隗合翔 宗愛華

北京市測繪設(shè)計研究院 北京 100038

引言

經(jīng)濟社會穩(wěn)步發(fā)展的過程中，工程項目的數(shù)量增多、規(guī)模擴大，各類工程項目中常常涉及土方測量任務(wù)，以通過測量結(jié)果來合理安排施工任務(wù)，促進工程建設(shè)。但因為工程場地內(nèi)的環(huán)境條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的測量技術(shù)面臨效率低、數(shù)據(jù)獲取困難、精度不高等問題。一些工程的土方測量中采用了三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)在效率、效益、精度等方面都具有優(yōu)勢，獲取的結(jié)果更為有效。各工程項目的土方測量中，有關(guān)人員需持續(xù)推廣激光掃描技術(shù)，配備高性能掃描儀器，制定科學(xué)的測量技術(shù)方案。

1 工程概況

某項目處于朝陽區(qū)，為促進該項目的順利實施，土方測量為關(guān)鍵任務(wù)。綜合測區(qū)情況，此區(qū)域為矩形堆土場地，東西方向、南北方向的長度分別為270m、225m，土堆形狀不規(guī)則，中間部分分布有深淺不一的溝坡，總體高差較大。

2 傳統(tǒng)作業(yè)方法分析

2.1 外業(yè)采集

針對本項目的土方測量任務(wù)，如采用傳統(tǒng)測量技術(shù)，一般可通過水準(zhǔn)儀采點、全站儀采點、GPS-RTK采點來獲取各類數(shù)據(jù)。水準(zhǔn)儀采集數(shù)據(jù)時，工作效率較低，僅適用于小范圍的測量任務(wù)，大范圍、高差起伏較大的項目中一般不采用這一方式。本項目測區(qū)范圍大，且高差較大，水準(zhǔn)儀測量的效果不佳。無論通視條件好壞均可采用GPS-RTK技術(shù)，但如現(xiàn)場存在信號遮擋等異常問題，也難以保障數(shù)據(jù)精度，且碎步點需逐點采集，測量任務(wù)多、工作強度大，需耗費較長的時間。本項目所在地的條件不佳，信號受干擾較大，不適宜采用GPS-RTK技術(shù)[1]。全站儀測量下對通視條件有嚴(yán)格規(guī)定，如通視條件達不到標(biāo)準(zhǔn)，將無法實現(xiàn)全方位測量，測繪數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確度不高。綜合上述分析，水準(zhǔn)儀、全站儀、GPS-RTK技術(shù)在應(yīng)用于本項目的土方測量后，無法得到相對可靠的結(jié)果。

2.2 內(nèi)業(yè)計算

土方測量中除了要進行外業(yè)測量，同樣需進行內(nèi)業(yè)計算。傳統(tǒng)的技術(shù)條件下，內(nèi)業(yè)計算可選擇斷面法、方格網(wǎng)法、等高線法。以斷面法為例，在計算中可選擇圖解法、解析法，但無論采用何種計算方法，只需要獲取兩端橫斷面的面積即可得到結(jié)果，計算過程簡單。一旦測區(qū)面積較大，求解面積時將相對困難，易發(fā)生計算錯誤情況，計算結(jié)果可能與實際存在較大的偏差，特別是測區(qū)地形條件復(fù)雜的情況下，誤差相對較大。為此，當(dāng)被測對象位于山區(qū)、高差較大、自然地面較為復(fù)雜，或者處于地形狹長地段時，均可利用斷面法。在計算土方量時也可采用方格網(wǎng)法，此方式的操作流程簡單，計算過程、結(jié)果更為直觀，但此計算方式下同樣存在一定的誤差，主要為方格頂點高程、場地面積求積等誤差所引起。結(jié)合方格網(wǎng)法的計算原理及過程，有關(guān)人員在現(xiàn)場應(yīng)通過地形圖布置方格網(wǎng)，地形圖中標(biāo)有等高線，利用等高線即可獲取每一方格頂點的高程信息，地圖上的等高線由若干等高程的點連接得到，等高線并不能完全代表場地內(nèi)的地形情況，得到的方格頂點高程與實際存在一定誤差[2]。另外方格網(wǎng)法下存在兩點之間坡度均勻的假設(shè)條件，很多情況下并不滿足這一假設(shè)前提，為此，為減小計算誤差，一般將方格法用在地形起伏小、地面坡度呈規(guī)律性變化、面積大的地方。在計算土方量時也常常采用等高線法，在此方法下應(yīng)先計算兩條等高線的圍合面積，因為兩條等高線的高差為已知值，能快速計算兩條等高線的土方量。在使用等高線法時同樣存在前提條件，應(yīng)選擇閉合等高線。

2.3 確定新方法

因為傳統(tǒng)測量方式下存在的一系列問題，如測繪難度大、數(shù)據(jù)偏差大。從操作便捷性、數(shù)據(jù)可控性角度，最終在本次測量工作中引入了三維激光掃描技術(shù)，通過三維激光掃描密集點云，建立三維模型。

