基于三維激光掃描儀的土方測量應(yīng)用研究

洪卓眾

(廈門市海洋與漁業(yè)研究所，福建 廈門 361008)

基于三維激光掃描儀的土方測量應(yīng)用研究

洪卓眾*

(廈門市海洋與漁業(yè)研究所，福建 廈門 361008)

土方量測算是工程項(xiàng)目中最基本的問題，準(zhǔn)確、快速、高精度的土方量測算，對工程的工期、成本和規(guī)劃設(shè)計(jì)有重要的意義。文中利用三維激光掃描儀對某區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，結(jié)合GeomagicStudio軟件建立被測區(qū)域的三維模型及線、面、體等各項(xiàng)信息，進(jìn)而獲得填方量和挖方量并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果表明：運(yùn)用三維激光掃描儀測算的土方量，精度高、效率快，能夠滿足各種工程建設(shè)的需求。

土方計(jì)算；三維激光掃描儀；三維建模

1 三維掃描技術(shù)原理及傳統(tǒng)土方計(jì)算模型

1.1 三維掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀是無合作目標(biāo)激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測量系統(tǒng)，在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進(jìn)行快速掃描測量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距和反射強(qiáng)度，自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)[1]。每秒可采集百萬的數(shù)據(jù)點(diǎn)，縱向掃描角接近于90°，橫向可繞儀器豎軸進(jìn)行360°全圓掃描，掃描數(shù)據(jù)可通過TCP/IP協(xié)議自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，外置數(shù)碼相機(jī)拍攝的場景圖像可通過USB數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸?shù)诫娔X中。大量精確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在后續(xù)處理建立模型時(shí)，點(diǎn)成線，線成面，構(gòu)建的模型表面幾乎和實(shí)體土方表面一模一樣[2]。

1.2 傳統(tǒng)土方計(jì)算模型

傳統(tǒng)的土方量計(jì)算方法有方格網(wǎng)法，DTM法，斷面法，等高線法。對于面狀區(qū)域，較常用的是方格網(wǎng)法和DTM法，其中方格網(wǎng)法是在給定的范圍內(nèi)，按一定間隔d生成方格網(wǎng)。按照高程數(shù)據(jù)文件利用插值的數(shù)學(xué)方法，確定方格網(wǎng)中各小方格點(diǎn)的高程。利用兩個(gè)數(shù)據(jù)文件分別插值的1個(gè)小方格4個(gè)角點(diǎn)高程的平均值分別為：

(1)

(2)

則小方格的土方量為：

Vi=(h″-h′)d2

(3)

將所有小方格累加，即得到挖方量和填方量[3]。

DTM模型計(jì)算是通過生成不規(guī)則三角網(wǎng)，使整個(gè)土石方的地形形成了由三角錐組成的集合，根據(jù)給定的設(shè)計(jì)高程設(shè)計(jì)零平面，分解成三棱錐、三棱柱，計(jì)算出體積從而累加成挖方和填方。該方法精度較高。碎部點(diǎn)的數(shù)量，位置及精度決定了土方量計(jì)算的精度，但數(shù)據(jù)點(diǎn)越密，工作量越大，測量耗時(shí)越長[3]。

2 算 例

文中選取某區(qū)域一小山(如圖1所示)作為研究對象，該區(qū)域形狀不規(guī)則，樹木相對較多，地面起伏較大。本次實(shí)驗(yàn)通過建立統(tǒng)一的基準(zhǔn)，分別采用傳統(tǒng)測算方法與三維激光掃描儀測算方法進(jìn)行對比驗(yàn)證。具體情況如下。

圖1 算例區(qū)域示意圖

2.1 傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)方法采用2″全站儀進(jìn)行碎部點(diǎn)采集，為保證固定區(qū)域土方計(jì)算的準(zhǔn)確性，采集數(shù)據(jù)時(shí)，平坦地方每隔 4 m采集一數(shù)據(jù)，凹凸不平或者斜坡地方則每隔 2 m采集一數(shù)據(jù)。實(shí)測中依據(jù)地形確定高程數(shù)據(jù)的密度，特別是高差起伏較大或者凹凸不平的地方。圖2是全站儀采集的數(shù)據(jù)分布示意圖。

