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土石方測量中三維激光掃描技術的運用分析
發布時間:2019-12-02

  摘    要: 本文以墓園擴建工程為例,分析了三維激光掃描技術的基本工作原理,總結了三維激光掃描技術在土石方測量中的應用流程以及數據處理步驟,文章采用靜態掃描點云體積和機載掃描點云體積的方法進行了土石方量計算,對兩種方法計算的結果進行了對比。結果表明,兩種方法所獲土石方量較差符合一般工程測量的誤差范圍,說明使用三維激光掃描技術獲得點云數據是精確可靠的,因此,在土石方量測量中使用該方法更適用于復雜地形環境的測量工作,可以有效的提高測量效率和測量質量。

  關鍵詞: 三維激光掃描技術; 土石方量; 點云數據;

  Abstract: Taking the expansion project of the cemetery as an example,this paper analyzes the basic working principle of 3 D laser scanning technology,summarizes the application process and data processing steps of 3 D laser scanning technology in earth and stone measurement,and uses the method of static scanning point cloud volume and airborne scanning point cloud volume to calculate the earth and stone volume.The results of the calculation of the two methods are compared.The results show that the poor earth and stone measure obtained by the two methods conforms to the error range of general engineering measurement,and it shows that the use of 3 D laser scanning technology to obtain point cloud data is accurate and reliable,so the method is more suitable for the measurement of complex terrain environment in geo-stone measurement,which can effectively improve the measurement efficiency and measurement quality.

  Keyword: three-dimensional(3D)laser scanning technology; earthwork; point cloud data;

  0、 引言

  地面三維激光掃描技術是繼GPS技術以來又一新突破的測繪技術,推動了測繪領域的快速發展。傳統的地形三維數據采集可分為兩類型[1]:一是以單點采集,即通過采集離散點的三維數據實現地形圖的繪制工作,主要方法儀器有全站儀、GPS、經緯儀等,該類測繪方法在測繪過程中所需時間長,且地形復雜區域存在采點困難、效率低等弊端;二是以面采集,如遙感技術、攝影測量技術等,即通過航拍影像獲得大批量三維坐標,具有采點效率高的特點,但是影像處理耗費時間較長。三維激光掃描技術以高精度逆向三維建模以及重構技術為基礎,實現了“實景復制”技術,即通過獲得測繪區域的三維坐標數據和照片,進而建立實體或實景的三維立體信息,經過重構三維數據模型處理,快速的提取測繪區域的坐標信息因此,三維激光掃描技術在測繪領域具有廣泛的應用,逐漸應用于地表形變監測[2,3]、虛擬現實[4]、三維立體建模和地形測繪[5,6,7]、土石方量測量[8,9,10,11,12,13,14]等領域。本文以某墓園擴建工程為例,分析了三維激光掃描技術在土石方測量中的應用方法。

  1 、三維激光掃描技術的原理

  三維激光掃描技術是繼GPS技術以來又一新型的測繪技術,由三維激光掃描儀為主體的現代化測繪技術,由內置數碼相機、附屬設備、后處理軟件、電源等組成[3]。三維激光掃描技術的工作原理可以表述為:激光二極管發射周期性的激光脈沖,由接收透鏡接收目標表面的反射信號后形成相應的接收信號,利用發射與接收反射信號的時間差計算掃描儀的測距S,同時將掃描儀鏡頭在水平方向和垂直方向上的觀測角度值標記為φ和θ,被測點極為P,則被測點的三維坐標為P(x,y,z)的計算公式為:
 

土石方測量中三維激光掃描技術的運用分析
 

  根據式(1),就可以獲得被測點P的三維坐標。三維激光掃描技術就是利用掃描儀對測繪區域進行全方位掃描工作,對掃描后的數據進行整理,獲得測繪區域的點云數據,進而提取三維空間坐標。土石方量的計算是以研究區域的地形表面為基礎,將其投影至制定的起算平面上,形成一定堆積面積的體積[11]。因此,土石方量的計算方法較多,不同的方法的使用范圍和結果精度也存在較大差異。本文以靜態掃描點云體積和機載掃描點云體積的方法進行研究區土石方量的計算,其工作流程見圖1。

  圖1 三維激光掃描技術在土石方量計算中的應用流程圖
圖1 三維激光掃描技術在土石方量計算中的應用流程圖

  2、 測量設備軟硬件配置

  本文采用的測量設備硬件配置見表1,軟件配置見表2。

  表1 硬件配置表
表1 硬件配置表

  表2 軟件配置表
表2 軟件配置表

  3、 三維激光掃描技術在土石方測量中的應用

  本文以某墓園擴建工程為例進行土石方測量,測圖比例尺為1∶500,平面采用該城市的獨立坐標系,高程采用1985國家高程基準。由于研究區地形地貌變化大、工期緊,使用傳統的測量方法耗時較長,加之地形破碎的區域獲得實測數據信息較難[10]。因此,本文使用三維激光掃描技術進行該區域的土石方測量。

