三维激光扫描技术应用于土方计算资料下载.pdf

1、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

2、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

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：24x20 x10 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：305x 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

4、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

5、，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：100150M，扫描精度：68mm，激光发射频率：976,000 点/秒，扫描视场范围：305360（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

6、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

7、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

8、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

9、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 Arc

10、Map 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（m）挖方（m）总面积（）28 184-333.4392 745.3976-790.2523 4525055.8915 137128.855 18 57-223.3836 230.9112 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 3

11、6.4597 39 11-34.4771 44.5618 22 6-29.8014 24.3064 7 16-28.5248 64.8172 36 6-21.1418 24.3064 1 5-15.9104 20.2554 35 2-14.0829 8.1021 3 4-13.6462 16.2043 21 3-8.4168 12.1532 4 2-6.2102 8.1021 6 2-5.0321 8.1021 9 3-4.2050 12.1532 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

12、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 20.2554

13、16 63 0.0000 255.2177 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 m，填方量为 790.2523 m。