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(shù)在土方測繪中的應(yīng)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(shù)據(jù)，經(jīng)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(wǎng)，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(shù)測量土方量，在有效降低外業(yè)強度的同時，保證了土方計算的高精度，計算結(jié)果較常規(guī)測繪手段有明顯優(yōu)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(shè)和發(fā)展帶動著各種工程建設(shè)項目不斷進行，而項目建設(shè)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(guān)系到工程的費用概算及方案選優(yōu)。現(xiàn)實工程項目中，因土方量計算精確性而產(chǎn)生的糾紛也是經(jīng)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(diào)配，降低工程費用，加快工程進度，提高工程質(zhì)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(shù)（terrestrial laser scanning，TLS）是一種高采樣率、高效率、高精度的3D掃描技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于土木工程、變形監(jiān)測、文物保護、計量等領(lǐng)域［3～5］。其掃描結(jié)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(yè)點云處理軟件能夠快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形態(tài)各異的三維可視化模型，供后期數(shù)據(jù)分析與處理。將TLS技術(shù)應(yīng)用于土方測繪，結(jié)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(zhì)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(nèi)部自身的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱為掃描坐標(biāo)系。它以儀器中心為坐標(biāo)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(nèi)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(jù)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(biāo)（X，Y，Z）坐標(biāo):

圖1　掃描坐標(biāo)系中的測量點

2.2 土方計算模型

土方表面形態(tài)復(fù)雜，掃描數(shù)據(jù)點在空間的位置密集且不規(guī)則，將點云構(gòu)建為不規(guī)則三角網(wǎng)（triangulated irregular network，TIN）模擬地表，可以與地表特征協(xié)調(diào)，TIN越密，細節(jié)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(wǎng)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(yōu)勢

傳統(tǒng)的全站儀或GPS-RTK采點法，極易產(chǎn)生數(shù)據(jù)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(yè)人員達到待測點位，采集速度快，密度大，儀器架設(shè)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(yè)可操作性。

內(nèi)業(yè)方面，目前專業(yè)的點云處理軟件支持億級數(shù)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(jié)，使計算結(jié)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(shù)據(jù)能應(yīng)對工程中隨時可能發(fā)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(yè)采集，降低潛在的人力和時間成本。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 測站拼接方式及掃描參數(shù)的確定

外業(yè)采集數(shù)據(jù)時，各掃描站一般通過標(biāo)靶拼接，站間距較小時以2組標(biāo)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(biāo)靶的中心坐標(biāo)，直接將掃描站統(tǒng)一到全站儀坐標(biāo)系下。掃描標(biāo)靶宜采用帶同心反射片或內(nèi)置同軸棱鏡的球形標(biāo)靶，也可自行打印掃描儀可識別的平面標(biāo)靶（如圖3所示），使用時盡量正對掃描儀，采用平面標(biāo)靶需要全站儀具有免棱鏡測量功能。

圖3　球形標(biāo)靶和平面標(biāo)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(shù)的選定原則是:

（1）在保證掃描標(biāo)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(yīng)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(shù)據(jù)密度，大大減少外業(yè)時間并提升內(nèi)業(yè)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(gòu)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(yù)處理采用掃描儀配套軟件將各站掃描數(shù)據(jù)拼接，裁剪去邊界外的無關(guān)區(qū)域，轉(zhuǎn)換為通用格式（如.xyz、. asc等）后導(dǎo)入Geomagic；曲面封裝即Geomagic將點云自動構(gòu)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(chǎn)生、真實地表點缺失等問題，直接導(dǎo)致封裝的TIN產(chǎn)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(lián)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(yōu)化點間距，提高構(gòu)建TIN的成功率和質(zhì)量。

圖5　點云處理前后的封裝效果

由于土方表面形態(tài)復(fù)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(yīng)遵循曲率優(yōu)先的原則，即填充至孔洞的插值點應(yīng)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(xiàn)土方量計算，關(guān)鍵在于基準面的選定，隨著基準面的調(diào)整，土方量計算結(jié)果可實時顯示。基準面的設(shè)定可以是一個給定標(biāo)高值，也可以是現(xiàn)場某位置所在水平面。若計算兩期數(shù)據(jù)間的土方量，只需將兩期三角網(wǎng)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(jié)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(shù)如表1所示:

掃描參數(shù) 表1

采用掃描儀配套軟件SCENE進行點云預(yù)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(yù)處理后效果

點云經(jīng)Geomagic處理后封裝為TIN，得到三角面約25萬個，經(jīng)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(guī)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(shù)據(jù)以不同方式采樣抽稀后用以模擬全站儀或RTK外業(yè)走點采集的數(shù)據(jù)，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(jīng)Geomagic封裝并計算相應(yīng)的土方量并與掃描成果值對比。對比結(jié)果如表2所示:

由表2數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)與掃描數(shù)據(jù)計算結(jié)果對比 表2

6 結(jié) 語

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)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(shù)據(jù)處理能力和便捷的三角網(wǎng)構(gòu)建及體積計算功能，使土方計算的內(nèi)業(yè)更加簡便高效，有力保障了成果數(shù)據(jù)無與倫比的精確程度。可供三維瀏覽和重復(fù)操作的點云數(shù)據(jù)，在應(yīng)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(yè)方面能大大降低現(xiàn)場人員的工作強度，縮短作業(yè)時間，提高采點質(zhì)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(shè)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(yīng)用。

［1］張紅亮，胡波，蔡元波.GPS-RTK技術(shù)在土方測量中的應(yīng)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(yīng)用［J］.礦山測量，2013（1）：70～72.

［3］王曉峰.三維激光掃描技術(shù)在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用［D］.上海：同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，2009.

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

［5］葉曉婷.三維激光掃描技術(shù)在古建筑測繪中的應(yīng)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(xué)院學(xué)報，2002（1）.

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

［8］程效軍，賈東峰，程小龍.海量點云數(shù)據(jù)處理理論與技術(shù)［M］.上海：同濟大學(xué)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(shù)研究、地下結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測、基坑監(jiān)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）