三维激光扫描技术在测量公园项目中的应用

李起

（福州市勘测院有限公司，福建 福州 350000）

0 引言

在测绘领域中，传统的测量技术以单点测量为主，精确性和时效性不高，无法达到工程测量的要求。三维激光扫描技术作为测绘领域的一种新兴测量技术，具有实时、主动、高效、精确等优势，同时凭借其扫描功能的优势，可以对测量过程中反射回来的三维点进行高效存储，从而为提升数据采集效率、扩大数据采集范围、提高数据精度等提供保障。为实现快速、有效的测量作业，可以将三维激光扫描技术引入测量项目，从而提高工程测量的精确度。本文分析了三维激光扫描技术的应用原理，明确其项目适用性，为提高工程施工质量与效率奠定基础。

1 三维激光扫描技术的应用原理

三维激光扫描仪主要利用激光测距原理，激光测距将激光器作为光源，在测量过程中，激光测距仪会向测量目标发射激光，目标在对激光束进行反射后由光电元件接收，通过测定从激光发射到接收的时间，推测相应的目标距离。假设有A、B两点，光在空气中传播的速度为c，在A、B两点间往返一次的时间为t，其距离的公式表达如下：

公式（1）中，其中D为A、B两点间的距离，c为光在空气中传播的速度，t为光在A点与B点之间往返一次所需要的时间。三维激光扫描仪借助激光器系统向目标位置发射激光脉冲，目标点完成对脉冲信号和激光信号的反射，由系统记录往返时间。作为三维激光扫描技术的代表，同步定位与地图构建技术（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）在土方测量中得到广泛的应用，在环境与地点未知的情况下SLAM可以根据观测到的环境特征定位自身位置和姿态，并完成空间三维数据的获取。之后，根据获取的数据信息绘制增量式地图，实现地图构建的目的[1]。应用同步定位与地图构建技术的过程中，在不依赖全球导航卫星系统（GNSS）的基础上实现自主定位和导航，同时可以为三角网法、格网法、断面法等土方测量方法的应用提供技术支撑，有效地提升数据获取效率与精度。

2 工程概况

某公园面积约1 500 m2，整体地形比较平坦且植被覆盖率较高。现需要对公园中心区域进行改造，增加绿植覆盖面积、完善园内场地规划。在此过程中，由专业技术人员对改造场地的土方量进行精准计算，为后续施工提供数据支撑。当前，园内存在GPS信号弱、通视情况受阻的问题，因此在测量计算时需要予以解决。

3 土方测量应用

根据工程项目的实际情况，园内场地的情况复杂，在进行工程测绘的过程中应注重提高土方测量计算结果精度的要求[2]。

（1）相关人员在工程项目中应用三维激光扫描技术时，需要充分保证计算的完整性与准确性。

（2）本次项目中采用SLAM技术进行计量，该技术在绿地规划等工程中的应用具有突出的优势，对科学合理地规划园林布局、规范整体景观布置等起到了重要的作用。在实际开展施工时，需要根据公园内部的实际情况制订科学合理的施工方案，同时需要通过提高土方计算的准确度确保施工方案的合理性和科学性。在以往类似工程项目中，比较常用的方法包括土方施工估算、土方图形几何公式计算、土方断面计算及土方高面计算等，但是结合其实际应用成效进行分析发现，无论采用哪种计算方式，结果均存在较大偏差。

（3）公园内部存在通视条件差、GPS信号弱等问题，严重影响外业测量工作的顺利开展。因此，可以引入SLAM技术，该技术不受通视、GPS信号条件的限制，采集人员可以在园中方便、轻松地获取改造区点云数据，并经过点云纠正、去噪、分类等环节实现精确计算土方量[3]。

（4）考虑到传统测量方法在外业数据采集上存在较大的误差，因此本次工程应用SLAM100手持激光测距仪进行特防测量，以期获取更高精度的数据，提高工程整体的控制水平。在开展实际工作之前，针对工程场地原有地貌，需要充分利用地形测量结果保证土方量计算的精准性，并以此为基础完成对施工人力、机械设备的合理配置。SLAM技术是控制现场施工方案顺利推进的重要基础，同时对工程项目造价也有比较关键的影响。

（5）在实际测量环节中，测量人员手持SLAM100激光测距仪围绕场地进行扫描，能在短时间内完成场地点云数据的获取，大大地减轻了测绘工作量；该技术可以有效克服边坡等地形数据获取困难的问题，根据场地地形特点合理选择土方计算方法，为后续数据计算的开展提供依据。此外，利用SLAM技术还可以对数据密度进行评价，进一步提升土方量的计算精度。

4 项目方案的实施

4.1 测量要求的明确

公园项目测量期间，实际需要采集的测量要素较多，并且采集要素的属性呈现复杂的特性，同时施工单位对测量精确度提出了较高的要求。为提升测量精度，需要重点保证在项目测量期间所选定的测量技术及其配套设备能够实现对公园内多种植被、树木、构筑物、道路、设施、水体等要素的精准辨别与全面采集，并且要求用更短的时间获得更高精确度的土方量等数据信息。

4.2 实地勘测

结合本工程项目的实际情况，需要先进行实地勘测，采集人员手持SLAM100激光测距仪按照规划好的路线在园内收集数据。这样的测量形式，不仅可以解决植被遮挡测量物等导致无法施测的问题，还可以合理地规避由静态扫描仪频繁换站、点云拼接等带来的麻烦。相较于常规测量方法，采用SLAM100手持激光测距仪可以显著提升作业效率，在扫描过程中，采集人员可以通过SLAM GO对点云拼接效果进行实时浏览，一旦发现数据缺失的情况，就需要在第一时间解决，保证点云数据的完整性。

