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摘要：三維激光掃描技術(shù)在土石方工程量計算方面具有廣泛的應(yīng)用前景。文章分析基于三維激光掃描的土石方算量計算方法，即在三維激光掃描技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，通過點云外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及邏輯運算等完成土石方工程量的計算；還結(jié)合某實際工程項目的土石方計算工作，展示了三維激光掃描技術(shù)在土石方工程量計算效率和精度方面具有的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；土石方；工程量計算；精細化管理

作為工程建設(shè)的主體工程，土石方的開挖與填筑施工存在著工期較長、工程量大等特點。而土石方工程量的計算精度對工程進度和造價具有重要影響，同時也直接決定著施工方案的選擇，故提高土石方工程量計算的精度和效率對于工程項目而言意義重大。傳統(tǒng)的土石方工程量計算一般是通過全站儀或GNSSRTK進行外業(yè)測量數(shù)據(jù)采集，然后在內(nèi)業(yè)計算中采用相應(yīng)的軟件通過方格網(wǎng)法、斷面法或等高線法等進行土方量的估算[1]。但上述土方量計算主要是基于外業(yè)采集的特征點坐標(biāo)進行的，而特征點采集受作業(yè)人員的經(jīng)驗影響較大，且由于地形條件復(fù)雜，土石方不規(guī)則等原因會導(dǎo)致采集困難的情況，故傳統(tǒng)的土石方工程量計算方法在適用條件、作業(yè)效率及計算精度等方面仍存在不足。近些年，計算機軟硬件和三維建模技術(shù)得到快速發(fā)展，為土石方工程量計算的效率和精度提供了新的途徑，如無人機傾斜攝影測量、三維激光掃描及建筑信息模型技術(shù)等。其中三維激光掃描技術(shù)作為測量界逐漸興起的技術(shù)，具有主動、高效、實時、精確等特點。隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用，其在土石方工程量的計算方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。

1基于三維激光掃描的土石方算量計算方法

地面三維激光掃描儀與全站儀類似大小，一般架設(shè)于三腳架上完成掃描工作。通過非接觸式的激光測距系統(tǒng)，記錄激光束發(fā)射接收之間相位差或者時間差來高速精確地測量掃描物體點與儀器之間的距離[2]。掃描系統(tǒng)通過內(nèi)部的反射鏡指導(dǎo)激光束以一定的角速度進行發(fā)射，同時測量發(fā)射激光束的水平角和豎直角。通過把兩系統(tǒng)進行結(jié)合，則可計算得到每個掃描物體點的三維坐標(biāo)并得到海量點云數(shù)據(jù)。一般而言，地面三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)所采用的為儀器坐標(biāo)系。當(dāng)其安置于三腳架時，儀器中心所在的水平面即為儀器坐標(biāo)系的原點，X軸與Y軸在水平面內(nèi)正交，Z軸則豎直向上。此時，三維激光掃描儀可獲得激光束到掃描點距離觀測值S，激光束的水平角α和豎直角θ觀測值。

