GPS、三维激光扫描和倾斜摄影测量三种快速测算土石方的方法研究

[摘　要]本文研究GPS、地面三维激光扫描和倾斜摄影测量三种快速测算土石方的方法。GPS技术采用(方格网法和DTM 法)两种方法测算，地面三维激光扫描采用激光点云建模测量体积的方法，倾斜摄影测量采用无人机影像建模测算体积的方法。研究结果表明：传统土石方测量方法，外业采集效率较低，测算的精度较低。采用三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术的方法，能够快速获取现场数据，提高土石方测量效率，精度相对于传统测算方法较高，对工程的工期、投资和规划设计都有着重要的意义。

[关键词]全球定位系统(GPS);三维激光扫描;倾斜摄影测量;土石方

0　引言

传统的测量方法采集的是单点数据，对于地形复杂的大体积土石方测算效率和测算的精度较低，无法精确的反映土石方的地形地貌。而三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术的兴起，使得测量数据获取方式发生巨大改变，将传统单点测量模式推进至面式扫描模式以及倾斜摄影方式，可以大面积地获取目标表面的点云数据，在数据获取效率、数据采集范围、数据源的准确性、测量作业安全性和自动化方面实现了全面提升。

1　研究对象介绍

本文研究对象为山东理工大学西校区内的闲置区，该测区土石方的地形地貌复杂，在测区范围内有两棵树，测区周边树木茂密。拟将该测区土石堆运出，测算其土石方量，以便于选择合理施工方案。

2　数据获取

本文数据的获取主要利用三种测量技术，依次是GPS测量技术、三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术。为了使三种测量技术获取测区相同的目标物体，本文采取了无时间间隔的数据获取方式，坐标系为西安80坐标系。

2.1　GPS技术数据获取

数据获取使用的仪器是天宇“G1”RTK测量系统，内置倾斜补偿器，根据对中杆倾斜方向和角度自动校正坐标。采用的是CORS网模式，根据测区地表测量了224个特征点来精确地表达该土石方。

2.2　三维激光扫描技术数据获取

数据获取使用的仪器是Z+F5006H 脉冲式三维激光扫描仪，红色激光束，有效测程为79m，最小测程为0.4m，分辨率为0.1mm，水平视野为360°，垂直视野为310°。根据测区地表在测区布设了10站。

2.3　倾斜摄影测量技术数据获取

数据获取使用的仪器是大疆PHANTOM　3SE，相机为DJI　FC300XW，传感器大小为6.16mm，焦距为3.61mm。拍摄方式为倾斜环绕45°倾角和垂直90°拍摄，共采集了107张影像。

2.4　数据采集流程

三种快速测量土石方技术的数据获取流程如图1、图2和图3，依次为GPS、三维激光扫描和倾斜摄影测量数据获取流程。这三种方法的采集流程大不相同，其中GPS测量技术和三维激光扫描技术在数据采集过程中人随着仪器移动，受地形地貌的影响较大。而倾斜摄影测量则不同，在数据采集过程中仪器受到人为的控制在空中采集，不受地形地貌的影响。

3　数据处理

本文根据不同的数据获取方式选择了不同的数据处理方法。其中GPS测量技术使用CASS8.0软件中的DTM 法和方格网法进行体积算量，三维激光扫描技术使用的是Riscan　pro1.4.6软件中的激光点云建模的方法进行体积算量，倾斜摄影测量技术使用的是context　capturer软件中的影像建模的方法进行体积算量。数据处理电脑为笔者自用的普通笔记本电脑。

3.1　GPS技术数据处理

3.1.1　数据处理流程

数据处理之前要进行预处理，把野外测量坐标数据文件转换成格式为(点号，Y，X，H)的.dat文件，才能进行DTM 法和方格网法土石方计算。

DTM法和方格网法处理的流程依次为图4和图5所示。

3.1.2　土石方量的测算

采用DTM 法计算土石方量和方格网法计算土石方量依次为3077.77m3、3096.00m3。

3.2　三维激光扫描技术数据处理

3.2.1　数据处理流程

数据处理之前要进行预处理，将野外扫描的数据文件导入到扫描仪自带的软件中进行格式转换，转换成(X，Y，Z)格式的文本文件，这样才能进行下一步的数据处理。三维激光扫描仪数据处理的流程为图6所示。

3.2.2　土石方量的测算

三维激光点云数据处理完成后，使用Riegl软件将处理完成后的三维激光点云通过测量控制点计算出七个参数，然后转换到工程坐标系下进行点云建模计算土石方量，计算土石方量为3177.77m3。

3.3　倾斜摄影测量技术数据处理

3.3.1　数据处理流程

数据预处理之前要进行预处理，将野外拍摄的影像导入到context　capturer软件中筛选，删除曝光过度、模糊、重复和范围外的影像，这样才能进行下一步的数据处理。倾斜摄影测量数据处理的流程如图7所示。

3.3.2　土石方量的测算

采用倾斜摄影测量影像建模计算的土石方量为3145.26m3。

4　测算结果分析

4.1　GPS技术测算结果分析

通过GPS技术测算的结果分析，方格网法计算土方量为3077.77m3，DTM 法计算土方量为3096.00m3，两种方法结果差距不大，但是传统测量方法点的密度低、特征地形表示不明显，外业效率低，工作量大。

4.2　三维激光扫描技术测算结果分析

通过三维激光扫描技术测算的结果分析，激光点云建模法计算土方量为3177.77m3，其结果与传统的测算方法相差较大，通过实验可以看出，三维激光扫描仪测得的点云数据密度大，特征地形表示明显，外业效率和精度高。

4.3　倾斜摄影测量技术测算结果分析

通过倾斜摄影测量技术测算的结果分析，倾斜影像建模方法计算土方量为3145.26m3，其结果与点云数据相差不大，但是倾斜影像建模法测算数据效率高，但测量受外界影响大。

4.4　综合分析

通过对表1分析得到：

(1)对于同一目标物体，三维激光扫描技术采集的点的数量远远超过GPS技术。而且对测区目标物体的表示比GPS技术表示的完整，精度也高，因此本文将三维激光扫描技术采集的点云数据看作此次实验的准真值。

(2)点云拼接和模型数据去噪拼接压缩、影响生成模型等这一整套工作要花费非常长的时间。而RTK数据只需要稍微处理就能在CASS软件里得到结果。但外业采集时间相对于传统的测量方法来说速度较快。如果特别要求精度的话，三维激光扫描和影像技术非常有优势，但是内业处理比较耗时间。所以，在精度要求高的情况下优先选择点云数据计算土方量法和影像数据计算土方量法。

(3)测量不同目标的土方量时，要根据其目标的大小与精度要求来选择合适的测量方法，当测量目标的土方量较小且精度要求不高时宜采用GPS技术进行测量;当测量目标的土方量大且精度要求较高时，宜采用三维激光扫描或倾斜摄影测量技术进行测量。

(4)三维激光扫描和倾斜摄影测量技术能用在一些GPS技术不适用的地方。对于一些地势险峻的地方，人力无法到达的地形，可以很快的获取地形数据。

(5)三维激光点云的分布是规则的，是有规律可寻的。而倾斜影像点云的分布是不规则的，没有规律可寻的。

5　结束语

三种快速测算土石方量的方法各有自己的优缺点。传统土石方测量方法，外业采集效率较低，测算的精度较低。采用三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术的方法，能够快速获取现场数据，提高土石方测量效率，精度相对于传统测算方法较高，对工程的工期、投资和规划设计都有着重要的意义。