地面三維激光掃描技術在土方測繪中的應用

王鑫森，侯金波，陳瀟（天津市勘察院，天津 300191）

地面三維激光掃描技術在土方測繪中的應用

王鑫森?，侯金波，陳瀟
（天津市勘察院，天津 300191）

以三維掃描儀采集土方表面數據，經點云軟件拼接、裁剪、去噪、修補、采樣、封裝等處理后得到細密逼真的地表三角網，輸入土方起算基準面即可利用軟件的計算體積功能計算出土方量。實際工程表明，以三維掃描技術測量土方量，在有效降低外業強度的同時，保證了土方計算的高精度，計算結果較常規測繪手段有明顯優勢，對精確計算工程費用、消除爭議有重要意義。

三維激光掃描；點云；TIN；土方計算

1 引 言

城市建設和發展帶動著各種工程建設項目不斷進行，而項目建設大多會牽涉到土方工程。工程施工前必須對土石方量進行測量計算，它直接關系到工程的費用概算及方案選優?，F實工程項目中，因土方量計算精確性而產生的糾紛也是經常遇到的，所以在計算土方時一定要實事求是、精益求精［1］。只有土方量測量準確，才能進行合理的土方調配，降低工程費用，加快工程進度，提高工程質量［2］。因此選擇合適的測繪方法，精確測定土方量十分重要。

地面三維激光掃描技術（terrestrial laser scanning，TLS）是一種高采樣率、高效率、高精度的3D掃描技術，被廣泛應用于土木工程、變形監測、文物保護、計量等領域［3～5］。其掃描結果在計算機中直接顯示為點云，可達到毫米級的點間距，通過專業點云處理軟件能夠快速建立結構復雜、形態各異的三維可視化模型，供后期數據分析與處理。將TLS技術應用于土方測繪，結合目前日漸成熟、功能強大的點云軟件，將會給土方測繪的質量帶來新的提升。

2 TLS測量土方的原理

2.1 掃描儀原理

地面三維激光掃描儀一般使用儀器內部自身的坐標系統，稱為掃描坐標系。它以儀器中心為坐標系原點，以通過原點的豎直方向為Z軸，且向上為正，X軸與Y軸在垂直于Z軸的平面內成右手系（如圖1所示）。

掃描儀沿橫軸和縱軸方向快速掃描，根據激光反射的時間差或相位差計算被測物體的距離觀測值S，同步測量橫向掃描角度α和縱向掃描角度θ，通過如

下公式計算得到測量點P的坐標（X，Y，Z）坐標:

圖1　掃描坐標系中的測量點

2.2 土方計算模型

土方表面形態復雜，掃描數據點在空間的位置密集且不規則，將點云構建為不規則三角網（triangulated irregular network，TIN）模擬地表，可以與地表特征協調，TIN越密，細節表達越充分，是目前土方量計算中最常用的一種方法［6］。計算模型如圖2所示，ABC代表三角網中的一個三角面，A′B′C′是其在基準面上的豎直投影，基準面以上的體量為挖方，基準面以下的體量為填方，把每個三棱柱或楔體的體量累加從而計算出填、挖方量。

圖2　土方計算模型示意圖

3 TLS測量土方的優勢

傳統的全站儀或GPS-RTK采點法，極易產生數據點分布不合理、特征點缺失或因采點效率低下而影響工期的問題［7］，而采用三維激光掃描儀，其非接觸式測量的特性無需作業人員達到待測點位，采集速度快，密度大，儀器架設簡便，人員工作強度大大減小，且不受通視限制和信號影響，具有很強的外業可操作性。

內業方面，目前專業的點云處理軟件支持億級數量的點云操作［8］，不僅可以最大限度地保留土方表面起伏的細節，使計算結果具有接近真實值的精度水平，而且其可視化功能可將掃描的表面進行三維展示，增強成果的直觀性和可信度，方便檢核驗收。另外點云數據能應對工程中隨時可能發生的需求改變（如土方邊界變更等）而不需要進行第二次外業采集，降低潛在的人力和時間成本。