1.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集地面三維激光掃描儀不需要設(shè)定基準(zhǔn)點或者后視定向，以非接觸測量的形式快速獲取待求土石方的海量點云數(shù)據(jù)，進而通過數(shù)據(jù)處理進行土石方量的計算[4]。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面，其主要步驟包括現(xiàn)場踏勘、標(biāo)靶布設(shè)及數(shù)據(jù)采集等。在進行土石方的點云數(shù)據(jù)采集時，首先需要根據(jù)土石方量的實際情況進行現(xiàn)場踏勘。其目的是合理規(guī)劃作業(yè)路線，確定合適的測站數(shù)量和儀器架設(shè)位置，減少重復(fù)掃描，同時降低后期數(shù)據(jù)處理的工作量。根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場情況，制定相應(yīng)的掃描規(guī)劃圖，包括儀器配置、測站部署、區(qū)間設(shè)定、靶標(biāo)布設(shè)及人員安排等。為了方便后期點云數(shù)據(jù)拼接，需要仔細地選擇測站的位置并設(shè)置靶標(biāo)，并根據(jù)土石方現(xiàn)場的面積確實測站點間的公共間距以保障采集的點云數(shù)據(jù)的高效性。靶標(biāo)布設(shè)是為了各測站之間采集的點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。一般需要選用球狀靶標(biāo)進行缺乏特征點的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。在布設(shè)靶標(biāo)時需要注意以下幾個原則：它需要和測站之間保持通視；距離測站不能太遠；和測站點之間不能在同一條直線上；相鄰測站點之間需要有3個以上的公共靶標(biāo)。數(shù)據(jù)采集可以通過便攜式計算機實現(xiàn)或者直接操作儀器實現(xiàn)，設(shè)置好儀器的掃描范圍、角度、分辨率等參數(shù)之后先選擇較低的分辨率進行粗掃描，確定要掃描的大概范圍。再對重點區(qū)域比如輪廓、標(biāo)靶等部位進行精掃描，應(yīng)盡可選用足夠高的分辨率。即使三維激光掃描技術(shù)能夠高效獲取高密度的點云數(shù)據(jù)，但在一些特定的應(yīng)用場景中仍需要配合傳統(tǒng)測量儀器如GNSSRTK或全站儀共同采集數(shù)據(jù)，或是載入設(shè)計文件，以確保項目數(shù)據(jù)的完整性和多元數(shù)據(jù)融合應(yīng)用[5]。

1.2點云數(shù)據(jù)處理點云數(shù)據(jù)處理對于地面三維激光掃描系統(tǒng)而言具有重要地位，對于掃描得到的土石方點云數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理操作主要包括去噪、拼接配準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)一、點云壓縮及三維模型重建等[6-7]。

（1）點云數(shù)據(jù)的去噪包括利用軟件的功能將一些明顯偏離了掃描對象的孤立點進行刪除，并對點云數(shù)據(jù)進行平滑，消除一些與土石方無關(guān)的數(shù)據(jù)。

（2）在拼接配準(zhǔn)方面，常用的點云拼接方法包括基于控制點的拼接、基于公共特征點的拼接和基于公共靶標(biāo)的拼接。利用控制點進行拼接的精度最高，可滿足監(jiān)測精度需求，但是在土石方點云數(shù)據(jù)采集時需要首先布設(shè)控制網(wǎng)。利用公共特征點拼接主要依靠人眼識別相關(guān)特征，人為因素對結(jié)果干擾較大，在缺少特征點的情況下不易完成拼接工作。因此，常通過布設(shè)球形靶標(biāo)作為拼接標(biāo)志，利用公共的靶標(biāo)點完成不同測站的點云數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)。

（3）地面三維激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)是以掃描儀的中心為原點，以其旋轉(zhuǎn)軸及對應(yīng)的參考方向定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。在多個測站采集得到的數(shù)據(jù)都以各測站的掃描時的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，此時需要進行坐標(biāo)系的統(tǒng)一。兩個坐標(biāo)系的統(tǒng)一主要存在著3個平移參數(shù)、3個旋轉(zhuǎn)參數(shù)及1個尺度參數(shù)，故需要至少3個坐標(biāo)已知的公共點進行平差解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（4）掃描得到的土石方的三維點云的數(shù)據(jù)量通常很大，如果直接進行建模會花費較長的時間，其效率低下，故在建模前需要對原始的點云數(shù)據(jù)進行壓縮重采樣處理以提高三維建模的效率。

（5）點云數(shù)據(jù)是離散數(shù)據(jù)，為了方便土石方算量，需要基于離散數(shù)據(jù)建立三維模型。主要過程有構(gòu)建三角網(wǎng)模型，多邊形修補、去除多余特征、減少多邊形數(shù)量、平滑及輪廓線提取和曲面擬合。在多邊形階段對模型進行修補、調(diào)整等，對一些無法掃描到的小的孔洞用線性插值或者二次曲面插值的方法進行填補。輪廓線用手工或者軟件自動提取，最后構(gòu)造曲面片和擬合曲面。

