象山县测绘设计院 浙江宁波 315700
摘要：三维激光扫描技术(TLS)是一种高采样率、高效率、高精度的3D 扫描技术,被广泛应用于土木工程、变形监测、文物保护、计量等领域。其扫描结果在计算机中直接显示为点云,可达到毫米级的点间距,通过专业点云处理软件能够快速建立结构复杂、形态各异的三维可视化模型,供后期数据分析与处理。将TLS 技术应用于土方测绘,结合目前日渐成熟、功能强大的点云软件,将会给土方测绘的质量带来新的提升。本文分析了三维激光扫描技术在土方测量中的应用。
关键词：三维激光扫描技术；土方测量；应用
前言：现实工程项目中,因土方量计算精确性而产生的纠纷也是经常遇到的,所以在计算土方时一定要实事求是、精益求精。只有土方量测量准确,才能进行合理的土方调配,降低工程费用,加快工程进度,提高工程质量。因此选择合适的测绘方法,精确测定土方量十分重要。
一、原理
土方量计算的目标在于求取地表物质体积差，而其关键在于对现状地形和改造后地形的表述。改造后的地形是人为设计的结果，能准确表述，而原始地形则需要用有限的离散数据来近似表述由无数个点组成的表面。基于三维激光扫描技术的土方测量，即利用激光测距原理，通过计算脉冲或者相位时间差，推算出扫描中心距离目标的斜距，再配合同时记录下的激光束的水平角、垂直角解算物体表面激光点的三维坐标，同时记录激光点的反射强度值，实现全自动阵列式高速、实时扫描。基于获取的目标表面海量点云数据以及设计的地形，采用一定的数学计算方法，即可求取工程的土方填挖方量。其工程应用流程如下。一是控制测量。为激光点云数据的配准和定向提供依据。二是激光扫描仪静态测量。将扫描仪及标靶放置在控制点上，对测区扫描并定向。三是激光点云数据的处理。删除噪声点及剔除冗余数据、点云配准及定向等，对三维激光扫描技术在土石方量算中应用的精度及效率进行评定。
二、三维激光扫描技术在土方测量中的应用
1.模型。土方表面形态复杂,扫描数据点在空间的位置密集且不规则,将点云构建为不规则三角网模拟地表,可以与地表特征协调,越密,细节表达越充分,是目前土方量计算中最常用的一种方法 。计算模型如图1所示,ABC 代表三角网中的一个三角面,A′B′C′是其在基准面上的竖直投影,基准面以上的体量为挖方,基准面以下的体量为填方,把每个三棱柱或楔体的体量累加从而计算出填、挖方量。
2.土方外业测量方法。工程上常用的土方测量方法有水准仪测量法、全站仪测量法和GPS 测量法。使用水准仪测量时得事先在测区布设方格网，然后用水准仪测量出方格网每个角点的高程，该方法适用性单一，一旦测区不适合布设方格网时，该方法就不太适用了，该方法的测量精度受方格网的密度的影响，方格网越密，测量的精度就越高，相比较后两种土方测量而言，其测量精度低，测量费时费力。GPS 测量法是目前土方测量当中应用较多的一种方法，这种方法不受距离和通视限制，且测量速度和精度较全站仪测量有所提高，能够全天候测量，不受时间的限制。但这种方法在测量时是有缺陷的，当测区有一些建筑、树木、电磁场等影响GPS 信号时，这种方法就不太适用了; 其次使用该方法进行土方测量时得需要在测区采集相当数量的点的坐标，数据采集的时间比较长，测量员比较辛苦。
3.土方内业计算方法。土方内业的计算其实就是计算地形表面与其指定的起算面之间所围成部分的体积，计算方法因地形、工程、精度的不同而有多种，目前常用的方法有方格网法、断面法和DTM 法。每种方法的测量过程和计算原理都不相同，适用的场合和精度也不尽相同。方格网法是根据测区场地的情况将测区划分为若干方格形成的方格网，每个方格的边长一般为10 m ～ 50 m，然后再用仪器测量出每个方格角点的高程，根据预先设计的标准高程可以计算出施工填挖的平衡位置，然后再分别计算每一个方格的填挖土方量，所有方格的填挖量之和即为整个测区的土方填挖量。该测量方法适合于地势比较平坦的地区，方格网越密集其土方测量越精确，对于地势起伏较大的地区，使用该计算方法精度较低。断面法是将测区按照一定的距离划分为若干相互平行的横断面，然后将它与土方设计高程组成断面图，计算每个断面线所围成的面积，然后将相邻两个断面面积的平均值乘以它们的间距，得出相邻两个断面的体积，将各相邻断面的体积累加起来即为土方的填挖量。当相邻断面间的地势起伏较大时，断面法计算土方量的难度很大且计算精度难以估计。当使用全站仪，GPS 等仪器进行土方测量时，要想缩短所测点的间距就会大大提高外业工作的强度，而间距缩短到一定程度时也很难再缩短了。而使用三维激光扫描仪进行土方测量时测量的点的间距可达毫米级，其测量出点的密度比常规仪器测出点的密度大得多，因而其所需加密的点更少，当不考虑仪器精度等因素影响时其土方测量的精度高于常规仪器测量的精度。
结束语：
将三维激光扫描技术应用于土方测绘,借助于扫描仪厘米级甚至毫米级的点间距以及点云软件强大的海量数据处理能力和便捷的三角网构建及体积计算功能,使土方计算的内业更加简便高效,有力保障了成果数据无与伦比的精确程度。可供三维浏览和重复操作的点云数据,在应对需求变更或成果面临争议时,能进行二次操作并提供直观的展示,具有很高的灵活性和可信度。同时,外业方面能大大降低现场人员的工作强度,缩短作业时间,提高采点质量。因此采用三维扫描方法测量土方对于土方工程甚至整个建设项目,在缩短工期、控制成本、精确计算工程费用等方面具有重要意义,值得推广应用。
参考文献：
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[3]徐敬海,李明峰,刘伟庆. 一种基于DEM 的土方计算方法[J]. 南京建筑工程学院学报,2015(1).
论文作者:刘建荣 周旭东
论文发表刊物:《基层建设》2017年1期
论文发表时间:2017/4/12
标签：土方论文; 测量论文; 方格论文; 激光论文; 精度论文; 断面论文; 技术论文; 《基层建设》2017年1期论文;