三维激光扫描技术应用于土方计算

土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（1）页 填挖方体积测量报告填挖方体积测量报告 广州中海达定位技术有限公司 一、概述一、概述 本次土方外业数据采集前后共用时 2.5 天，完成了测区 0.13 公 顷的多山体的整体扫描。三维激光扫描设立站点 35 个，全部外业三 维激光扫描数据 3G。同时，采用 GPS-RTK 测量 84 个测区范围点。 配合三维激光扫描不同测站三维点云数据的拼接，采用 GPS-RTK 测 量207 个靶球坐标。 通过对三维激光扫描点云数据的绝对坐标解算、 滤波处理和三角网构建，与开挖面高程模型进行开挖计算统计，测区 范围按照设计开挖面全部挖方:4525055.8914 m3，填方: 790.2523 m3。 二、测量依据二、测量依据 1、 CJJ8-99城市测量规范 ； 2、 光电测距仪 GB/T 14267-2009 3、 全球定位系统（GPS）测量规范 GB/T 18314-2009 4、 工程测量规范 GB50026-2007） 三、测量方法与测量过程三、测量方法与测量过程 1 1、测量方法、测量方法 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（2）页 采用高精度三维激光扫描仪直接测量出被测物体表面高密度点的 三维坐标，通过 GPS-RTK 测量出不同三维激光扫描测站连接点的绝 对坐标， 以此将不同测站的三维激光扫描点云数据合并成全区域三维 点云；进一步对三维点云中的植被进行滤波和编辑处理，获取被测对 象高密度的地面高程，据此对测物体表面进行不规则三角网（TIN） 的构建，生成 DEM 数据；最后，根据生成的 DEM 模型与开挖面高程 模型进行开挖分析，统计开挖分析后的开挖数据，得出具体的开挖工 程量。 2 2、测量仪器、测量仪器 三维激光扫描采用 Faro Focus 3D（如图 1）地面高精度激光扫 描仪。Faro Focus 3D 三维激光扫描成像系统是 Faro 公司在新所推 出的划时代的激光扫描仪新产品。该扫描仪体积小、重量轻、携带方 便，外业操作简单、快速。它使用极其纤细的近红外线激光束，采用 非接触式快速获取数据的相位式扫描机制原理， 每秒发射高达976， 000 点的纤细激光束， 单站扫描时间仅需 3 分钟，且换站扫描时无 需关闭扫描仪，无需对中整平。 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（3）页 （图 1 施工用 Faro Focus 3D 三维激光扫描仪） Faro Focus 3D 三维激光扫描仪具体的技术指标如下： 扫描距离：153.49 m 尺寸：24x20x10 cm3 扫描精度：2 mm （25 米距离处，一次单点扫描） 激光发射频率：976,000 点/秒 扫描视场范围：305°x 360° （(垂直 x 水平） 双轴倾斜补偿器：准确度 0.015°，测量范围±5° 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（4）页 GPS-RTK 测量所使用的仪器为中海达 GPS 3 3、测量过程、测量过程 本次三维激光扫描的区域地形比较复杂，山头、山坳很多，并有 植被覆盖。在实施三维激光扫描时采取的基本方法是： 1）分站扫描：充分考虑通视和覆盖，设定不同的测站实施三维 激光点云获取。选择测站时，首先在山顶最上面将能看清的数据一次 全部扫描；然后在山坳地区，采用 3 点补扫，即在山坳的两个山尖各 扫描一次，然后在最下面扫描一次，以保证扫描数据没有遗漏。 2）靶球测量：为了将各测站的三维激光扫描数据拼接整合成全 区域的三维点云，对每一测站扫描时，布设不少于 3 个靶球，并由 GPS-RTK 直接测量去三维坐标， 从而直接得到每一测站点云在WGS-84 下的三维坐标。布设靶球时，尽量考虑相邻测站靶球的共用， 以保证绝对定位测量和拼接精度。 3）扫描参数设定： 此次 35 个测站设定相同的三维激光扫描参 数，设定的具体扫描参数如下： 扫描距离：100150M， 扫描精度：68mm， 激光发射频率：976,000 点/秒， 扫描视场范围：305°×360°(垂直×水平) 连接：使用触摸界面控制扫描仪 扫描时间：3min 4 4、激光扫描数据处理、激光扫描数据处理 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（5）页 激光扫描数据处理主要包括：坐标转换、点云裁剪以及噪声点剔 除、数据重采样、点云数据导出等步骤。 1）坐标转换：主要是将点云的坐标系统由工程坐标系统转换为 WGS84 坐标系统中去。 由于 Faro 每一次扫描的数据都是使用的它自 身所设定的工程坐标系统 （即以当前扫描站点为坐标中心点的坐标系 统） ，所以需要利用每一站的靶球（测有大地坐标）来将点云坐标转 换为 WGS84 坐标。 此处转换主要是利用每一个站点的 3 张靶球的 大地坐标与它的工程坐标进行配准， 配准完成之后坐标系统之间转换 即完成。 本次转换标准差最大为 0.0049m， 一般的都在 0.0025m 左右， 完全满足本次土方量计算精度要求。 2）点云裁剪以及噪声点剔除：在数据扫描的过程中，因为大部 分采用的是 360°全方位扫描，所以不可避免的产生了很多的冗余数 据；还因为一些各种各样的其他原因，比如天空飞翔的小鸟等产生的 噪声数据等， 这样就不可避免的需要进行点云数据的滤波。 