利用激光点云数据的多方法求取体积的对比试验

谢宏全，陈艳红，曹 朔，卢 霞

(1. 淮海工学院测绘与海洋信息学院，江苏 连云港 222005； 2. 河北地质大学土地资源与城乡规划学院，河北 石家庄 050031)

对堆积物(如土堆、煤堆、沙堆等)体积的测量是测绘工作内容之一，采用全站仪或GPS RTK测量离散点坐标的方法存在的主要问题是获取数据困难、体积计算结果精度低。采用三维激光扫描仪对堆积物进行扫描可以快速地获取堆积物表面点的三维坐标，测量点均匀分布在堆积物表面，利用软件可以精确地计算体积[1]。近年来国内一些学者进行了相关研究，取得了一定的研究成果。如胡奎[2]对百善煤矿河堤岸一侧进行了扫描，通过CAD软件对河堤按要求进行加高设计并计算体积；陈展鹏等[3]选择汶川县草坡乡的典型滑坡堆积体，构建滑坡堆积体几何模型，计算了滑坡堆积体体积；郭景仁等[4]应用有限元理论，采用积分方法计算了实体表面面积和体积；王解先等[1]提出采用格网划分原理，对体积的计算方法进行了试验研究；李鹏宇等[5]研究了测量误差、采样间隔对采场体积计算的影响及三维激光扫描数据格式转换与数据共享机制；苏春艳等[6]利用三维激光扫描仪扫描大面积的堆积体，精确地计算出被测物体体积；张荣华等[7]研究表明，利用三维激光扫描测量获取堆体体积的方法可以满足实际工程精度要求，并给出在土方量计算中的相关定量指标；王鑫森等[8]研究实际工程表明，在有效降低外业强度的同时，可保证土方计算的高精度，计算结果较常规测绘手段有明显优势，对精确计算工程费用、消除争议有重要意义；袁凤祥等[9]以四川省大邑县出江镇矿堆测量为例，采用CSAA软件计算了土石方量；洪卓众[10]利用全站仪与三维激光扫描仪获得填方量和挖方量，并与传统方法进行对比验证；王果等[11]采用VC++并借助QT和PCL编制了土方量计算软件；另外，一些学者利用三维激光扫描技术对土方量计算进行了相关研究[12-16]。本文选取某建筑工地临时土堆作为研究对象，利用徕卡C10三维激光扫描仪获取激光点云数据，利用Cyclone软件进行数据预处理；采用Cyclone、CASS、Geomagic与HD_3LS_SCENE软件对土堆体积分别进行计算，并对计算结果进行对比分析。

1 激光点云数据获取与预处理

1.1 数据获取方法

为了保证试验精度，需选取相对独立的土堆，土堆上面及周边的树木杂草较少，并且土堆大小要适中，因此确定校园内的建筑工地临时土堆作为研究对象。

结合土堆周围环境及其自身地形特点，此次测量采用球形标靶拼接的数据采集方案。设置测站5站，在土堆四周放置4个球形标靶(确保每一测站都能观测到至少3个标靶)，选用矩形区域的扫描方式，采用自定义分辨率进行扫描(表面分辨率为5 cm)，每一测站用时大约为10 min。徕卡C10扫描仪采集点云数据的测站分布如图1所示。

图1 测站分布示意图

1.2 数据预处理

本文试验使用的数据处理软件是与徕卡C10扫描仪配套的Cyclone。将扫描数据导入Cyclone软件中完成拼接，得到完整的土堆点云数据，经去噪后激光点云数据如图2所示。为满足对比研究需要，均一化处理点云间隔分别设置为5、10、20 cm，并导出XYZ格式的文件。

图2 去噪后的点云数据

1.3 确定参考面高程

依次在图上沿土堆边缘均匀地选择12处点云数据，并记录下这12个高程值，求其平均值作为基准面的参考值(见表1)，依据该参考值决定设置-0.95、-0.90、-0.85 m 3个值作为计算体积的参考面高程。