3 三維激光掃描技術(shù)的相關(guān)介紹

3.1 基本原理

三維激光掃描技術(shù)利用的是激光測距原理，屬于非接觸式測量技術(shù)，能獲取地形或復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，由后處理軟件處理點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)，將前期采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)，或者建立三維可視化模型，整個過程的操作簡單，很多環(huán)節(jié)可由計算機自動完成，效率和精度都相對較高[3]。

3.2 成果形式

3.2.1 原始點云數(shù)據(jù)。利用三維激光掃描技術(shù)時能獲得原始點云數(shù)據(jù)，此部分?jǐn)?shù)據(jù)為被測物體的真實尺寸，其中不僅僅包含了被測對象的空間尺寸及反射率等基本信息，還能通過配備高分辨率的外置數(shù)碼相機，逼真保留對象的紋理色彩信息[4]。在測量過程中三維激光掃描儀可與全站儀、GPS等結(jié)合，整合全部的數(shù)據(jù)放于特定的空間坐標(biāo)系中。利用專用的點云瀏覽軟件，可在點云中實現(xiàn)漫游、瀏覽，并量測被測物體的尺寸、角度、面積等，操作高效且得到的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。

3.2.2 二維線畫圖件。二維線畫圖件為傳統(tǒng)測量的成果，包含平面圖、立面圖、剖面圖。如為建筑測量任務(wù)，這些圖件能表示建筑內(nèi)的結(jié)構(gòu)或者構(gòu)造形式，進一步顯示分層情況，反映建筑物的長、寬、高等尺寸形式、地面標(biāo)高、層頂形式等。經(jīng)由前期所得到的點云數(shù)據(jù)，在CAD中采用專門的點云編輯插件，能制作各類圖件。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的點云數(shù)據(jù)。三維激光測量中利用專門軟件的發(fā)布模塊、插件，掃描得到的點云能發(fā)布于互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)共享，遠(yuǎn)端用戶在特定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能置身于真實的現(xiàn)場環(huán)境中。發(fā)布后的點云不僅能網(wǎng)上瀏覽，還能基于互聯(lián)網(wǎng)完成量測及標(biāo)注，提高數(shù)據(jù)共享水平。對很多無法向公眾開放的景點或者突發(fā)事件現(xiàn)場，利用網(wǎng)上發(fā)布的彩色點云數(shù)據(jù)，能為公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽創(chuàng)造條件，通過Skyline軟件，用戶在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下可動態(tài)瀏覽三維點云數(shù)據(jù)。

3.2.4 三維模型。掃描所得的數(shù)據(jù)可利用隨機軟件或者其他第三方軟件進行建模，構(gòu)建mesh格網(wǎng)模型，最后由紋理映射或者導(dǎo)入到其他三維軟件中完成紋理貼圖，得到三維模型，真實還原被測物體的全貌。

4 徠卡MS60三維激光掃描儀的特點

針對本項目的土方測量任務(wù)，傳統(tǒng)的測量技術(shù)存在諸多不足。綜合諸多因素，最終選擇三維激光掃描技術(shù)，選用徠卡MS60三維激光掃描儀負(fù)責(zé)掃描工作。在徠卡MS60三維激光掃描儀中融合了多種現(xiàn)代技術(shù)，不僅能采集現(xiàn)場的諸多信息，還能進一步上傳數(shù)據(jù)。MS50全站掃描儀的測量精度較高，測量過程中該種掃描儀的自動化程度較高，能在1500m的長距離條件下完成測量任務(wù)，測程遠(yuǎn)，得到的數(shù)據(jù)不需要拼接處理。

土方測量中利用徠卡MS60全站掃描儀，能彌補傳統(tǒng)測量技術(shù)的諸多不足，其采集呈現(xiàn)以下特點：能以海量的點云掃描數(shù)據(jù)替代單點測量，用包含紋理信息的圖像數(shù)據(jù)替代原先的草圖，構(gòu)建3D模型，能直觀還原現(xiàn)場全貌。在整合采集的各種數(shù)據(jù)后，能自動建立三維可視化模型，建模操作簡單且精度較高。

結(jié)合本項目現(xiàn)場的實際情況，徠卡MS60三維激光掃描技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面：①數(shù)據(jù)采集便捷、高效，得到數(shù)據(jù)結(jié)果的精度較高。MS60掃描儀的掃描速度為1000點/s，可完整、準(zhǔn)確捕獲被測物體的三維信息，只需要合理設(shè)定設(shè)備參數(shù)，即可自動掃描并整合各種類型的數(shù)據(jù)。②在測量過程中幾乎不受環(huán)境因素的影響，即使現(xiàn)場環(huán)境較為復(fù)雜，徠卡MS60全站掃描儀也能掃描被測目標(biāo)，獲取三維坐標(biāo)、色彩信息、反射強度等信息，不需要與被測目標(biāo)直接接觸。③自動化程度高、安全性好。徠卡MS60掃描儀特殊之處在于其能與全站儀一樣架設(shè)于已知控制點，通過已有方向完成定位，掃描的點云中包含坐標(biāo)信息，不存在點云拼接過程，許多環(huán)節(jié)可由計算機軟件自動完成，操作更為安全。