采用 Faro Focus 3D 随机配置的 Faro Scene 软件逐站将激光扫描数据导入， 通 过软件的过滤功能去除噪声点云，得到滤波点云数据。 3）数据重采样：三维激光点云数据量大导致后期处理的麻烦， 根据土方测量精度要求，对点云数据进行重采样。在进行重采样处理 过程中，数据将因平均而降低。本次重采样一共进行了 2 次，将原来 高达几百 M 的数据最后都控制在 10M 以内， 而且还保证了数据的完整 度。重采样后的点云间隔为 10cm-15cm，测区范围内高程点数据达到 200 万个，完全满足土方计算要求。 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（6）页 4）数据导出：为了后续土方计算方便，将点云数据导出为 dxf 格式的数据，直接输出到 AutoCAD 进行下一步的植被滤波。 5）植被过滤：该次扫描的山体覆盖了大面积的植被，要精准获 取山体的填挖方体积，必须剔除植被数据。此处使用的植被过滤方法 是移动窗口差分算法，首先定义一定大小的窗口，该窗口内的最低点 （高程最小）为地面点，该窗口内距离该地面点超过一定阈值的点既 认为是非地面点，在最终成果内删除改点。显然，窗口以及高程阈值 的大小会影响最终的滤波结果，过大将导致植被点划分为地面点，又 可能平滑去掉一些小的地形不连续部分，并且计算量大。此处使用的 参数窗口大小为 0.5mx0.5m，高程阈值是 1 米。结果如下图所示： 过滤前 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（7）页 过滤后 将过滤后的点云，输出为 txt 格式的数据。 四、土方计算四、土方计算 土方计算采用了构建测区高精度 TIN 的方法。通过三维激光扫 描获取的测区范围高密度点云三维坐标进行不规则三角网（TIN）的 构建。同样，根据开挖面给定的高程点构建 TIN，两个 TIN 模型直接 相减，即可得到开挖结果，对开挖结果数据进行统计，分别得到开挖 土方量。 构建 TIN 以及基于 TIN 进行开挖计算全部在 ArcGIS 软 件中进行。过程如下： 1 1、测区三维点云数据导入测区三维点云数据导入 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（8）页 过滤后 将三维激光扫描点云在 ArcMap 中导入，得到测区范围 的全部高程点。 2 2、填挖方量统计计算填挖方量统计计算 查看填挖方分析结果属性表，将结果导出，得到不同分布的填挖 方量和面积，如图 7。 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（9）页 图 7 填挖方属性表 3 3、成果整理成果整理 VALUE COUNT VOLUME VAREA 填方(m³) 挖方(m³) 总面积 （） 28 184 -333.439 2 745.39 76 -790.2523 4525055.89 15 137128.85 5 18 57 -223.383 6 230.91 12 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（10）页 38 9 -34.7144 36.459 7 39 11 -34.4771 44.561 8 22 6 -29.8014 24.306 4 7 16 -28.5248 64.817 2 36 6 -21.1418 24.306 4 1 5 -15.9104 20.255 4 35 2 -14.0829 8.1021 3 4 -13.6462 16.204 3 21 3 -8.4168 12.153 2 4 2 -6.2102 8.1021 6 2 -5.0321 8.1021 9 3 -4.2050 12.153 2 31 6 -3.9668 24.306 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（11）页 4 23 2 -3.9370 8.1021 11 1 -1.8325 4.0511 24 1 -1.6986 4.0511 5 1 -0.7149 4.0511 27 2 -0.6842 8.1021 20 1 -0.6842 4.0511 13 2 -0.6573 8.1021 8 1 -0.6346 4.0511 19 1 -0.5541 4.0511 15 1 -0.5038 4.0511 37 1 -0.4171 4.0511 34 1 -0.3638 4.0511 14 1 -0.2400 4.0511 26 2 -0.2071 8.1021 17 1 -0.1324 4.0511 25 1 -0.0380 4.0511 12 5 0.0000 20.255 4 16 63 0.0000 255.21 77 土方计算解决方案 广州中海达定位技术有限公司 第（12）页 42 1 0.0000 4.0511 40 1 0.1170 4.0511 10 1 0.4147 4.0511 33 1 0.4192 4.0511 32 1 0.4603 4.0511 29 1 0.6494 4.0511 30 2 1.4258 8.1021 41 1 6.2896 4.0511 2 33437 4525046. 1155 135455 .7614 对填挖方分析结果属性表进行统计，得到填挖方结果表如下。 五、结论五、结论 综上测量和计算，截止 2010 年 9 月 17 日，测区按照设计开挖 面全部开挖土方量为 4525055.8915 m³，填方量为 790.2523 m³。