楊 勃 邵 昀 唐銘陽

中國建筑土木建設(shè)有限公司 北京 100070

施工單位進(jìn)場后的一項(xiàng)重要工作是場地原始地面方格網(wǎng)的測設(shè)，目的在于記錄原始地貌現(xiàn)狀，確定整個(gè)場地或局部區(qū)域平均標(biāo)高，為場地平整或基坑開挖土方工程量結(jié)算提供客觀依據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集基本為基于點(diǎn)的模式，即用全站儀、GPS RTK獲取離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于被測量的對象往往是不規(guī)則的地形表面，因此，下列問題難以解決[1-5]：

1）地形特征點(diǎn)上必須安置棱鏡或GPS接收機(jī)，人員無法到達(dá)的點(diǎn)位只能放棄。由于網(wǎng)格交點(diǎn)高程依靠雙線性內(nèi)插、多項(xiàng)式內(nèi)插等方法獲得，丟失重要的地形特征點(diǎn)將對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

2）對于復(fù)雜的地形表面，人工采集的數(shù)據(jù)量有限，難以準(zhǔn)確描述。

3）采集什么樣的點(diǎn)位依賴于測量人員的主觀認(rèn)識，不同的測量人員的測繪結(jié)果可能存在一定差異。

本文介紹一種全新的方法，利用地面三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，采用非接觸式對地形表面快速掃描，快速獲取海量三維數(shù)據(jù)，對真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。這種方法極大地降低了人力消耗，提高了作業(yè)速度，客觀地反映了現(xiàn)實(shí)情況，為大面積土方測量提供了新思路。

1 三維激光掃描儀工作原理和特點(diǎn)

1.1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀的構(gòu)造主要包括一臺高速精確的激光測距儀，以及一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號從而可以進(jìn)行測距，針對每一個(gè)掃描點(diǎn)可測得測站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測站的空間相對坐標(biāo)（圖1）。

圖1 三角測距原理示意

1.2 三維激光掃描儀的特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)，被譽(yù)為測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。具有快速性、不接觸性、穿透性，實(shí)時(shí)、動態(tài)、主動性，高密度、高精度，數(shù)字化、自動化等特性。每秒可輕松、精確獲取數(shù)萬點(diǎn)至數(shù)十萬點(diǎn)三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，快速建立物體的三維影像模型。

2 數(shù)據(jù)采集的主要外業(yè)工作及流程

2.1 現(xiàn)場踏勘與站點(diǎn)選取

踏勘現(xiàn)場的目的是全面了解掃描區(qū)域范圍及高低起伏狀況，合理布設(shè)掃描站點(diǎn)。掃描儀設(shè)站點(diǎn)的選擇應(yīng)顧及效率和精度兩方面因素。首先，站點(diǎn)應(yīng)盡量選在通視條件良好的開闊處，有效掃描面積盡可能大，避免死角以減少設(shè)站。同時(shí)，站點(diǎn)的選擇要考慮儀器的有效掃描距離，相鄰站點(diǎn)間掃描對象既不發(fā)生漏測也不過度重疊。

2.2 控制點(diǎn)布設(shè)

1）采用“測站點(diǎn)＋后視點(diǎn)”的數(shù)據(jù)采集方法時(shí)，控制點(diǎn)與掃描設(shè)站點(diǎn)重合。

2）采用其他數(shù)據(jù)采集方法時(shí)，控制點(diǎn)不少于3個(gè)，且均勻分布在整個(gè)測區(qū)。雖然布設(shè)的控制點(diǎn)數(shù)量越多對數(shù)據(jù)精度越有利，但同時(shí)內(nèi)外業(yè)工作量也會增加。

3）點(diǎn)位附近地勢平坦，無其他干擾，便于安置全站儀、GPS、水準(zhǔn)儀等常規(guī)測量儀器。

2.3 站點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

站點(diǎn)上安置激光掃描儀，設(shè)定掃描分辨率。當(dāng)采用標(biāo)靶進(jìn)行不同站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)使用高分辨率掃描標(biāo)靶，以確保標(biāo)靶中心坐標(biāo)提取精度。標(biāo)靶應(yīng)設(shè)在相鄰站點(diǎn)掃描重疊區(qū)域內(nèi)，標(biāo)靶數(shù)量不少于3個(gè)，應(yīng)避免靶標(biāo)在一條直線上。

掃描過程中應(yīng)避免人員走動，減少異常點(diǎn)出現(xiàn)。遷站前應(yīng)檢查數(shù)據(jù)，確認(rèn)是否遺漏。

2.4 控制點(diǎn)測量

控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)可以通過全站儀、GPS RTK等方式獲得，高程可以采用水準(zhǔn)測量、三角高程、GPS擬合水準(zhǔn)等方法獲取。平面和高程精度應(yīng)滿足圖根點(diǎn)點(diǎn)位中誤差和高程中誤差要求?？刂泣c(diǎn)的野外測量在數(shù)據(jù)處理之前完成即可。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 噪聲去除

噪聲來源有多種。如果以獲取地表高程為主要目的，則除了超過有效掃描范圍的數(shù)據(jù)需要剔除外，諸如地表建筑、停放車輛等與土方計(jì)算無關(guān)以及振動引起的噪聲都應(yīng)去除。

3.2 標(biāo)靶中心坐標(biāo)提取

靶標(biāo)中心坐標(biāo)是不同站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的依據(jù)，對最終成果產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。中心坐標(biāo)的提取通常由儀器專用軟件自帶的靶標(biāo)識別功能自動完成。

