劉國(guó)超，馬會(huì)姣

(1.廣州市城市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510060； 2.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310014)

1 引 言

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出：“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！秉h的十九屆五中全會(huì)把碳達(dá)峰、碳中和作為“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)。水力發(fā)電作為一種清潔能源，利用水的勢(shì)能進(jìn)行發(fā)電，相比于傳統(tǒng)的火力發(fā)電，排放的二氧化碳幾乎為零，是清潔能源使用的重要手段。但是水利設(shè)施，多集中在高山峽谷區(qū)。由于峽谷陡峭、植被茂密，原始地形獲取困難，傳統(tǒng)的技術(shù)手段多采用人工現(xiàn)場(chǎng)采集方式，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且效率低下；GPS測(cè)量由于山高林密，信號(hào)遮擋嚴(yán)重，無(wú)法獲得固定解，使得地形獲取成為難點(diǎn)。機(jī)載LiDAR通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載LiDAR設(shè)備，對(duì)被測(cè)體進(jìn)行高分辨率航飛和點(diǎn)云獲取，通過(guò)將LiDAR點(diǎn)云的多回波進(jìn)行濾波算法處理，去除地表植被，獲取真實(shí)地面高程數(shù)據(jù)信息，從而獲得原始地形[1，2]。在獲取了原始地形后，如何解算邊坡設(shè)計(jì)的土方量成為又一個(gè)難點(diǎn)，由于土方量計(jì)算不僅需要原始地形數(shù)據(jù)，還需參考數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)模型，而常規(guī)的土方量計(jì)算軟件如CASS、HTCAD、天正土方等[3，4]難以解算。本文探討通過(guò)Civil 3D建模軟件，依據(jù)邊坡設(shè)計(jì)參數(shù)建立參考模型，然后通過(guò)參考模型與現(xiàn)狀地形對(duì)比，計(jì)算土方量，并結(jié)合某工程案例，驗(yàn)證機(jī)載LiDAR+Civil 3D在植被茂密山區(qū)邊坡設(shè)計(jì)土石方概算中的應(yīng)用。

2 機(jī)載LiDAR+Civil 3D技術(shù)原理

2.1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成及原理

LiDAR系統(tǒng)由激光測(cè)距儀(Laser Range Finder，LRF)、GPS、IMU、數(shù)碼相機(jī)(CCD相機(jī))、計(jì)算機(jī)控制導(dǎo)航系統(tǒng)(Computer Control Navigation System，CCNS)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元等儀器組成。其中，LRF是用來(lái)發(fā)射、探測(cè)激光并計(jì)算距離的裝置，GPS用來(lái)確定三維坐標(biāo)，IMU用來(lái)測(cè)量方位(Orientation)：航向角(heading)、側(cè)滾角(roll)、俯仰角(pitch)，CCNS用于控制在線數(shù)據(jù)的通信及飛行器的導(dǎo)航，CCD相機(jī)用于同步獲取地面影像。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)通常以小型飛機(jī)、直升機(jī)或者無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，如圖1所示。

圖1 機(jī)載LiDAR工作示意圖

通過(guò)檢校的安裝誤差角、POS數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)，LiDAR點(diǎn)云某一時(shí)刻的三維坐標(biāo)可通過(guò)大地定向式(1)計(jì)算出來(lái)：

(1)

式中，RWGS84代表GPS天線坐標(biāo)系到WGS84坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，RIMU表示IMU坐標(biāo)系到GPS天線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，Rm表示激光掃描儀坐標(biāo)系到IMU坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，RS表示激光掃描儀的掃描角矩陣，X0、Y0、Z0表示GPS相位中心在WGS84坐標(biāo)系中的位置，ρ表示激光發(fā)射點(diǎn)到地表掃描位置的距離，x、y、z為激光光斑在WGS84下的三維坐標(biāo)，ax、ay、az表示激光發(fā)射點(diǎn)轉(zhuǎn)換到GPS相位中心的位移量。

為了滿足后續(xù)測(cè)量工程的需要，WGS84坐標(biāo)系下的LiDAR點(diǎn)云坐標(biāo)需要換算到國(guó)家坐標(biāo)系統(tǒng)(如1980西安坐標(biāo)系)或局部坐標(biāo)系統(tǒng)下。一般通過(guò)GPS網(wǎng)平差約束法或者七參數(shù)法完成平面坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。對(duì)于LiDAR點(diǎn)云的高程，可以通過(guò)多項(xiàng)式擬合或者精化大地水準(zhǔn)面轉(zhuǎn)化WGS84的橢球高為正常高。依據(jù)激光掃描儀掃描類型的不同，LiDAR點(diǎn)云的分布形式不盡相同。LiDAR點(diǎn)云再進(jìn)行地面點(diǎn)的分類，從非地面點(diǎn)類中繼續(xù)細(xì)分地物點(diǎn)類，分類結(jié)果可以生成DSM、DEM、DOM、數(shù)字地形圖等成果[5，6]。LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理流程可以用圖2來(lái)表示。

