基于三維激光掃描技術(shù)的土石方測量方法及對比分析

胡玉祥，欒學(xué)科，石樂樂1，，徐瀟1，，熊文輝1，

(1.青島市西海岸基礎(chǔ)地理信息中心有限公司，山東 青島 266000； 2.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032；3.青島市地下空間地理信息工程研究中心，山東 青島 266032)

1 引 言

目前常用的土石方測量方法是通過將地形模擬為高度不一的棱柱來計(jì)算場地的土方量[3]。此種方法需要采集一定間隔的地形點(diǎn)標(biāo)高，而且采集點(diǎn)的密度越大計(jì)算得到的方量越精確。傳統(tǒng)離散點(diǎn)測量方式是通過全站儀或者RTK測量形式，構(gòu)建三角網(wǎng)或者方格網(wǎng)計(jì)算土石方量?；诰W(wǎng)格法計(jì)算方量精度嚴(yán)重取決于格網(wǎng)點(diǎn)采集的密度，而過密的離散點(diǎn)采集大大增加了外業(yè)測繪的工作量，同時(shí)傳統(tǒng)測量方式費(fèi)事、費(fèi)力，效率低下。

三維激光掃描技術(shù)近幾年發(fā)展異常迅速，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方式，能在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射幾十萬甚至幾百萬的點(diǎn)，以點(diǎn)云的形式表達(dá)三維空間的幾何形態(tài)，同時(shí)還可以采集高分辨相片，形成物體的三維正射影像，再現(xiàn)物體的真實(shí)三維形態(tài)[1，2]。三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)對于解決土石方量測繪問題提供了一種全新的解決辦法[4]。本文借助青島市勘察測繪研究院購置的站式三維激光掃描儀RTC360和手持掃描儀ZEB HORIZON，探索三維激光掃描儀用于土石方測量的精度和有效性，分析兩種掃描方式的優(yōu)點(diǎn)和不足，同時(shí)對三維掃描和傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行對比分析，為土石方測量提供了很好的借鑒。

2 土石方測量

土石方測量的基本思路是：基于已有的地形圖、DEM或者外業(yè)實(shí)測一定間隔的離散點(diǎn)三維坐標(biāo)，通過將地形模擬為高度不一的棱柱來計(jì)算方量，離散點(diǎn)采集密度直接決定著土石方量計(jì)算的準(zhǔn)確度。

2.1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方法

傳統(tǒng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法是基于RTK或者全站儀測量方式，獲取一定間隔的離散點(diǎn)三維坐標(biāo)，基于三維坐標(biāo)，采用方格網(wǎng)法或者三角網(wǎng)法計(jì)算土石方量。具體流程如圖1所示：

圖1 方格網(wǎng)法計(jì)算土石方流程

2.2 三維激光掃描數(shù)據(jù)采集方法

三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為土石方測量提供了一種新的途徑，本文借助青島市勘察測繪研究院購置的站式三維激光掃描儀RTC360和手持式三維激光掃描儀ZEB HORIZON，介紹兩種掃描儀的作業(yè)流程和注意事項(xiàng)。

(1)站式三維激光掃描儀RTC360

站式三維激光掃描儀，主要經(jīng)過外業(yè)掃描和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程，如圖2所示。

圖2 RTC360土石方測量作業(yè)流程

點(diǎn)云拼接是將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到一個(gè)整體的過程，采用徠卡配套的專用拼接軟件REGISTER 360進(jìn)行，一般有兩種方式：基于公共點(diǎn)的拼接和基于點(diǎn)云視圖的拼接。在RTC360視圖拼接中，每站拼接完均可以得到點(diǎn)云匹配的相關(guān)精度信息，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云拼接精度信息

點(diǎn)云融合就是將不同站點(diǎn)、不同儀器設(shè)備的點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并在一起的過程，在外業(yè)掃描過程中，每站都會(huì)有很多的重合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將各站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起就造成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的重疊，點(diǎn)云融合的目的就是根據(jù)點(diǎn)云歸一化算法將重疊點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化的過程；在掃描儀的原始點(diǎn)云中往往包含若干對成果處理有不良影響的點(diǎn)，點(diǎn)云去噪就是根據(jù)一定的點(diǎn)云濾波算法，讓有效點(diǎn)保留，無效點(diǎn)刪除的過程。

