原創(chuàng)發(fā)布：土石方快速測算的方法研究

　　摘  要：本文研究GPS、地面三維激光掃描和傾斜攝影測量三種快速測算土石方的方法。GPS技術采用（方格網法和DTM法）兩種方法測算，地面三維激光掃描采用激光點云建模測量體積的方法，傾斜攝影測量采用無人機影像建模測算體積的方法。研究結果表明：傳統(tǒng)土石方測量方法，外業(yè)采集效率較低，測算的精度較低。采用三維激光掃描技術和傾斜攝影測量技術的方法，能夠快速獲取現(xiàn)場數據，提高土石方測量效率，精度相對于傳統(tǒng)測算方法較高，對工程的工期、投資和規(guī)劃設計都有著重要的意義。
　　關鍵詞：全球定位系統(tǒng)（GPS）；三維激光掃描；傾斜攝影測量；土石方
　　中圖分類號：P258          文獻標識碼：A

　　0引言

　　傳統(tǒng)的測量方法采集的是單點數據，對于地形復雜的大體積土石方測算效率和測算的精度較低，無法精確的反映土石方的地形地貌。而三維激光掃描技術和傾斜攝影測量技術的興起，使得測量數據獲取方式發(fā)生巨大改變，將傳統(tǒng)單點測量模式推進至面式掃描模式以及傾斜攝影方式，可以大面積地獲取目標表面的點云數據，在數據獲取效率、數據采集范圍、數據源的準確性、測量作業(yè)安全性和自動化方面實現(xiàn)了全面提升。 

　　1研究對象介紹
　　本文研究對象為山東理工大學西校區(qū)內的閑置區(qū)，該測區(qū)土石方的地形地貌復雜，在測區(qū)范圍內有兩棵樹，測區(qū)周邊樹木茂密。擬將該測區(qū)土石堆運出，測算其土石方量，以便于選擇合理施工方案。

　　2數據獲取
　　本文數據的獲取主要利用三種測量技術，依次是GPS測量技術、三維激光掃描技術和傾斜攝影測量技術。為了使三種測量技術獲取測區(qū)相同的目標物體，本文采取了無時間間隔的數據獲取方式，坐標系為西安80坐標系。
　　2.1 GPS技術數據獲取
　　數據獲取使用的儀器是天宇“G1”RTK測量系統(tǒng)，內置傾斜補償器，根據對中桿傾斜方向和角度自動校正坐標。采用的是CORS網模式，根據測區(qū)地表測量了224個特征點來精確地表達該土石方。
　　2.2 三維激光掃描技術數據獲取
　　數據獲取使用的儀器是Z+F5006H脈沖式三維激光掃描儀，紅色激光束，有效測程為79 m，最小測程為0.4 m，分辨率為0.1 mm，水平視野為360°，垂直視野為310°。根據測區(qū)地表在測區(qū)布設了10站。
　　2.3 傾斜攝影測量技術數據獲取
　　數據獲取使用的儀器是大疆PHANTOM 3 SE，相機為DJI FC300XW，傳感器大小為6.16 mm，焦距為3.61mm。拍攝方式為傾斜環(huán)繞45°傾角和垂直90°拍攝，共采集了107張影像。
　　2.4 數據采集流程
　　三種快速測量土石方技術的數據獲取流程如圖1、圖2和圖3，依次為GPS、三維激光掃描和傾斜攝影測量數據獲取流程。這三種方法的采集流程大不相同，其中GPS測量技術和三維激光掃描技術在數據采集過程中人隨著儀器移動，受地形地貌的影響較大。而傾斜攝影測量則不同，在數據采集過程中儀器受到人為的控制在空中采集，不受地形地貌的影響。

 

　　3數據處理
　　本文根據不同的數據獲取方式選擇了不同的數據處理方法。其中GPS測量技術使用CASS8.0軟件中的DTM法和方格網法進行體積算量[1-4]，三維激光掃描技術使用的是Riscan pro1.4.6軟件中的激光點云建模的方法進行體積算量[5-7]，傾斜攝影測量技術使用的是context capturer軟件中的影像建模的方法進行體積算量[8-13]。數據處理電腦為筆者自用的普通筆記本電腦。
　　3.1 GPS技術數據處理
　　3.1.1 數據處理流程
　　數據處理之前要進行預處理，把野外測量坐標數據文件轉換成格式為（點號，Y，X，H）的。dat文件，才能進行DTM法和方格網法土石方計算。DTM法和方格網法處理的流程依次為圖4和圖5所示。