1.3土石方計算利用點云數(shù)據(jù)計算土石方的原理為利用施工前后構(gòu)造的兩個地形三維模型進行邏輯運算得到相應(yīng)的封閉體模型來計算。若直接對兩個開放的不規(guī)則地形表面模型進行邏輯運算其結(jié)果可能不穩(wěn)定，故通?？紤]相對穩(wěn)定的地面與體的邏輯運算，采用不規(guī)則的地面去切割形成一個較為規(guī)則的封閉體模型，得到需計算的土石方量的范圍，實現(xiàn)由面模型到體模型的轉(zhuǎn)換，再進行土石方體積的計算[8]。目前有許多點云建模分析軟件可以進行土石方的計算，即首先將采集的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，進行點云數(shù)據(jù)擬合得到表面模型，再選擇某一平面作為填挖的基準(zhǔn)面，軟件則可以自動計算填挖土石方的體積。

2基于三維激光掃描的土石方算量計算方法的應(yīng)用案例

某1號公路建設(shè)過程中需要對土石方量進行計算。具體采用了三維激光掃描儀進行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作，為確保項目數(shù)據(jù)的完整性和多元數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，對未被三維激光掃描儀設(shè)備采集的道路邊坡部分數(shù)據(jù)內(nèi)容進行了GNSSRTK增補測量。1號公路激光點云數(shù)據(jù)與RTK測量數(shù)據(jù)疊加的結(jié)果如圖1（a）所示。為基于設(shè)計模型與道路實測模型進行土方量運算，無須重新繪制邊界線或基于設(shè)計數(shù)據(jù)建立理論三維模型，直接將原有范圍線和設(shè)計模型導(dǎo)入，疊加結(jié)果如圖1（b）所示。在點云去噪方面，將1號公路竣工范圍線以外的點云數(shù)據(jù)進行自動過濾掉，將空中部分電力線路數(shù)據(jù)根據(jù)反射強度差異進行過濾。進而通過設(shè)置點云最小間隔等指標(biāo)對點云數(shù)據(jù)進行密度稀釋過濾，并將地表以上的植被、雜物等點云噪聲濾除。去噪完成之后，通過全部數(shù)據(jù)進行自動化地形三角網(wǎng)構(gòu)建，如圖1（c）所示。此時，1號公路的實際掃描地表三維模型已建立完成，為后續(xù)的方量計算提供了準(zhǔn)確的對比條件。在土方量計算時，將“1號公路實測”和“1號公路設(shè)計”兩個地表三角網(wǎng)模型進行疊加，為保證方量計算的準(zhǔn)確性，在實施計算之前對兩個模型進行表面有效性檢查。完成有效性檢查之后，以“1號公路實測”表面為參照，計算其與“1號公路設(shè)計”表面之間的填挖方量，結(jié)果如圖1（d）所示。其計算得到的K0+000～K0+200的具體開挖工程量如表1所示。

3結(jié)束語

綜上所述，文章主要介紹了利用三維激光掃描技術(shù)采集土石方數(shù)據(jù)的外部作業(yè)流程，分析了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過程及土石方工程量計算算法。從某1號公路工程中利用激光點云技術(shù)計算土石方工程量的實際案例來看，采用該方法不僅可以使土石方工程量的計量方法更加科學(xué)，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，還可以大幅度提升土石方工程量計算的效率和作業(yè)安全性。

參考文獻

[1]羅幫林,韓珍,王清.基于ArcGIS的水土保持區(qū)域評估土石方量計算方法[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2022(4):23-24.

[2]霍二鵬,金敏,楊京.機場土石方與地基處理工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù),2022,53(5):602-604.

[3]候漢霜.基于Delaunay三角網(wǎng)法的土石方量計算精度探討[J].城市勘測,2022(2):159-163.

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作者:肖維 張夢圓 夏旦 單位:湖南五凌電力科技有限公司