“鄂中仟金方微生物復(fù)合肥、鄂中生物高分子和神捕聚羧基增效復(fù)合肥”三大產(chǎn)品通過一年的示范推廣，各地涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀種植牛人和種植達(dá)人，并自愿為其產(chǎn)品和品牌代言。在今年的磷復(fù)肥產(chǎn)銷會(huì)上，與會(huì)代表親眼看到了這一幕：湖北鄂中生態(tài)工程股份有限公司推選的6位央視種植牛人在展臺(tái)為鄂中仟金方、生物高分子、“神捕”聚羧基增效復(fù)合肥戰(zhàn)略精品代言，引來與會(huì)代表、行業(yè)媒體廣泛關(guān)注，由此也可以看出，鄂中生態(tài)要將“以中醫(yī)問診中國農(nóng)業(yè)，為中國億萬耕地療傷”這一愿景進(jìn)行到底的決心。

點(diǎn)云絕對定向就是進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的過程，點(diǎn)云數(shù)據(jù)以三維坐標(biāo)的形式進(jìn)行展示。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出就是對預(yù)處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出成標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(如.las .pts)，方便后續(xù)用專用軟件進(jìn)行處理、建模、分析使用。

(2)手持三維激光掃描儀

手持三維激光掃描儀Geoslam采用移動(dòng)式的數(shù)據(jù)采集方式，以SLAM算法為技術(shù)核心，全自動(dòng)處理，可以完整地采集地形環(huán)境下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集流程如圖4所示。

圖4 手持三維激光掃描儀土石方測量作業(yè)流程

Geoslam不需要擺設(shè)靶球、目標(biāo)物等，采集效率是靜態(tài)掃描儀的十倍以上，其超寬視角可以獲取更多的數(shù)據(jù)，不用擔(dān)心漏掃；其輕便體積小，在自然林地環(huán)境中可以自由穿梭，不受環(huán)境限制；內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間短，全自動(dòng)多任務(wù)同時(shí)處理[2]。

(3)土石方量計(jì)算

無論是采用架站式還是手持移動(dòng)式掃描儀，經(jīng)過上述點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理后，可以導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)：.las或者.pts。將.las或者.pts標(biāo)準(zhǔn)格式導(dǎo)入后處理軟件RealWorks中，可以建立三角網(wǎng)格，然后計(jì)算土石方量；也可以將點(diǎn)云抽稀成一定間隔的離散點(diǎn)云，導(dǎo)出離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)，利用傳統(tǒng)土石方測量計(jì)算方法計(jì)算土石方量。

利用點(diǎn)云后處理軟件計(jì)算土石方量，首先設(shè)置一定的分辨率，基于點(diǎn)云生成三角格網(wǎng)，對生成的三角格網(wǎng)進(jìn)行編輯處理可以計(jì)算出相對于某高度的土石方填挖量，如圖5所示。

圖5 土石方計(jì)算示意圖

3 精度驗(yàn)證及對比分析

試驗(yàn)選取地鐵6號(hào)線朝陽山路車站土石方項(xiàng)目為例，分別采用傳統(tǒng)測量方式和兩種掃描儀進(jìn)行掃描，計(jì)算土石方量，對結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖6所示。

圖6 掃描點(diǎn)云及范圍線示意圖

3.1 離散點(diǎn)高程對比分析

將三維掃描激光點(diǎn)云進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后導(dǎo)出整個(gè)測區(qū)范圍點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息，均勻選取測區(qū)內(nèi)的離散點(diǎn)60個(gè)，同時(shí)利用全站儀(或RTK)測量方式獲取其三維坐標(biāo)，然后與三維激光掃描儀獲取的同位置點(diǎn)的高程進(jìn)行對比分析。以全站儀(或RTK)測量方式獲取的高程作為基準(zhǔn)，分析架站式和手持式掃描儀與其較差，如圖7所示：

