地形復雜，特別是不規(guī)則的測區(qū)內有很大的應用前景。

(3) 現有的激光掃描儀器測量距離和云數據處理仍是限制其應用的最大制約因素，這也將是以后三維激光掃描測量系統(tǒng)研究的必然方向。

【參考文獻】

[1]徐進軍,張民偉.地面三維激光掃描儀:現狀與發(fā)展[J].測繪通報,2007(1):47-50．

[2]毛方儒,王磊.三維激光掃描測量技術[J].宇航計測技術,2005, 25(2):1-6．

[3]丁延輝,湯羽揚,周克勤,等.基于地面三維激光技術的建筑物變形監(jiān)測研究[J].北京測繪,2011(2):4-6．

[4]路興昌,張艷紅.基于三維激光掃描的空間地物建模[J].吉林大學學報(地球科學版),2008,38(1):167-171．

[5]劉旭春,丁延輝.三維激光掃描技術在古建筑保護中的應用[J].測繪工程,2006,15(1):48-49．

[6]陳冉麗,吳侃.三維激光掃描用于獲取開采沉陷盆地研究[J].測繪工程,2012,21(3):67-70．

[7]白立飛,潘寶玉,張?zhí)m.三維激光掃描技術在數字礦山領域的應用[J].山東國土資源,2013,29(8):43-46．

【其 他】

Application of Riegl LMS-Z420i 3D Laser Scanning Measurement System on Earthwork Volume Measurement

SUN Ya-ting
(Shandong Branch of China National Geological Exploration Center of Building Materials Indusrty, Jinan 250100, China)

Abstract:Currently, the traditional analogical style is gradually being replaced by digital and informatization style, advanced surveying instruments and technology mapping products to meet the efficiency and accuracy of data collection for the purpose, 3D laser scanning measurement systemis the one of them. In effect, thisinstrumentcan obtain tens of thousands of points per second; in accuracy, by processing and analyzing the massive point cloud data, can article intuitively and truly show the survey area and the surrounding, this paper got the precise digital elevation model. In this paper, through the practical application of Riegl LMS-Z420i 3D laser scanning measurement system on earthwork volume measurement, explores the technical advantages of 3D coordinatefor scanners and its prospects.

Key words:3D coordinatefor scanners; point cloud; earthwork volume

【收稿日期】2015-03-16

【文章編號】1007-9386(2015)03-0054-03

【文獻標識碼】A

【中圖分類號】TD173.5