圖2 典型的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理流程

2.2 Civil 3D設(shè)計(jì)參數(shù)建模

Civil 3D作為一款面向基礎(chǔ)市政建設(shè)的BIM軟件，具有強(qiáng)大的建模功能，其操作命令和AutoCAD一樣，但是其優(yōu)勢(shì)在于三維建模和場(chǎng)地放坡，獨(dú)有的場(chǎng)地放坡功能，可以根據(jù)高程、距離、放坡比、至曲面4種模式進(jìn)行放坡，滿足不同設(shè)計(jì)參數(shù)的放坡需求[7]。相比于傳統(tǒng)的CASS、天正等土方量計(jì)算軟件，Civil 3D解算土方量有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①Civil 3D可以直觀地展示地形地貌，三維立體還原測(cè)區(qū)原始地形，有助于發(fā)現(xiàn)測(cè)量粗差，剔除測(cè)量粗差；②傳統(tǒng)的CASS和天正軟件解算土方量需要原始數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀數(shù)據(jù)一般可以通過(guò)實(shí)地測(cè)量獲得，然而原始數(shù)據(jù)或者對(duì)比數(shù)據(jù)有時(shí)并沒(méi)有測(cè)量數(shù)據(jù)，只是設(shè)計(jì)參數(shù)和放坡比，這樣在CASS與天正軟件解算土方量過(guò)程中就會(huì)由于缺少參照模型而無(wú)法進(jìn)行。一般情況下，可以通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)和放坡比解算出設(shè)計(jì)放坡的腳點(diǎn)和特征點(diǎn)，然后帶入解算，這樣既麻煩又可能計(jì)算錯(cuò)誤，效率低；Civil 3D由于可以通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)和放坡比建模，可以直觀地展示放坡模型，相比于傳統(tǒng)方法更有效率。

2.3 機(jī)載LiDAR+Civil 3D的邊坡設(shè)計(jì)土石方計(jì)算技術(shù)流程

機(jī)載LiDAR以其無(wú)接觸、高精度、多回波特點(diǎn)，可以快速、高精度獲取山區(qū)茂密植被覆蓋區(qū)域的原始地形，結(jié)合Civil 3D參數(shù)化、可視化建模功能，可以實(shí)現(xiàn)邊坡設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)建模，從而解決土石方概算的原始模式和設(shè)計(jì)模型獲取難點(diǎn)，其技術(shù)流程如圖3所示。

圖3 機(jī)載LiDAR+Civil 3D在植被茂密山區(qū)土石方概算技術(shù)流程

3 實(shí)例分析

某水利設(shè)施擬建在一處深山峽谷處，由于地勢(shì)低洼，兩側(cè)山高林密，為防止滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，擬對(duì)兩側(cè)山坡進(jìn)行邊坡加固。此邊坡高差約 100 m，坡度約30°，最陡處坡度約80°，植被覆蓋茂密，原始地形獲取困難，常規(guī)的測(cè)量方法一般采用全站儀+導(dǎo)線量測(cè)法，進(jìn)行原始地形、地物獲取，局限于植物覆蓋茂密，全站儀視野較差，地形點(diǎn)獲取困難。RTK測(cè)量由于信號(hào)遮擋，無(wú)法獲得固定解。因此為獲取兩側(cè)山體的原始地形，本項(xiàng)目擬采用羅賓遜R44載人直升機(jī)，搭載ALTM Galaxy T 1000激光雷達(dá)設(shè)備獲取測(cè)區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)搭載光學(xué)數(shù)碼相機(jī)同步獲取測(cè)區(qū)高分辨率光學(xué)影像數(shù)據(jù)，點(diǎn)云平均密度優(yōu)于100點(diǎn)/m2，原始光學(xué)影像分辨率優(yōu)于 5 cm(坡腳除外)。原始地形獲取航線規(guī)劃如圖4所示。