3.3 多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

與全站儀數(shù)據(jù)采集不同，地面三維激光掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是掃描站點(diǎn)坐標(biāo)系下的，且各站點(diǎn)坐標(biāo)系相互獨(dú)立。為了獲得區(qū)域內(nèi)整體數(shù)據(jù)，就需要以靶標(biāo)中心為公共點(diǎn)，拼接各站點(diǎn)數(shù)據(jù)，將所有站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系上來。

3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化

地面三維激光掃描儀每秒可獲得幾萬甚至數(shù)十萬點(diǎn)三維坐標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣的海量數(shù)據(jù)在后期內(nèi)業(yè)處理時(shí)要求計(jì)算機(jī)配置很高。同時(shí)，云數(shù)據(jù)過分密集對土方測量來說也沒有必要。因此，需要根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)簡化。

3.5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

工程設(shè)計(jì)的坐標(biāo)和高程一般采用城市坐標(biāo)系和城市高程系。由于配準(zhǔn)和簡化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其坐標(biāo)仍然是任意坐標(biāo)系下，為完成土方計(jì)算，還需要將其轉(zhuǎn)換至城市坐標(biāo)和高程系下。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的依據(jù)是事先布置并用常規(guī)測量方法獲得的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。

數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換與解析空中三角測量非常相似。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)相當(dāng)于相對定向，而坐標(biāo)轉(zhuǎn)換就是絕對定向。

4 成果檢查驗(yàn)收

掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換也就是上面提到的絕對定向后，其質(zhì)量應(yīng)經(jīng)過檢驗(yàn)。可預(yù)先在場區(qū)中央及周邊均勻布設(shè)一定數(shù)量的檢查點(diǎn)，用常規(guī)測量方法獲取三維坐標(biāo)。從模型上提取這些點(diǎn)的三維坐標(biāo)并與之比較，從而計(jì)算模型精度。

5 工程實(shí)例

5.1 任務(wù)簡介

余姚至溫嶺公路臨海匯溪至沿江段改建工程位于浙江省臨海市，設(shè)計(jì)為一級公路，主要功能是作為臺州境內(nèi)的重要區(qū)域干線公路。

項(xiàng)目的里程樁號為K0＋000～K37＋709.66，根據(jù)設(shè)計(jì)線路走向要求，需要對該線路上的某塊場地進(jìn)行測量并回填處理。該塊場地占地面積約28萬 m2，受前期施工的影響，測區(qū)內(nèi)大小土堆和取土后留下的土坑遍布，有些甚至難以攀爬。

甲方要求盡快完成原始地面方格網(wǎng)（10 m×10 m）的測設(shè)工作，作為土方結(jié)算的依據(jù)，時(shí)間上較為緊迫。

5.2 方案策劃

如果采用極坐標(biāo)法，按要求碎步點(diǎn)間距不宜大于計(jì)算要求的網(wǎng)格間距，再加上地形變化處增加的點(diǎn)，整個(gè)測區(qū)粗略估計(jì)需要采集4 000點(diǎn)。不考慮控制測量的時(shí)間，如果每天采集400～500點(diǎn)，僅碎步測量的時(shí)間就超過一周，從時(shí)間上無法滿足甲方工期要求。因此決定嘗試采用三維激光掃描的方法。

5.3 外業(yè)實(shí)施

為提高效率，將測量人員分成2個(gè)作業(yè)組。

第1組負(fù)責(zé)三維激光掃描。設(shè)36個(gè)站，使用Riegl VZ400對整個(gè)場區(qū)進(jìn)行掃描，每站掃描10 min，確保無死角、無遺漏。

第2組負(fù)責(zé)控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)的布設(shè)和測量。在場區(qū)范圍內(nèi)均勻布設(shè)16個(gè)控制點(diǎn)（K1～K16），場區(qū)周邊南側(cè)和西側(cè)布設(shè)10個(gè)檢查點(diǎn)（J1～J10），如圖2所示。

圖2 控制點(diǎn)、檢查點(diǎn)的設(shè)置

用網(wǎng)絡(luò)RTK測量了K1～K16和J1～J10平面坐標(biāo)；敷設(shè)附合水準(zhǔn)線路，用水準(zhǔn)儀串測了上述點(diǎn)位高程。

5.4 內(nèi)業(yè)處理

用Riscan Pro 軟件，經(jīng)噪聲去除→靶標(biāo)中心坐標(biāo)提取→多站點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)→點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡化等步驟，獲取任意坐標(biāo)系下整個(gè)模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖3），并以K1～K16為控制點(diǎn)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為城市坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖3 建立的場地模型示意

5.5 質(zhì)量檢查

用Riscan Pro軟件提取J1～J10點(diǎn)位高程，與水準(zhǔn)測量得到的各點(diǎn)高程進(jìn)行比較，求出差值Δ，估算模型點(diǎn)高程精度，見表1。

表1 模型高程與水準(zhǔn)高程的數(shù)據(jù)對比

由表1計(jì)算可知，觀測中誤差m值為8.7 mm，因此可以得出結(jié)論：通過三維激光掃描所獲得的模型數(shù)據(jù)完全滿足三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度要求。

6 結(jié)語

Riegl VZ400三維激光掃描儀標(biāo)稱精度很高，也經(jīng)過專家的論證，但為了驗(yàn)證成果質(zhì)量，本工程中布設(shè)了一定數(shù)量的檢查點(diǎn)。實(shí)踐證明，用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行大面積土方測量，不但提高了工作效率，成果質(zhì)量也完全能夠滿足精度要求。該技術(shù)能大幅度提升測量效率，為工程進(jìn)度提供有力保障，故隨著時(shí)間的推移和認(rèn)識的提高，這種技術(shù)在施工測量領(lǐng)域?qū)⒂袕V闊的應(yīng)用前景。