圖2 全站儀土方測量數(shù)據(jù)示意

土方計(jì)算利用南方CASS軟件以DTM方法計(jì)算。先確定土方區(qū)域邊界，點(diǎn)間距離設(shè)置為 3 m，底標(biāo)高設(shè)置為 10 m，由于固定區(qū)域土方邊坡是平滑的曲面，所以邊坡處理直接采用默認(rèn)數(shù)值。根據(jù)邊界線直接生成DTM模型，即得出結(jié)果，如圖3所示：

圖3 DTM法計(jì)算的挖填土方量

2.2 三維激光掃描土方量計(jì)算

文中采用faro focus3D X130激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，該儀器測距精度：±2 mm，掃描距離：0.6 m～30 m。針對于該區(qū)域樹木較多，采用交叉擺站，沿著實(shí)驗(yàn)區(qū)域邊界兩側(cè)錯(cuò)開擺站，分辨率設(shè)置為1/4、4倍質(zhì)量的模式，相鄰測站之間使用3個(gè)公共靶球。獲得該區(qū)域全景掃描數(shù)據(jù)。利用掃描后處理軟件GeomagicStudio對獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除，數(shù)據(jù)拼接，數(shù)據(jù)精簡及曲面重構(gòu)。圖4是拼接完成后的部分三維視圖。

圖4 部分三維視圖

根據(jù)已處理數(shù)據(jù)，構(gòu)建土方區(qū)域模型，設(shè)定基準(zhǔn)面為 10 m，在計(jì)算挖填土方時(shí)，通過三維激光掃描儀可以獲得表面土方的體積，直接生成土方模型即可直接得到計(jì)算結(jié)果(如圖5所示)。

根據(jù)圖5可知，該方法土方區(qū)域的總體積為 8 227.03 m3(導(dǎo)入數(shù)據(jù)時(shí)采用的單位是mm，方便數(shù)據(jù)處理，計(jì)算的結(jié)果是 8 227.03 mm3，此處改為 8 227.03 m3)。

圖5 GeomagicStudio軟件土方計(jì)算的效果圖

2.3 計(jì)算結(jié)果對比分析

計(jì)算結(jié)果對比 表1

如表1所示，與DTM方法算出挖方量和填方量不同，由于GeomagicStudio軟件直接算出模型的體積，故填方量為0，即直接算出總土方量。由計(jì)算結(jié)果可知，兩種方法測算得出總土方量之差為 117.3 m3，即1%的差距。相差較小，由于傳統(tǒng)方法存在采集點(diǎn)的位置、密度還有三角網(wǎng)內(nèi)插的算法上存在一定的失真現(xiàn)象，故存在一定的誤差。

3 結(jié) 論

三維激光掃描儀用于工程土方量測算領(lǐng)域，有利于提高土方量的計(jì)算精度，且成果更加直觀，在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)不受地形限制，無接觸，快速高精度的特點(diǎn)大大提高了工作效率，也提高了施工的安全和質(zhì)量。

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Earthwork Measurement Based on 3D Laser Scanner Application Research

Hong Zhuozhong

(Xiamen Marine and Fisheries Research Institute，Xiamen 361008，China)

the earthwork calculation is the most basic problem in the project，accurate，fast，high precision of earthwork calculation quantity plays an important part in the project. Using 3D laser scanner to collect the data of a region，combined with GeomagicStudio software，this paper establish the 3D model and the other information of the object，then compared with the traditional method to obtain the amount of fill and excavation volume. The results show that using 3D laser scanner to obtain the earthwork quantity is high precision，high efficiency and satisfy various engineering construction needs.

earthwork calculation；3D laser scanner；3D modeling

1672-8262(2017)01-108-03

P258

B

2016—05—16 作者簡介：洪卓眾(1982—)，男，碩士，工程師，主要從事大地測量數(shù)據(jù)處理及海洋測繪相關(guān)等技術(shù)工作。