《应用移动激光扫描测量技术开展土方测量的可行性》
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摘 要：为提高量算精度与工作效率,本文将移动激光测量技术应用于土方测量.本文基于移动激光测量系统的测量原理,介绍了应用其开展土方量测算的技术要点,结合工程实例,探讨了采用此项新技术实施土方测量的可行性,并与GPS/RTK技术、地面三维激光扫描技术进行对比,说明了利用移动激光测量技术开展土方量测算的适用范围和技术优势,以期为今后开展相似的工程应用提供借鉴.
关键词：移动激光测量技术;土方测量;GPS/RTK;地面三维激光扫描技术
中图分类号：P234.4文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）05-0122-03
Abstract： In order to improve the measurement accuracy and work efficiency, this paper applied mobile laser measurement technology to earthwork measurement. In this paper, based on the measurement principle of the mobile laser measurement system, the technical points of applying earthmoving measurement and calculation were introduced, and combined with engineering examples, the feasibility of using this new technology for earthmoving survey was discussed, finally the application scope and technical advantages of earthwork measurement using mobile laser measurement technology were explained by comparing it with GPS / RTK technology and ground-based 3D laser scanning technology, with a view to providing reference for similar engineering applications in the future.
Keywords： mobile laser scanning measurement technology;earthwork volume measurement;GPS / RTK;ground-based 3D laser scanning technology
工程土方量計算的精确性依赖于地形数据的精细程度与采用的计算模型[1].为保障精度,常采用全站仪或GPS/RTK技术在工程现场实测.然而,这两种技术都属于单点定位技术,数据采集的效率不高,劳动强度大.在复杂地形、地貌条件下,传统测量技术受到极大的挑战.近年来,一些工程将三维激光扫描技术应用于土方量计算中[2],在海量三维数据支持下,恢复了精细的地表三维形态,在提升土方量计算精度的同时,还解决了不可达区域的数据采集问题,保障了工作人员安全,提高了自动化作业水平.然而,地面三维激光扫描仪测量距离有限,地形复杂的区域还会因为地物的相互遮挡而造成采集盲区.这就需要多次设站,最后由拼接的数据恢复完整的地形地貌.为拼接多站点云,人们需要在相邻站点内设置标靶作为拼接的连接点和坐标转换中的控制点[3].另外,相比全站仪与GPS/RTK,三维激光扫描仪更为笨重[4].仪器搬运与安置、标靶的设置、点云的拼接等问题使外业工作人员的劳动强度不能得到有效降低,使新技术的效率优势不能得到较充分的发挥.
为提高作业的自动化程度,发挥新技术优势,本文尝试应用移动激光测量技术开展土方量快速测算,即依托车辆运动平台,加快数据采集速度,免除了人工外业测量工作,进一步降低劳动强度.更为有益的是,在统一的坐标系统下,移动激光测量技术采集的数据不需要后期拼接.本文依据移动激光测量技术的工作原理,结合一个项目实例,尝试应用移动激光测量技术开展土方量测算,介绍了其技术要点,并与GPS/RTK技术、地面三维激光扫描技术进行了比较,希望能对新技术的推广有参考和借鉴作用.
1 移动激光测量技术作业流程
移动激光测量技术是将激光扫描、GNSS定位、IMU惯导系统、高分辨率相机等多种技术进行集成,把激光扫描仪安置在移动的车辆平台上,通过车辆的运动,完成车辆沿线条带数据的快速获取.多种传感器集成为一个系统,基于时间同步,应用配套的数据处理软件自动化完成数据解算任务.不同于地面三维激光扫描技术,移动激光测量系统采集的点云在统一的坐标系之下,因此不需要拼接.另外,较高的车载平台能有效地减少遮挡问题造成的测量盲区.移动激光测量系统采集速度快,测量精度高,是快速高效建立三维空间模型的有力手段,已成功应用于地形测绘、数字城市、道路交通工程、电力、林业等领域.
应用移动激光测量系统开展土方量测算的作业流程如图1所示,主要包括作业前的准备、数据采集、数据预处理、土方量计算四个步骤.
1.1 作业前的准备
作业前的准备主要包括测区资料收集、现场踏勘、制定作业方案、车辆与设备检查等工作.需要收集的资料包括常规测量任务涉及的工程概况、技术任务书,周围可用的测量控制点,测区已有的地形、影像等资料,而移动激光测量技术更关注测区的真实情况,尤其是测区内高程变化与通车条件.
在充分获取测区及周边情况后,可简单地制定作业方案,包括车辆的行驶路径、需要额外定点扫描的个别部位、扫描参数的设计以及车辆及设备检查等工作.车辆的行驶路径要求具备正常通车条件,并保证探测范围能覆盖整个测区,需要来回扫描的部位有一定的重叠区.将凸出周围地面的正地貌（如土堆、土堆）和低于地表的负地貌（如坑穴、洼地等）作为重点部位,扫描车辆往返行驶或转圈行驶,对于车辆通行不变的区域,可以在一侧利用定点转扫模式采集数据[5],以确保没有数据遗漏,采集的点云能复制真实的场景.
另外,还需要预设扫描参数,这要依据地形复杂程度和土方量计算的精度要求.主要参数包括激光发射点频、线扫描频率、车辆行驶速度、系统设备的安装高度与方位等.要检查车辆及设备,并进行试扫.
1.2 数据采集
移动激光扫描系统采集的数据采用已有控制点或GNSS基站的坐标系统,也可新建一个工程坐标系.在扫描之前,必须进行系统初始化.一般采用静态初始化过程以获取一个高精度的GNSS初始位置.初始化过程中开启系统,IMU惯导装置处于静止状态5min以上.然后,按照设计路线实施扫描,遇到前期未发现的可能数据采集盲区,可以根据地面通行条件灵活调整车辆行驶路线或调整作业模式进行加测.