5 外業(yè)測量及點云數(shù)據(jù)的處理和校核

5.1 外業(yè)測量方法

在本次的土方測量中，利用徠卡MS60全站掃描儀進行外業(yè)測量時，主要需注意以下方面：①現(xiàn)場勘察，綜合現(xiàn)場的各方面信息確定掃描技術(shù)設(shè)計書。測量工作中掃描作業(yè)技術(shù)設(shè)計書為重要參考，有關(guān)人員可依據(jù)所掌握的地形、地貌等基本情況，合理優(yōu)化技術(shù)作業(yè)書中的內(nèi)容，并按照掃描過程及原理，確定掃描站點、掃描測站數(shù)量。根據(jù)實際經(jīng)驗，一般向掃描站點選擇較高區(qū)域，以擴大掃描覆蓋面，適當(dāng)減少測站數(shù)量。為獲取更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果，前期的工作中有關(guān)人員也需優(yōu)化掃描查賬的幾何構(gòu)圖形狀，避免出現(xiàn)掃描盲區(qū)，保障三維點云數(shù)據(jù)精度。②平面控制測量，在此次測量工作中應(yīng)引入RTK技術(shù)，按照現(xiàn)場堆土分布特點，合理確定控制點，不僅需保障每一控制點的位置精度，還需確定控制點數(shù)量。依據(jù)現(xiàn)場情況，控制點應(yīng)在堆土北側(cè)、東側(cè)布置。③高程測量，選擇水準(zhǔn)測量技術(shù)，起閉于北京市等級控制點，實測K1、K2、K3、K4點的高程。④徠卡MS60架設(shè)K1，后視K2，2測回觀測土堆西側(cè)樓房特征點A、B，控制數(shù)據(jù)偏差，并保留測量結(jié)果。同樣，將儀器架設(shè)在K2，后視K1，觀測西北側(cè)的無線發(fā)射塔特征點C；儀器架設(shè)在K4，后視K3，在觀測西南側(cè)無線電發(fā)射塔特征點D，保留觀測中得到的全部數(shù)據(jù)[5]。上述的A、B、C、D四個特征點，均為徠卡MS60掃描儀自由設(shè)站提供的后方交會方向。⑤上述的一系列外業(yè)測量數(shù)據(jù)，均能為三維激光掃描提供支持，為發(fā)揮這些數(shù)據(jù)的作用，相關(guān)人員需依據(jù)行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)要求，進行一定的處理。⑥自由設(shè)站，以通過測繪來獲取后方交會設(shè)站點坐標(biāo)、高程值。

5.2 點云數(shù)據(jù)處理

上述測繪過程中得到的點云數(shù)據(jù)需進行專業(yè)化處理。具體的處理過程如下：①將徠卡MS60的工程文件進行調(diào)用，從中導(dǎo)出Cyclone，獲取.XML文件，這類型文件可讀取，直接從設(shè)備中導(dǎo)出。②在Cyclone新建Databases數(shù)據(jù)庫，將前期導(dǎo)出的.XML文件導(dǎo)入該數(shù)據(jù)庫。③由Cyclone軟件進行數(shù)據(jù)處理，具體的處理過程中其需要整合已有的點云數(shù)據(jù)，率先進行去噪處理，再根據(jù)項目中土方測量的精度標(biāo)準(zhǔn)，重新采樣點云數(shù)據(jù)，以保障數(shù)據(jù)精度符合要求，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理提供便捷。MS60掃描儀能獲取目標(biāo)對象的坐標(biāo)點云，多個測站之間所得到的點云數(shù)據(jù)之間不需要拼接處理，內(nèi)業(yè)去噪、重采樣的操作簡單，效率高。經(jīng)由處理后得到的點云數(shù)據(jù)，直接從軟件中導(dǎo)出，生成*.LAS格式的數(shù)據(jù)，再引入Geomagic軟件進一步處理數(shù)據(jù)，據(jù)此構(gòu)建地表模型，確定土方計算的起算高度等。

5.3 測量成果數(shù)據(jù)

在計算過程中，委托方需根據(jù)現(xiàn)場情況確定土方起算面，由外業(yè)借助掃描儀完成掃描，在得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，利用Geomagic軟件整合各種數(shù)據(jù)，并自動計算土方量，依據(jù)計算結(jié)果制作土方成果表。Geomagic軟件自帶數(shù)據(jù)處理功能，在一定的指令下可生成*.dxf格式等高線，與CAD之間共享數(shù)據(jù)，由CAD制作1∶500地形圖。為檢驗點云模型數(shù)據(jù)算法結(jié)果是否可用，精度能否達到標(biāo)準(zhǔn)，需通過抽稀方式處理點云，在CAD中建立三維網(wǎng)格進行全面檢驗與評估。

6 結(jié)束語

土方測量的難度較大，在很多工程項目中都面臨一系列的工作難題。而三維激光掃描技術(shù)在土方測量中的優(yōu)勢明顯，各工程企業(yè)需立足自身情況，合理配備現(xiàn)代化掃描儀器，并繼續(xù)優(yōu)化三維激光掃描技術(shù)體系。