圖7 高程對比較差示意圖

由圖7可知RTC360與全站儀測量高程基本一致，最大較差 -4.4 cm，較差中誤差 1.9 cm，93%數(shù)據(jù)較差小于 3 cm，較差分布比較均勻。ZEB HORIZON與全站儀測量高程存在差異，除去飛點(diǎn)，最大較差 11.9 cm，較差中誤差 7.6 cm，16%數(shù)據(jù)較差小于 3 cm。

根據(jù)《城市測量規(guī)范》(CJJ/T8-2011)及測繪合同要求，RTC360可以用于土石方測量。

3.2 土石方量對比

土石方量對比采取兩種方式：一種是使用點(diǎn)云后處理軟件求取土石方量，即2.3所示方法(方法一)；另一種采用將點(diǎn)云采樣為一定分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格，導(dǎo)入到CASS等軟件中生成三角網(wǎng)，求取土石方量(方法二)；最終與全站儀方法測量計(jì)算的土石方量(方法三)結(jié)果對比如表1所示：

不同離散點(diǎn)密度土方量對比較差表(以RTC360為例) 表1

由對比結(jié)果可以得到，隨著點(diǎn)密度的變化，計(jì)算結(jié)果存在差異，理論上點(diǎn)的密度越大，計(jì)算結(jié)果越可靠，因此建議提供 0.5 m或 1 m間隔的數(shù)據(jù)。

不同測量方式土方量對比較差表 表2

從表2中可以看出，前兩種方法求得的土石方量較為接近，這也間接證明了RTC360用于土石方測量的可靠性。

3.3 作業(yè)效率比較

針對此土石方測繪項(xiàng)目，對比三維激光掃描技術(shù)和全野外全站儀實(shí)測法進(jìn)行作業(yè)效率方面的對比，如表3所示：

作業(yè)效率對比(單位/天) 表3

從表3中可以看出，采用RTC360掃描方法共計(jì)3天，采用ZEB HORIZON掃描方法共計(jì)2.5天，采用全站儀測量方法共計(jì)5天，相比全站儀測量方法，三維激光掃描測量方法作業(yè)效率方面明顯改善。

4 結(jié) 論

三維激光掃描技術(shù)的迅速發(fā)展為傳統(tǒng)測繪行業(yè)提供了一種很好的解決辦法，其外業(yè)測繪省時(shí)、省力，成果展示具有較高的三維可視性，尤其對需要測繪較細(xì)內(nèi)容的項(xiàng)目優(yōu)勢明顯。本文借助青島市勘察測繪研究院購置的站式三維激光掃描儀RTC360和手持掃描儀ZEB HORIZON，探索三維激光掃描儀用于土石方測量的精度和有效性，分析兩種掃描方式的優(yōu)點(diǎn)和不足，得到了一些有益結(jié)論：

(1)根據(jù)多次土方測量結(jié)果表明：RTC360通過一站站拼接，精度較為穩(wěn)定，可以用于土石方測量；ZEB HORIZON借助于SLAM算法，由于SLAM的不穩(wěn)定性及隨著時(shí)間的漂移，手持掃描儀具有較大的不確定性，因而不建議用于精度要求較高的土石方測量。

(2)在進(jìn)行外業(yè)作業(yè)前，應(yīng)對現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，規(guī)劃合理的掃描路線。這樣不僅能夠避免漏測，同時(shí)還能提高作業(yè)效率。

(3)RTC360可用于土石方測量，但現(xiàn)場環(huán)境需滿足一定的條件，即現(xiàn)場沒有密集的雜草等植被或其他障礙物以及水域等影響激光反射的情形。如果地形較為復(fù)雜，建議增加架站的密度和控制點(diǎn)的數(shù)量，以便提高掃描的可靠性。

(4)采用三維激光掃描設(shè)備進(jìn)行土石方測量時(shí)，現(xiàn)場應(yīng)同時(shí)采用RTK或者全站儀等測量方式獲取控制點(diǎn)，以便于三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)系下，同時(shí)還應(yīng)采集部分離散特征點(diǎn)作為檢核，以驗(yàn)證掃描的準(zhǔn)確性。