1.3 数据预处理
数据采集结束后,将数据导入数据处理软件,生成高精度的原始点云.移动激光点云数据预处理步骤主要包括去除噪声、非地面点滤波、数据抽稀等,这些操作在点云数据处理软件中完成.对于土方工程,点云抽稀时还要考虑土方量要求的精度,保留地面特征点.
1.4 土方量计算
经过抽稀后的点云仍然保留了大量数据,可以导入CASS计算软件,使用常规方法计算土方量,也可以采用点云数据处理软件中的土方计算模块计算.主要方法有方格网法、等高线法、DTM法等[6],常采用多种方法计算和复核.
2 工程实例
2.1 项目概况
本项目位于西安市长安区滦镇街道,为省级重点示范镇建设工程.地块形状不规则,最长处约为1.8 km,最窄处为0.6 km,总面积约为90万m3.该地块一侧有围墙,其余为开放式状态,场地基本平整,最低高程为475 m,最高约为493 m,具备车辆通行条件,部分地表有垃圾和低矮植被覆盖.场区内有少量废弃的水泥电线杆和树木,对扫描点云不造成大的空洞,无须补测.
2.2 数据采集
根据现场情况,使用越野车搭载扫描系统,激光扫描仪安装高度（距地面）为2.1 m,激光发射平面與地面呈45°,扫描平面内360°视场角内采集数据.激光发射频率为100 kHz.行车路线为一个不规则的闭合环,行车速度为5 km/s.GNSS接收机系统接入省级CORS系统,达到厘米级精度.包括初始化步骤,数据采集时间约为40 min.
2.3 数据预处理
原始点云数据量庞大,经过去噪、滤波、抽稀等基本处理过程后,点云最小间距为0.8 m,保留了原始地形特征,将这些点云用于下一步的土方量计算.
2.4 土方量计算
根据给定的测区边界点对点云进行裁减,对于剩余点云,构建规则方格网和不规则三角网,如图2所示.
根据场地平整要求的设计高程面,计算了挖土方量和填土方量.为了确保检核的有效性,使用DTM和方格网两种方法,计算结果如表1所示.
3 讨论
本项目是使用移动测量技术进行土方量快速测算的一次尝试,根据数据采集过程、数据质量和自动化水平,有必要总结新技术的优势与注意事项.
3.1 新技术优势
从采集时间来看,本工程的测区范围较大,若使用GPS/RTK技术,需要测量两天的时间.若使用地面三维激光扫描仪,需要转站几十次,最少需要4～5 h.使用移动激光扫描系统不足1 h.
从劳动强度来看,GPS全野外实测,劳动强度大,地面三维激光扫描仪主要劳动集中在搬站上,由于仪器重达十几千克,徒步行走4～5h仍然是比较大的劳动力度.人们可以采用车载激光扫描仪,数据纯自动化采集,劳动强度最低.
从数据处理流程来看,采用GPS采集的数据点数据量少,导入CASS软件后,设定方法,进行必要的三角形删除后,可很快计算出土方量的大小.但地形覆盖面大,采样点稀少,无法维持细部地形的完整性和准确度.地面激光扫描仪采集的数据点最为精确,点云密集,有利于全面恢复真实的地形起伏,但需要进行几十个测站的拼接,需要专业的点云处理软件.由于测区缺少显著的特征点,人们需要将标靶作为转站的依据.其间需要在每一站上设立标靶,降低了工作效率.点云的滤波和抽稀都需要专业的点云处理软件,使用车载激光扫描系统省去了拼接的过程,加快了数据处理速度.
3.2 注意事项
移动激光扫描系统的较高,但劳动效率快,自动化程度高.测区需要具备一定的行车环境,扫描时不能过于颠簸,这就要求测区范围应内包含地面情况较好的通道.另外,即便经过抽稀步骤,点云的数据量对比GPS的测点密度依旧庞大.即便数据点格式完全兼容CASS软件,但庞大的数据量使得土方量的计算最好在点云处理软件中进行.这就需要工作人员了解必要的软件.目前,商用处理软件操作简单,易于学习,自动化程度高.
4 结论
当前,地面三维激光技术已成功应用于土方量的计算中,但仍然需要搬站、拼接等工作.本文通过一个实例尝试将移动激光测量技术应用于土方量的计算过程中,并介绍了具体的技术实施要点,分析了使用新技术的优势和注意事项.试验表明,应用移动激光测量系统不仅能获取海量的高精度地形点云数据,还提高了数据的自动化处理水平,显著提高了劳动效率,降低了作业员的劳动强度,体现了数据处理自动化的技术优势.总之,移动激光测量技术适用于测区面积大、行车路径相对平整、地面硬度高的区域.
参考文献：
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[3]朱凌.地面三维激光扫描标靶研究[J].激光杂志,2008（1）：35-37.
[4]丁建闯,闫方方,卢璐.地面三维激光扫描技术在古建筑变形监测中的应用研究[J].矿山测量,2017（5）：24-27.
[5]薛效斌,钱星,马宁.基于车载三维激光扫描的地形图数据采集的研究[J].北京测绘,2014（1）：88-90.
[6]孟志义.激光扫描技术在土方量计算中的应用及精度分析[J].北京测绘,2012（4）：68-70.
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技术可行性引用文献:
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[2] 技术可行性硕士论文开题报告范文 技术可行性方面本科论文怎么写2000字
[3] 焊接技术和可行性分析函授毕业论文范文 焊接技术和可行性分析相关自考毕业论文范文10000字
