徕卡MS60扫描仪在土方测量中的应用

隗合翔 宗爱华

北京市测绘设计研究院 北京 100038

引言

经济社会稳步发展的过程中，工程项目的数量增多、规模扩大，各类工程项目中常常涉及土方测量任务，以通过测量结果来合理安排施工任务，促进工程建设。但因为工程场地内的环境条件复杂，传统的测量技术面临效率低、数据获取困难、精度不高等问题。一些工程的土方测量中采用了三维激光扫描技术，该技术在效率、效益、精度等方面都具有优势，获取的结果更为有效。各工程项目的土方测量中，有关人员需持续推广激光扫描技术，配备高性能扫描仪器，制定科学的测量技术方案。

1 工程概况

某项目处于朝阳区，为促进该项目的顺利实施，土方测量为关键任务。综合测区情况，此区域为矩形堆土场地，东西方向、南北方向的长度分别为270m、225m，土堆形状不规则，中间部分分布有深浅不一的沟坡，总体高差较大。

2 传统作业方法分析

2.1 外业采集

针对本项目的土方测量任务，如采用传统测量技术，一般可通过水准仪采点、全站仪采点、GPS-RTK采点来获取各类数据。水准仪采集数据时，工作效率较低，仅适用于小范围的测量任务，大范围、高差起伏较大的项目中一般不采用这一方式。本项目测区范围大，且高差较大，水准仪测量的效果不佳。无论通视条件好坏均可采用GPS-RTK技术，但如现场存在信号遮挡等异常问题，也难以保障数据精度，且碎步点需逐点采集，测量任务多、工作强度大，需耗费较长的时间。本项目所在地的条件不佳，信号受干扰较大，不适宜采用GPS-RTK技术[1]。全站仪测量下对通视条件有严格规定，如通视条件达不到标准，将无法实现全方位测量，测绘数据的完整性和准确度不高。综合上述分析，水准仪、全站仪、GPS-RTK技术在应用于本项目的土方测量后，无法得到相对可靠的结果。

2.2 内业计算

土方测量中除了要进行外业测量，同样需进行内业计算。传统的技术条件下，内业计算可选择断面法、方格网法、等高线法。以断面法为例，在计算中可选择图解法、解析法，但无论采用何种计算方法，只需要获取两端横断面的面积即可得到结果，计算过程简单。一旦测区面积较大，求解面积时将相对困难，易发生计算错误情况，计算结果可能与实际存在较大的偏差，特别是测区地形条件复杂的情况下，误差相对较大。为此，当被测对象位于山区、高差较大、自然地面较为复杂，或者处于地形狭长地段时，均可利用断面法。在计算土方量时也可采用方格网法，此方式的操作流程简单，计算过程、结果更为直观，但此计算方式下同样存在一定的误差，主要为方格顶点高程、场地面积求积等误差所引起。结合方格网法的计算原理及过程，有关人员在现场应通过地形图布置方格网，地形图中标有等高线，利用等高线即可获取每一方格顶点的高程信息，地图上的等高线由若干等高程的点连接得到，等高线并不能完全代表场地内的地形情况，得到的方格顶点高程与实际存在一定误差[2]。另外方格网法下存在两点之间坡度均匀的假设条件，很多情况下并不满足这一假设前提，为此，为减小计算误差，一般将方格法用在地形起伏小、地面坡度呈规律性变化、面积大的地方。在计算土方量时也常常采用等高线法，在此方法下应先计算两条等高线的围合面积，因为两条等高线的高差为已知值，能快速计算两条等高线的土方量。在使用等高线法时同样存在前提条件，应选择闭合等高线。

2.3 确定新方法

因为传统测量方式下存在的一系列问题，如测绘难度大、数据偏差大。从操作便捷性、数据可控性角度，最终在本次测量工作中引入了三维激光扫描技术，通过三维激光扫描密集点云，建立三维模型。

3 三维激光扫描技术的相关介绍

3.1 基本原理

三维激光扫描技术利用的是激光测距原理，属于非接触式测量技术，能获取地形或复杂物体的几何图形数据、影像数据，由后处理软件处理点云数据、影像数据，将前期采集的数据转换为绝对坐标系中的三维空间位置坐标，或者建立三维可视化模型，整个过程的操作简单，很多环节可由计算机自动完成，效率和精度都相对较高[3]。

3.2 成果形式

3.2.1 原始点云数据。利用三维激光扫描技术时能获得原始点云数据，此部分数据为被测物体的真实尺寸，其中不仅仅包含了被测对象的空间尺寸及反射率等基本信息，还能通过配备高分辨率的外置数码相机，逼真保留对象的纹理色彩信息[4]。在测量过程中三维激光扫描仪可与全站仪、GPS等结合，整合全部的数据放于特定的空间坐标系中。利用专用的点云浏览软件，可在点云中实现漫游、浏览，并量测被测物体的尺寸、角度、面积等，操作高效且得到的数据更为准确。

3.2.2 二维线画图件。二维线画图件为传统测量的成果，包含平面图、立面图、剖面图。如为建筑测量任务，这些图件能表示建筑内的结构或者构造形式，进一步显示分层情况，反映建筑物的长、宽、高等尺寸形式、地面标高、层顶形式等。经由前期所得到的点云数据，在CAD中采用专门的点云编辑插件，能制作各类图件。

3.2.3 网络发布的点云数据。三维激光测量中利用专门软件的发布模块、插件，扫描得到的点云能发布于互联网，实现共享，远端用户在特定的网络环境中能置身于真实的现场环境中。发布后的点云不仅能网上浏览，还能基于互联网完成量测及标注，提高数据共享水平。对很多无法向公众开放的景点或者突发事件现场，利用网上发布的彩色点云数据，能为公众的网上虚拟浏览创造条件，通过Skyline软件，用户在网络环境下可动态浏览三维点云数据。

