謝宏全，陳艷紅，曹 朔，盧 霞

(1. 淮海工學(xué)院測(cè)繪與海洋信息學(xué)院，江蘇 連云港 222005； 2. 河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，河北 石家莊 050031)

對(duì)堆積物(如土堆、煤堆、沙堆等)體積的測(cè)量是測(cè)繪工作內(nèi)容之一，采用全站儀或GPS RTK測(cè)量離散點(diǎn)坐標(biāo)的方法存在的主要問(wèn)題是獲取數(shù)據(jù)困難、體積計(jì)算結(jié)果精度低。采用三維激光掃描儀對(duì)堆積物進(jìn)行掃描可以快速地獲取堆積物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，測(cè)量點(diǎn)均勻分布在堆積物表面，利用軟件可以精確地計(jì)算體積[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)一些學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定的研究成果。如胡奎[2]對(duì)百善煤礦河堤岸一側(cè)進(jìn)行了掃描，通過(guò)CAD軟件對(duì)河堤按要求進(jìn)行加高設(shè)計(jì)并計(jì)算體積；陳展鵬等[3]選擇汶川縣草坡鄉(xiāng)的典型滑坡堆積體，構(gòu)建滑坡堆積體幾何模型，計(jì)算了滑坡堆積體體積；郭景仁等[4]應(yīng)用有限元理論，采用積分方法計(jì)算了實(shí)體表面面積和體積；王解先等[1]提出采用格網(wǎng)劃分原理，對(duì)體積的計(jì)算方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李鵬宇等[5]研究了測(cè)量誤差、采樣間隔對(duì)采場(chǎng)體積計(jì)算的影響及三維激光掃描數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)共享機(jī)制；蘇春艷等[6]利用三維激光掃描儀掃描大面積的堆積體，精確地計(jì)算出被測(cè)物體體積；張榮華等[7]研究表明，利用三維激光掃描測(cè)量獲取堆體體積的方法可以滿足實(shí)際工程精度要求，并給出在土方量計(jì)算中的相關(guān)定量指標(biāo)；王鑫森等[8]研究實(shí)際工程表明，在有效降低外業(yè)強(qiáng)度的同時(shí)，可保證土方計(jì)算的高精度，計(jì)算結(jié)果較常規(guī)測(cè)繪手段有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)精確計(jì)算工程費(fèi)用、消除爭(zhēng)議有重要意義；袁鳳祥等[9]以四川省大邑縣出江鎮(zhèn)礦堆測(cè)量為例，采用CSAA軟件計(jì)算了土石方量；洪卓眾[10]利用全站儀與三維激光掃描儀獲得填方量和挖方量，并與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；王果等[11]采用VC++并借助QT和PCL編制了土方量計(jì)算軟件；另外，一些學(xué)者利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)土方量計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)研究[12-16]。本文選取某建筑工地臨時(shí)土堆作為研究對(duì)象，利用徠卡C10三維激光掃描儀獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Cyclone軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理；采用Cyclone、CASS、Geomagic與HD_3LS_SCENE軟件對(duì)土堆體積分別進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)獲取方法

為了保證試驗(yàn)精度，需選取相對(duì)獨(dú)立的土堆，土堆上面及周邊的樹(shù)木雜草較少，并且土堆大小要適中，因此確定校園內(nèi)的建筑工地臨時(shí)土堆作為研究對(duì)象。

結(jié)合土堆周?chē)h(huán)境及其自身地形特點(diǎn)，此次測(cè)量采用球形標(biāo)靶拼接的數(shù)據(jù)采集方案。設(shè)置測(cè)站5站，在土堆四周放置4個(gè)球形標(biāo)靶(確保每一測(cè)站都能觀測(cè)到至少3個(gè)標(biāo)靶)，選用矩形區(qū)域的掃描方式，采用自定義分辨率進(jìn)行掃描(表面分辨率為5 cm)，每一測(cè)站用時(shí)大約為10 min。徠卡C10掃描儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測(cè)站分布如圖1所示。

圖1 測(cè)站分布示意圖

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文試驗(yàn)使用的數(shù)據(jù)處理軟件是與徠卡C10掃描儀配套的Cyclone。將掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中完成拼接，得到完整的土堆點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)去噪后激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖2所示。為滿足對(duì)比研究需要，均一化處理點(diǎn)云間隔分別設(shè)置為5、10、20 cm，并導(dǎo)出XYZ格式的文件。

圖2 去噪后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1.3 確定參考面高程

依次在圖上沿土堆邊緣均勻地選擇12處點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并記錄下這12個(gè)高程值，求其平均值作為基準(zhǔn)面的參考值(見(jiàn)表1)，依據(jù)該參考值決定設(shè)置-0.95、-0.90、-0.85 m 3個(gè)值作為計(jì)算體積的參考面高程。

表1 計(jì)算高程平均值 m

2 多種軟件計(jì)算體積

目前計(jì)算體積的軟件較多，依據(jù)試驗(yàn)條件選擇Cyclone等4種軟件計(jì)算土堆體積，下面以抽稀間隔為20 cm的數(shù)據(jù)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明體積求取過(guò)程。