4.3 模型

土方表面形态复杂，因此工作人员获取到的扫描数据点在其空间位置密集且呈现不规则分布。此时，可以将相应扫描数据点云构建成不规则的三角网，并保证其与地表特征协调。通常，扫描数据点设定的密集度越大，实际的细节的表达就更充分。在计算模型中，设定A、B、C三点在三角网中形成一个三角面，并利用A’B’C’表达基准面上的竖直投影。此时，挖方为基准面以上的体量，而填方则为基准面以下的体量，将所有的三棱柱或楔体的体量实施累加处理，最终获取到更为精准的挖方量与填方量数据。

4.4 外业数据采集

在进行外业数据采集的过程中，采用的是SLAM100手持激光测距仪，该设备具有精度高、扫描速度快的优势，可以显著提升扫描距离、速度与精度。在进行数据扫描的过程中，还能执行“闭环扫描”，通过软件自动识别重叠区域，对计算过程中存在的偏移误差或跟踪误差进行纠正。若受到条件限制无法形成闭环，可以利用Slam Go Post配套软件保证点云数据质量[4]。

4.5 内业数据处理

坐标转换、点云裁切、噪声点与植被剔除、数据重采样等为激光扫描数据处理中需要完成的重点操作。其中，在坐标转换期间，需要将扫描仪自身的坐标系迅速、精准地转换为区域独立坐标系。在本项目中，利用扫描仪所获取到的原始点云数据所应用的坐标系为扫描仪坐标系，在后视靶标球的支持下，促使其快速转变至区域独立坐标系内，应用三角激光扫描仪自带的处理软件实施拼接（如图1所示）。

图1 拼接后整体点云数据

在点云裁切期间，针对360°全方位扫描实践中所产生的冗余数据，应用裁切的方式实施剔除处理。在噪声点与植被剔除时，针对由其他原因所产生的噪声数据，利用三维激光扫描仪配置的Riscan Pro软件实现对激光扫描数据的逐站导入，并在软件的支持下实现对噪声点的剔除，从而获取滤波点云数据。同时，为了获取更具真实性的地表数据，还要在剔除噪声点的基础上，对公园内的植被做进一步的剔除处理。在此过程中，应用Riscan Pro软件过滤点云数据，并创建polydata数据；应用Plane Triangulation功能，将polydata数据初步创建粗略的网络模型；应用Surface Comparison功能，比较分析粗略的网络模型与点云数据，以此实现对植被的剔除。植被剔除前后的点云数据情况如图2所示。在进行数据重采样时，要求参考土方测量精度要求完成对点云数据进行重采样处理，促使重采样后点云间隔维持在8～30cm。

图2 植被剔除前后的点云数据对比

本项目在进行内业数据处理的过程中，采用的是SLAM100配套处理解算软件Slam Go Post实现点云数据的拼接与处理等操作。将采集人员采集到的原始数据导入Slam Go Post进行处理，并生成高精度点云地图。经点云分类后，利用Cloud Compare计算土方量。整体内业处理用时约1.5 h，挖方量为2 898.107 m3，填方量为85 m3（可以忽略不计）。SLAM技术的应用可以有效实现对整体区域的全过程、精细化扫描，最大限度地发挥出三维激光扫描技术在土方测量中的优势。

5 技术应用成效

本工程项目最大的问题是环境复杂且通视条件差，将SLAM100手持激光测距仪成功应用于方量计算中，有效提高测量效率，实现土方测量的特征表征与精细计算。应用SLAM100手持激光测距仪，可以充分获取测区点云数据，经过坐标转换和点云分类后获得地面点，为后续施工环节提供数据支撑[5]。此外，在控制成本方面，该技术也能起到有一定的作用。SLAM技术方案的特点主要如下。

（1）实现对测量数据获取方式的革新，受环境因素影响而无法应用GPS技术时，可以实现自主导航和定位构建高精度增量式地图。

（2）传统测量方式存在获取数据单一的问题，而应用SLAM技术可以规避静态扫描仪频繁换站、点云拼接的弊端，提高了内外作业效率。

（3）采集人员只需要手持SLAM100激光测距仪就可以实现数据获取，并且数据的穿透性强；而配套软件SLAM GO可以进一步确保数据获取的完整性。

（4）工业级SLAM技术可以将点云相对精度范围控制在±2 cm，绝对精度范围控制在±5 cm，极大地提升土方量计算结果的准确性。

（5）智点云自动提取地面点准确率高，减少不必要的工作环境，并能提升工作效率。

（6）Cloud Compare软件具有数据承载能力强、操作简单、精度高等优势，因此可以应用于各种类型的土方测量场景中，为数据获取提供便利条件[6]。

（7）通过同步定位与地图构建技术进行土方测量计算，其数据精度往往会受到多种因素的影响，包括扫描精度、点云拼接情况等。因此，在进行土方测量的时候需要考量上述因素，从而不断提高土方计算的精度。

（8）三维激光扫描仪获取的数据规模与数量显著提升，因此对点云处理软件及计算机配置提出更高的要求。在工程项目中，必须将实际情况与需求结合并引入高效的数据处理软件及相应的数据处理器，为激光技术优势的充分发挥奠定基础。

6 结语

综上所述，三维激光扫描技术在土方测量中发挥十分关键的作用，在实际工程项目中也取得了良好的效果。该技术在实际应用中，体现出精度高、速度快、工作量少的优势，从而在土方测量项目中势必会得到更广泛的应用和施工单位的认可。相较于以往采用的“全站仪+GPS”模式，三维激光扫描技术在地面特征表征的提取、人力、物力成本的控制方面，均有较好的效果，因此有必要加强对三维扫描技术的研究，为相关项目提供技术支持。