3.2.4 三维模型。扫描所得的数据可利用随机软件或者其他第三方软件进行建模，构建mesh格网模型，最后由纹理映射或者导入到其他三维软件中完成纹理贴图，得到三维模型，真实还原被测物体的全貌。

4 徕卡MS60三维激光扫描仪的特点

针对本项目的土方测量任务，传统的测量技术存在诸多不足。综合诸多因素，最终选择三维激光扫描技术，选用徕卡MS60三维激光扫描仪负责扫描工作。在徕卡MS60三维激光扫描仪中融合了多种现代技术，不仅能采集现场的诸多信息，还能进一步上传数据。MS50全站扫描仪的测量精度较高，测量过程中该种扫描仪的自动化程度较高，能在1500m的长距离条件下完成测量任务，测程远，得到的数据不需要拼接处理。

土方测量中利用徕卡MS60全站扫描仪，能弥补传统测量技术的诸多不足，其采集呈现以下特点：能以海量的点云扫描数据替代单点测量，用包含纹理信息的图像数据替代原先的草图，构建3D模型，能直观还原现场全貌。在整合采集的各种数据后，能自动建立三维可视化模型，建模操作简单且精度较高。

结合本项目现场的实际情况，徕卡MS60三维激光扫描技术具有诸多优势，具体表现在以下方面：①数据采集便捷、高效，得到数据结果的精度较高。MS60扫描仪的扫描速度为1000点/s，可完整、准确捕获被测物体的三维信息，只需要合理设定设备参数，即可自动扫描并整合各种类型的数据。②在测量过程中几乎不受环境因素的影响，即使现场环境较为复杂，徕卡MS60全站扫描仪也能扫描被测目标，获取三维坐标、色彩信息、反射强度等信息，不需要与被测目标直接接触。③自动化程度高、安全性好。徕卡MS60扫描仪特殊之处在于其能与全站仪一样架设于已知控制点，通过已有方向完成定位，扫描的点云中包含坐标信息，不存在点云拼接过程，许多环节可由计算机软件自动完成，操作更为安全。

5 外业测量及点云数据的处理和校核

5.1 外业测量方法

在本次的土方测量中，利用徕卡MS60全站扫描仪进行外业测量时，主要需注意以下方面：①现场勘察，综合现场的各方面信息确定扫描技术设计书。测量工作中扫描作业技术设计书为重要参考，有关人员可依据所掌握的地形、地貌等基本情况，合理优化技术作业书中的内容，并按照扫描过程及原理，确定扫描站点、扫描测站数量。根据实际经验，一般向扫描站点选择较高区域，以扩大扫描覆盖面，适当减少测站数量。为获取更为准确的测量结果，前期的工作中有关人员也需优化扫描查账的几何构图形状，避免出现扫描盲区，保障三维点云数据精度。②平面控制测量，在此次测量工作中应引入RTK技术，按照现场堆土分布特点，合理确定控制点，不仅需保障每一控制点的位置精度，还需确定控制点数量。依据现场情况，控制点应在堆土北侧、东侧布置。③高程测量，选择水准测量技术，起闭于北京市等级控制点，实测K1、K2、K3、K4点的高程。④徕卡MS60架设K1，后视K2，2测回观测土堆西侧楼房特征点A、B，控制数据偏差，并保留测量结果。同样，将仪器架设在K2，后视K1，观测西北侧的无线发射塔特征点C；仪器架设在K4，后视K3，在观测西南侧无线电发射塔特征点D，保留观测中得到的全部数据[5]。上述的A、B、C、D四个特征点，均为徕卡MS60扫描仪自由设站提供的后方交会方向。⑤上述的一系列外业测量数据，均能为三维激光扫描提供支持，为发挥这些数据的作用，相关人员需依据行业内的数据要求，进行一定的处理。⑥自由设站，以通过测绘来获取后方交会设站点坐标、高程值。

5.2 点云数据处理

上述测绘过程中得到的点云数据需进行专业化处理。具体的处理过程如下：①将徕卡MS60的工程文件进行调用，从中导出Cyclone，获取.XML文件，这类型文件可读取，直接从设备中导出。②在Cyclone新建Databases数据库，将前期导出的.XML文件导入该数据库。③由Cyclone软件进行数据处理，具体的处理过程中其需要整合已有的点云数据，率先进行去噪处理，再根据项目中土方测量的精度标准，重新采样点云数据，以保障数据精度符合要求，为后续的数据处理提供便捷。MS60扫描仪能获取目标对象的坐标点云，多个测站之间所得到的点云数据之间不需要拼接处理，内业去噪、重采样的操作简单，效率高。经由处理后得到的点云数据，直接从软件中导出，生成*.LAS格式的数据，再引入Geomagic软件进一步处理数据，据此构建地表模型，确定土方计算的起算高度等。

5.3 测量成果数据

在计算过程中，委托方需根据现场情况确定土方起算面，由外业借助扫描仪完成扫描，在得到相应的数据后，利用Geomagic软件整合各种数据，并自动计算土方量，依据计算结果制作土方成果表。Geomagic软件自带数据处理功能，在一定的指令下可生成*.dxf格式等高线，与CAD之间共享数据，由CAD制作1∶500地形图。为检验点云模型数据算法结果是否可用，精度能否达到标准，需通过抽稀方式处理点云，在CAD中建立三维网格进行全面检验与评估。

6 结束语

土方测量的难度较大，在很多工程项目中都面临一系列的工作难题。而三维激光扫描技术在土方测量中的优势明显，各工程企业需立足自身情况，合理配备现代化扫描仪器，并继续优化三维激光扫描技术体系。