　　3.1.2 土石方量的測算
　　采用DTM法計算土石方量和方格網法計算土石方量依次為3077.77 m?、3096.00 m?。
　　3.2 三維激光掃描技術數據處理
　　3.2.1 數據處理流程
　　數據處理之前要進行預處理，將野外掃描的數據文件導入到掃描儀自帶的軟件中進行格式轉換，轉換成（X，Y，Z）格式的。TXT文件，這樣才能進行下一步的數據處理。三維激光掃描儀數據處理的流程為圖6所示。

 

　　3.2.2 土石方量的測算
　　三維激光點云數據處理完成后，使用Riegl軟件將處理完成后的三維激光點云通過測量控制點計算出七個參數，然后轉換到工程坐標系下進行點云建模計算土石方量，計算土石方量為3177.77 m?。
　　3.3 傾斜攝影測量技術數據處理
　　3.3.1 數據處理流程
　　數據預處理之前要進行預處理，將野外拍攝的影像導入到context capturer軟件中篩選，刪除曝光過度、模糊、重復和范圍外的影像，這樣才能進行下一步的數據處理。傾斜攝影測量數據處理的流程如圖7所示。

 

 

　　3.3.2 土石方量的測算
　　采用傾斜攝影測量影像建模計算的土石方量為3145.26 m?。　　

      4測算結果分析
　　4.1 GPS技術測算結果分析
　　通過GPS技術測算的結果分析，方格網法計算土方量為3077.77 m?，DTM法計算土方量為3096.00 m?，兩種方法結果差距不大，但是傳統(tǒng)測量方法點的密度低、特征地形表示不明顯，外業(yè)效率低，工作量大。
　　4.2 三維激光掃描技術測算結果分析
　　通過三維激光掃描技術測算的結果分析，激光點云建模法計算土方量為3177.77 m?，其結果與傳統(tǒng)的測算方法相差較大，通過實驗可以看出，三維激光掃描儀測得的點云數據密度大，特征地形表示明顯，外業(yè)效率和精度高。
　　4.3 傾斜攝影測量技術測算結果分析
　　通過傾斜攝影測量技術測算的結果分析，傾斜影像建模方法計算土方量為3145.26 m?，其結果與點云數據相差不大，但是傾斜影像建模法測算數據效率高，但測量受外界影響大。
　　4.4 綜合分析

　　通過對表1分析得到：
　　1）對于同一目標物體，三維激光掃描技術采集的點的數量遠遠超過GPS技術。而且對測區(qū)目標物體的表示比GPS技術表示的完整，精度也高，因此本文將三維激光掃描技術采集的點云數據看作此次實驗的準真值。
　　2）點云拼接和模型數據去噪拼接壓縮、影響生成模型等這一整套工作要花費非常長的時間。而RTK數據只需要稍微處理就能在Cass軟件里得到結果。但外業(yè)采集時間相對于傳統(tǒng)的測量方法來說速度較快。如果特別要求精度的話，三維激光掃描和影像技術非常有優(yōu)勢，但是內業(yè)處理比較耗時間。所以，在精度要求高的情況下優(yōu)先選擇點云數據計算土方量法和影像數據計算土方量法。
　　3）測量不同目標的土方量時，要根據其目標的大小與精度要求來選擇合適的測量方法，當測量目標的土方量較小且精度要求不高時宜采用GPS技術進行測量；當測量目標的土方量大且精度要求較高時，宜采用三維激光掃描或傾斜攝影測量技術進行測量。
　　4）三維激光掃描和傾斜攝影測量技術能用在一些GPS技術不適用的地方。對于一些地勢險峻的地方，人力無法到達的地形，可以很快的獲取地形數據。
　　5）三維激光點云的分布是規(guī)則的，是有規(guī)律可尋的。而傾斜影像點云的分布是不規(guī)則的，沒有規(guī)律可尋的。

　　5結論
　　三種快速測算土石方量的方法各有自己的優(yōu)缺點。傳統(tǒng)土石方測量方法，外業(yè)采集效率較低，測算的精度較低。采用三維激光掃描技術和傾斜攝影測量技術的方法，能夠快速獲取現(xiàn)場數據，提高土石方測量效率，精度相對于傳統(tǒng)測算方法較高，對工程的工期、投資和規(guī)劃設計都有著重要的意義。