2.1 Cyclone軟件計(jì)算體積

在Cyclone軟件環(huán)境中，選中所有點(diǎn)云數(shù)據(jù)，建立TIN和參考面，設(shè)置參考面高程為-0.95 m，計(jì)算點(diǎn)云到參考面的體積結(jié)果如圖3所示。

圖3 Cyclone計(jì)算結(jié)果

2.2 Geomagic軟件計(jì)算體積

在Geomagic Studio軟件環(huán)境中，導(dǎo)入XYZ格式的數(shù)據(jù)文件，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)著色，經(jīng)過(guò)去除非連接項(xiàng)和體外孤點(diǎn)、減少噪音、統(tǒng)一采樣、封裝數(shù)據(jù)、創(chuàng)建流型、填補(bǔ)模型等處理，輸入位置度的值-0.95 m，計(jì)算體積結(jié)果如圖4所示。

圖4 Geomagic計(jì)算結(jié)果

封裝數(shù)據(jù)完成之后，單擊“多邊形”→“轉(zhuǎn)化為點(diǎn)”→“確定”,另存為“圖點(diǎn)文件(VTX格式)”，以便在CASS軟件中計(jì)算體積。

2.3 CASS軟件計(jì)算體積

將VTX格式文件后綴修改為T(mén)XT，在Excel軟件中進(jìn)行格式修改，文件另存為CSV格式，修改文件后綴為DAT格式。

在CASS軟件環(huán)境中，導(dǎo)入數(shù)據(jù)，采用等高線建立DTM，選擇DAT文件，顯示DTM模型，輸入平場(chǎng)標(biāo)高-0.95 m，計(jì)算體積結(jié)果如圖5所示。

圖5 CASS計(jì)算結(jié)果

2.4 HD_3LS_SCENE軟件計(jì)算體積

在HD_3LS_SCENE軟件環(huán)境中，將XYZ文件格式轉(zhuǎn)換為HLS，添加HLS格式文件，設(shè)置格網(wǎng)大小并投影點(diǎn)云。將HLS格式文件轉(zhuǎn)換為proj.tif并加載該格式文件，建立DEM。選擇DEM路徑和成果輸出路徑，輸入基準(zhǔn)面高程-0.95 m，計(jì)算體積結(jié)果如圖6所示。

圖6 HD_3LS_SCEN計(jì)算結(jié)果

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)與處理

4種軟件計(jì)算土堆體積的結(jié)果見(jiàn)表2，其中VCY、VGE、VCA、VHD分別表示Cyclone、Geomagic、CASS、HD_3LS_SCENE 4種軟件計(jì)算的土堆體積，H1、H2、H3分別表示基準(zhǔn)面高程為-0.85、-0.90、-0.95 m。

表2 體積計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表3 平均體積統(tǒng)計(jì) m3

4種軟件所計(jì)算的體積與體積平均值之差(取絕對(duì)值)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

4種軟件計(jì)算的體積與平均值之差及平均值的比值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)4個(gè)軟件的計(jì)算過(guò)程和結(jié)果，重點(diǎn)對(duì)軟件安裝難易程度、軟件操作難易程度、計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度進(jìn)行對(duì)比分析，其中計(jì)算時(shí)間是以抽稀間隔為20 cm、基準(zhǔn)面高程為-0.95 m的數(shù)據(jù)的處理時(shí)間為例，簡(jiǎn)要對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 體積與體積平均值之差(絕對(duì)值)統(tǒng)計(jì)

表5 比值統(tǒng)計(jì)

表6 軟件性能對(duì)比

以下對(duì)4種軟件的性能及計(jì)算結(jié)果分析作詳細(xì)說(shuō)明：

(1) Cyclone軟件安裝困難，由于是全英文版，對(duì)于初學(xué)者掌握軟件的操作有一定難度；在計(jì)算體積時(shí)雖然步驟比較煩瑣，但是計(jì)算的時(shí)間很短，而且計(jì)算精度很高。

(2) Geomagic軟件安裝簡(jiǎn)單，操作步驟比較煩瑣；軟件運(yùn)行速度快，計(jì)算時(shí)間短，計(jì)算精度較高。

(3) CASS軟件安裝簡(jiǎn)單，并且操作步驟很簡(jiǎn)單；軟件運(yùn)行時(shí)間隨著數(shù)據(jù)量的增大而延長(zhǎng)，其中處理抽稀間隔為5 cm數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10余個(gè)小時(shí)，最終無(wú)法計(jì)算出結(jié)果，計(jì)算精度程度一般。

(4) HD_3LS_SCENE軟件安裝簡(jiǎn)單；計(jì)算體積的操作步驟煩瑣，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算精度較高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用土堆的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用4種軟件對(duì)體積進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)計(jì)算過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算土堆體積的測(cè)量方法是完全可行并且可靠的，該技術(shù)方法可以滿足工程需要，具有廣泛的應(yīng)用前景。