  3.1、 土石方測量方案

  研究區域地形變化不大,有利于土石方量的計算。因此,在土石方量測量方案設計過程中可忽略地形變化較大而引起較大誤差的問題。本文在測量過程中結合墓園周邊已有的兩個一級控制點,再新布設一級圖根點5個,使得控制點分布在研究區內,控制不同微小地形變化處,作為本次平面測量和高程測量的控制點。

  3.2、 點云數據的處理

  本文將外業獲得的掃描儀自身測量坐標系統轉換為該城市的獨立坐標系,利用發射標靶的方法實現點云數據的轉換、拼接和精度的檢核工作,其數據處理包括以下幾個方面內容:

  (1)點云數據的獲取

  為核算墓園擴建工程的土石方量,本次在該工程施工前后不同時間段的同一時點進行測量區域的掃描作業,為了提高掃描質量,避免掃描盲區的出現,在通視條件良好的區域設站,共設置5個測站,每站掃描時間為15min,掃描寬約91m,長約103m。

  (2)點云數據配準與坐標轉換

  利用激光三維掃描技術掃描過程中,因受到掃描儀有效距離,測繪區域地形地貌等綜合因素的影響,使得在測繪區域內進行多次測站的轉移才能完成相應的測繪任務,導致所獲得每一站點的點云數據都為掃描儀內部定義的坐標系統[13]。因此,為了獲得測量區域內部數據坐標系統的統一,必需將各個獨立的站點坐標統一至同一坐標系統下。在獨立坐標系統同一過程中,為了不影響最終與大地坐標轉換時的精度,可以將每個站點的掃描點云數據同一至某一測站的局部坐標系統下,即利用相鄰兩個站點之間的3個或以上的同名控制標靶,也就是點云數據的配準。點云數據的配準方式有相對方式和絕對方式兩種,前者是以某一測站的坐標系統為基準,將其余測站的數據坐標同一至該測站坐標系統下,該種方法在配準過程中不同測站之間需要至少3個以上的同名標靶才能完成數據的配準,該種配準方式隨著測站數量的增多,使得傳遞誤差逐漸增大[14];后者是將掃描儀與常規測量儀器相結合,即使用其他測量儀器獲得每一測站的坐標和標靶坐標,即直接獲得目標點的絕對坐標,再將各測站的坐標轉換至絕對坐標系統中,該種方法不存在傳遞誤差,其最終精度較為均勻(圖2)。因此,本文在點云數據配準過程中利用全站儀獲得絕對坐標,進而進行相應的配準。

  表3 不同機載掃描方法土石方測量結果統計表
表3 不同機載掃描方法土石方測量結果統計表

  圖2 研究區云數據圖匹配圖
圖2 研究區云數據圖匹配圖

  (3)點云數據處理

  在點云數據坐標轉換和配準完成后進行點云數據的冗余處理,將非地面點如浮塵、建筑物、車輛、行人等數據信息過濾,并進行數據重采樣、賦色處理,獲得江北區虹星村龍皇堂墓園擴建工程的全景點云[9]。處理后的點云數據為均勻分布的地表點,以此為基礎進行研究區三維建模,生成相應的三角網,并對三角網進行平滑、細分、補漏等處理,獲得三角網濾波后的點云,并加載相應的DEM模型(圖3)。

  圖3 濾波后的點云
圖3 濾波后的點云

  3.3、 土石方量的計算

  墓園擴建工程的測量范圍相對較小,本文采用表2中的軟件平臺進行數據土石方量的計算。為了對比不同方法計算的土石方量差異,本文采用靜態掃描點云體積和機載掃描點云體積的方法進行相關參數的計算(表3)。通過計算可知,使用靜態掃描點云體積的方式獲得最小高程為30.670m,最大高程為64.190m,計算高程設置為30.000m,獲得挖方體積為86 427.668m3,堆積面積為7 925.485m2,堆積長約95.820m,堆積寬約85.710m。使用機載掃描點云體積的方式獲得最小高程為30.920m,最大高程為67.120m,計算高程設置為30.000m,獲得挖方體積為80 167.960 m3,挖方表面積為4 848.120m2,堆積面積為6 024.876m2,堆積長約97.450m,堆積寬約79.280m(表3)。

  綜上所述,使用兩種方法獲得的土石方量計算結果較差為6 259.708m3(較差=靜態掃描點云體積計算結果—機載掃描點云體積計算結果),獲得土石方量計算誤差為7.2%(誤差=較差÷靜態掃描點云體積計算結果×100%),符合一般工程測量的誤差范圍。因此,使用三維激光掃描技術獲取工程土石方量計算是可行的,且具有測量簡單、用時短的優勢。

  4、 結束語

  本文以某墓園擴建工程的土石方量計算為例,分析了三維激光掃描技術在土石方量計算中的的應用流程以及數據處理方法,通過靜態掃描點云體積法和機載掃描點云體積法計算結果進行對比分析,認為兩種方法獲得的土石方量計算誤差為7.2%,完全滿足一般工程測量的范圍要求,說明本文在計算土石方量過程中所選用的測量方法是合理的,且該方法具有精度高、外業操作簡單的優勢,因此,可以在其他測量領域大范圍推廣使用。

  參考文獻

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