4 關鍵技術

4.1 測站拼接方式及掃描參數的確定

外業采集數據時，各掃描站一般通過標靶拼接，站間距較小時以2組標靶球連接（每組至少3個），站間距較大時以全站儀測量1組標靶的中心坐標，直接將掃描站統一到全站儀坐標系下。掃描標靶宜采用帶同心反射片或內置同軸棱鏡的球形標靶，也可自行打印掃描儀可識別的平面標靶（如圖3所示），使用時盡量正對掃描儀，采用平面標靶需要全站儀具有免棱鏡測量功能。

圖3　球形標靶和平面標靶

由于掃描點云點密度很大，最低分辨率下的點間距（厘米級）遠遠超過土方測量對點密度（米級）的要求，因此掃描參數的選定原則是:

（1）在保證掃描標靶能被掃描儀正確識別的前提下，盡量降低掃描分辨率；

（2）采用較低要求的噪聲控制水平（即允許儀器有一定程度的測量噪聲）；

（3）如無必要應禁止掃描儀開啟拍照功能。

這樣能成倍地減少每站的掃描時間并有效降低點云數據密度，大大減少外業時間并提升內業處理的效率，從而縮短整個土方掃描測繪的工期。

4.2 基于Geomagic軟件的TIN構建

Geomagic Studio是一款功能全面、性能出色的點云處理和逆向工程軟件，該軟件可高效建立土方表面TIN并計算土方量，詳細流程如圖4所示。其中點云預處理采用掃描儀配套軟件將各站掃描數據拼接，裁剪去邊界外的無關區域，轉換為通用格式（如.xyz、. asc等）后導入Geomagic；曲面封裝即Geomagic將點云自動構建成TIN的過程。

圖4　Geomagic土方計算流程

實際工程中，土方表面的雜草等會造成點云厚度的產生、真實地表點缺失等問題，直接導致封裝的TIN產生夾層和碎片式孔洞（如圖5（a）），無法進一步處理，更不能用于計算，必須聯合使用軟件的“減少噪音”、“填充孔”和“采樣”等功能加以解決（如圖5 （b）），其原理是:剔除點云中的孤立噪點，降低點云厚度，采用曲面擬合插值的方法填補孔洞并優化點間距，提高構建TIN的成功率和質量。

圖5　點云處理前后的封裝效果

由于土方表面形態復雜，封裝后的TIN不可避免地還會存在一些孔洞，針對點云和TIN孔洞的填補，都應遵循曲率優先的原則，即填充至孔洞的插值點應參考周邊點云或三角面的曲率，避免填補后的點云或三角面有不合理的曲率突變，確保整個表面趨近于真實（如圖6所示）。

圖6　依曲率填補孔洞

4.3 基準面確認與方量計算

采用Geomagic的“計算體積到平面”功能可輕松實現土方量計算，關鍵在于基準面的選定，隨著基準面的調整，土方量計算結果可實時顯示?；鶞拭娴脑O定可以是一個給定標高值，也可以是現場某位置所在水平面。若計算兩期數據間的土方量，只需將兩期三角網分別與同一基準面計算，再用二期方量減去一期方量即可。另外，Geomagic還支持在TIN表面任意選取三點確定一個斜基準面，也支持在TIN中任意選取范圍計算局部土方量。

5 工程實例

5.1 實施過程及計算結果

本實例采用美國FARO Focus 3D三維激光掃描儀完成了某項目的土方測繪，以其中一橫向200余米、縱向100余米、最高處約 16 m的地塊為例，掃描參數如表1所示:

掃描參數 表1

采用掃描儀配套軟件SCENE進行點云預處理（如圖7所示），深色點云代表該站開啟了彩色掃描，目的是提高該處土方邊界的辨識度，保證人工裁剪邊界的準確性。

圖7　點云預處理后效果

點云經Geomagic處理后封裝為TIN，得到三角面約25萬個，經量測，三角形邊長在陡坡處約 0.3 m，平緩處約 1.2 m，細密程度大大超過常規水平。輸入項目要求的基準面并計算體積到平面（如圖8所示），得到該地塊的總挖方量為1.077×105m3。