圖4 原始地形獲取航線規(guī)劃

通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，獲取測(cè)區(qū)高精度的原始點(diǎn)云和影像圖片，由于點(diǎn)云包括地形表面激光數(shù)據(jù)、地物表面激光數(shù)據(jù)和多路徑效應(yīng)造成的噪點(diǎn)(粗差點(diǎn))等，需通過(guò)點(diǎn)云濾波去除地物點(diǎn)和噪聲點(diǎn)，以獲取準(zhǔn)確的原始地形點(diǎn)。點(diǎn)云濾波常用方法有雙邊濾波、高斯濾波、直通濾波、隨機(jī)采樣一致性濾波等[8，9]，本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)情況，采用自動(dòng)濾波+人機(jī)交互方式進(jìn)行處理，確保最終的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中不含或僅存在較少噪點(diǎn)，如圖5所示。

圖5 點(diǎn)云去噪濾波(消除噪點(diǎn))

點(diǎn)云去噪后，根據(jù)點(diǎn)云的多回波特性，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行分類，區(qū)分地形點(diǎn)和地面點(diǎn)，建立原始地形DEM，將去噪和分類后的地形點(diǎn)云導(dǎo)入Civil 3D軟件中，進(jìn)行點(diǎn)云建模，以獲取測(cè)區(qū)的精確原始地形圖。為計(jì)算邊坡設(shè)計(jì)土方量，在獲取原始地形后，還需獲取設(shè)計(jì)模型，通過(guò)設(shè)計(jì)模型和原始地形進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算土方量。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)模型，采用Civil 3D場(chǎng)地設(shè)計(jì)和放坡功能進(jìn)行建模，根據(jù)設(shè)計(jì)剖面圖和放坡比例，在Civil 3D中進(jìn)行精確放坡建模，獲取精準(zhǔn)設(shè)計(jì)模型，如圖6所示。

圖6 獲取原始地形和設(shè)計(jì)模型

通過(guò)將原始地形圖和邊坡設(shè)計(jì)曲面進(jìn)行對(duì)比分析，采用復(fù)合體積算法或平均斷面算法，在Civil 3D土石方計(jì)算工具中進(jìn)行體積計(jì)算，得到土方量計(jì)算結(jié)果。同樣的數(shù)據(jù)，采用CASS軟件計(jì)算：第一步：建立參考模型，由于CASS計(jì)算需要坐標(biāo)點(diǎn)作為原始數(shù)據(jù)建立三角網(wǎng)，需要通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)和放坡比建立特征點(diǎn)(坡頂點(diǎn)、坡腳點(diǎn)、特征點(diǎn))，然后將特征點(diǎn)文件導(dǎo)入到CASS軟件，作為參考模型；第二步：導(dǎo)入原始模型，將現(xiàn)有采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入CASS作為原始數(shù)據(jù)；第三步：方格網(wǎng)法計(jì)算土方量。通過(guò)上述步驟解算出來(lái)的土方量同Civil 3D解算的進(jìn)行對(duì)比，詳情如表1所示。

Civil 3D和CASS軟件解算土方量對(duì)比 表1

通過(guò)Civil 3D和CASS解算土方量對(duì)比，可以看出Civil 3D和傳統(tǒng)的CASS軟件解算土方量精度相當(dāng)，但是卻可以方便直觀地展現(xiàn)模型形態(tài)，省去了由于缺少參考模型而需要通過(guò)設(shè)計(jì)參數(shù)去計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)參與計(jì)算的麻煩，相對(duì)于傳統(tǒng)的二維土方測(cè)算軟件，具有更強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文主要探討了植被茂密山區(qū)土石方概算的問(wèn)題，針對(duì)高陡、高植被覆蓋率山區(qū)地形獲取困難的問(wèn)題，通過(guò)機(jī)載LiDAR的高密度點(diǎn)云、多回波探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)茂密植被覆蓋山區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速獲取，通過(guò)點(diǎn)云去噪、濾波和分層處理，快速、高精度構(gòu)建原始地形模型；針對(duì)邊坡設(shè)計(jì)土石方概算的參考模型問(wèn)題，通過(guò)Civil 3D平臺(tái)，利用其三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)和場(chǎng)地放坡功能，實(shí)現(xiàn)由二維的CAD剖面設(shè)計(jì)到三維立體邊坡模型的建立，為土方量概算提供精準(zhǔn)參考模型。結(jié)合機(jī)載LiDAR+Civil 3D各自的優(yōu)勢(shì)，可以快速、便捷獲取邊坡設(shè)計(jì)土方量計(jì)算的原始和參考模型，為茂密植被覆蓋山區(qū)邊坡設(shè)計(jì)土石方概算提供了有益借鑒。