表1 计算高程平均值 m

2 多种软件计算体积

目前计算体积的软件较多，依据试验条件选择Cyclone等4种软件计算土堆体积，下面以抽稀间隔为20 cm的数据为例，简要说明体积求取过程。

2.1 Cyclone软件计算体积

在Cyclone软件环境中，选中所有点云数据，建立TIN和参考面，设置参考面高程为-0.95 m，计算点云到参考面的体积结果如图3所示。

图3 Cyclone计算结果

2.2 Geomagic软件计算体积

在Geomagic Studio软件环境中，导入XYZ格式的数据文件，为点云数据着色，经过去除非连接项和体外孤点、减少噪音、统一采样、封装数据、创建流型、填补模型等处理，输入位置度的值-0.95 m，计算体积结果如图4所示。

图4 Geomagic计算结果

封装数据完成之后，单击“多边形”→“转化为点”→“确定”,另存为“图点文件(VTX格式)”，以便在CASS软件中计算体积。

2.3 CASS软件计算体积

将VTX格式文件后缀修改为TXT，在Excel软件中进行格式修改，文件另存为CSV格式，修改文件后缀为DAT格式。

在CASS软件环境中，导入数据，采用等高线建立DTM，选择DAT文件，显示DTM模型，输入平场标高-0.95 m，计算体积结果如图5所示。

图5 CASS计算结果

2.4 HD_3LS_SCENE软件计算体积

在HD_3LS_SCENE软件环境中，将XYZ文件格式转换为HLS，添加HLS格式文件，设置格网大小并投影点云。将HLS格式文件转换为proj.tif并加载该格式文件，建立DEM。选择DEM路径和成果输出路径，输入基准面高程-0.95 m，计算体积结果如图6所示。

图6 HD_3LS_SCEN计算结果

3 数据统计与分析

3.1 计算结果统计与处理

4种软件计算土堆体积的结果见表2，其中VCY、VGE、VCA、VHD分别表示Cyclone、Geomagic、CASS、HD_3LS_SCENE 4种软件计算的土堆体积，H1、H2、H3分别表示基准面高程为-0.85、-0.90、-0.95 m。

表2 体积计算结果统计

表3 平均体积统计 m3

4种软件所计算的体积与体积平均值之差(取绝对值)的计算结果见表4。

4种软件计算的体积与平均值之差及平均值的比值计算结果见表5。

3.2 计算结果分析

针对4个软件的计算过程和结果，重点对软件安装难易程度、软件操作难易程度、计算时间和计算精度进行对比分析，其中计算时间是以抽稀间隔为20 cm、基准面高程为-0.95 m的数据的处理时间为例，简要对比结果见表6。

表4 体积与体积平均值之差(绝对值)统计

表5 比值统计

表6 软件性能对比

以下对4种软件的性能及计算结果分析作详细说明：

(1) Cyclone软件安装困难，由于是全英文版，对于初学者掌握软件的操作有一定难度；在计算体积时虽然步骤比较烦琐，但是计算的时间很短，而且计算精度很高。

(2) Geomagic软件安装简单，操作步骤比较烦琐；软件运行速度快，计算时间短，计算精度较高。

(3) CASS软件安装简单，并且操作步骤很简单；软件运行时间随着数据量的增大而延长，其中处理抽稀间隔为5 cm数据的时间长达10余个小时，最终无法计算出结果，计算精度程度一般。

(4) HD_3LS_SCENE软件安装简单；计算体积的操作步骤烦琐，计算时间较长，计算精度较高。

4 结 语

本文利用土堆的激光点云数据，采用4种软件对体积进行计算，并对计算过程和结果进行详细对比分析。试验研究结果表明：利用激光点云数据计算土堆体积的测量方法是完全可行并且可靠的，该技术方法可以满足工程需要，具有广泛的应用前景。