圖8　Geomagic土方量計算界面

5.2 精度對比

將同一地塊的點云數據以不同方式采樣抽稀后用以模擬全站儀或RTK外業走點采集的數據，曲率采樣會在地表曲率變化大的部分保留更密的點（圖9上），柵格采樣則完全按照點間距抽?。▓D9下），分別經Geomagic封裝并計算相應的土方量并與掃描成果值對比。對比結果如表2所示:

由表2數據可見，利用全站儀或RTK僅按一定間距采點時，其土方量計算值較掃描成果值偏差可達10%以上；若遵循地表起伏陡緩、合理采點，其土方量計算值可接近掃描成果值但仍有2%左右的偏差，而真實情況下，人工采點的分布合理性遠達不到曲率采樣算法的水平，因而其成果值較掃描成果仍會有較大的差距。

圖9　抽稀后的土方表面點云

模擬數據與掃描數據計算結果對比 表2

6 結 語

將三維激光掃描技術應用于土方測繪，借助于掃描儀厘米級甚至毫米級的點間距以及點云軟件強大的海量數據處理能力和便捷的三角網構建及體積計算功能，使土方計算的內業更加簡便高效，有力保障了成果數據無與倫比的精確程度?？晒┤S瀏覽和重復操作的點云數據，在應對需求變更或成果面臨爭議時，能進行二次操作并提供直觀的展示，具有很高的靈活性和可信度。同時，外業方面能大大降低現場人員的工作強度，縮短作業時間，提高采點質量。因此采用三維掃描方法測量土方對于土方工程甚至整個建設項目，在縮短工期、控制成本、精確計算工程費用等方面具有重要意義，值得推廣應用。

［1］張紅亮，胡波，蔡元波.GPS-RTK技術在土方測量中的應用［J］.城市勘測，2008（5）：83～85.

［2］胡奎.三維激光掃描在土方計算中的應用［J］.礦山測量，2013（1）：70～72.

［3］王曉峰.三維激光掃描技術在土木工程領域的應用［D］.上海：同濟大學土木工程學院，2009.

［4］朱磊，王健，畢京學.三維激光掃描技術在變形監測中的應用［J］.北京測繪，2014（5）：78～82.

［5］葉曉婷.三維激光掃描技術在古建筑測繪中的應用分析［J］.城市勘測，2014（4）.

［6］徐敬海，李明峰，劉偉慶.一種基于DEM的土方計算方法［J］.南京建筑工程學院學報，2002（1）.

［7］焦猛.兩種土方測量方法的應用與比較［J］.市政技術，2012，30（4）.

［8］程效軍，賈東峰，程小龍.海量點云數據處理理論與技術［M］.上海：同濟大學出版社，2014.

The Application of Terrestrial Laser Scanning in Earthwork Surveying

Wang Xinsen，Hou Jinbo，Chen Xiao （Tianjin Institute of Geotechnical Investigation Surveying，Tianjin 300191，China）

Collect point data of earth surface with a 3D laser scanner，acquire its TIN which is true to nature by point cloud softwares after procedures of registration，trim，denoising，repair，sampling and encapsulation，import the base level and then the earthwork volume is calculated.It shows in the real project a high precision which is better than those calculated through ordinary methods while the labour intensity is effectively reduced，and has important significance in project cost calculating and dispute elimination.

terrestrial laser scanning；point cloud software；triangulated irregular network；earthwork volume calculating

1672-8262（2016）02-97-04中圖分類號：P234.4，P258

B

2016—01—18

王鑫森（1988—），男，碩士，助理工程師，主要從事三維激光掃描技術研究、地下結構變形監測、基坑監測等方面的工作。

天津市海洋局天津市科技興海行動計劃項目（KJXH2014-22）