三维扫描技术在污染场地调查中的应用研究

随着我国经济的高速发展，土壤污染、地下水污染等环境问题十分突出。国务院先后发布了《大气污染防治行动计划》《水污染防治行动计划》《土壤污染防治行动计划》以加强生态环境保护。污染场地责任人在土地出让前完成场地环境调查和风险评估。

本研究已天津某污染场地为研究对象，采用了三维扫描技术快速完成了污染场地的逆向建模，形成了一套基于三维扫描技术的场地调查方法。

1??工程概况

项目位于天津市武清区，地块内留存有光铬、半光铬、哑铬、黑镍、哑黑镍、过氯乙烯漆、醇酸油漆、丙烯酸漆等废料。由于地块内生产设备、建筑物等设施尚未完全拆除，环境调查不能完成反映场地污染的真实情况，因此，场地环境详细调查与风险评估工作应在项目地块内生产设备、建筑物等设施完成拆除后开展。

现况地块南部原电镀厂区域尚未完全拆除，堆放有大量建筑垃圾与60多个遗留有电镀废液的电镀池，车间内存在大量化学品包装桶与电镀固体废物；北部涂料厂建筑全拆除，堆放大量建筑垃圾（图1）。

图1??场区现况外貌

场地环境详细调查与风险评估工作需要以下详细资料：

（1）绘制详细的现场平面图；

（2）标注环境风险点，划分疑似高污染区和疑似污染区；

（3）标注所有污染物的位置和性质，防止拆除过程中发生二次污染；

（4）核算现场废弃建筑物、建筑垃圾和危险废物等工程量；

（5）储存现场原始数据，为污染土壤详细调查做准备。

2??测量难点

（1）厂区已部分拆除，废弃建材、物料堆放参差不齐，内部结构复杂，空间布置不整齐，溶液池及相关框架排列繁杂，通视情况极差，转点及测量均有很大难度。

（2）主厂房3层高，以简易楼梯相连接，搬动仪器不便。

（3）没有已知控制点，建筑物高低不齐，排列紧凑，若用GPS测量，测量信号可能不佳，甚至无法出现固定解，极大影响测量精度，乃至出现测量错误。

（4）根据测量线路情况，若使用全站仪测量需反复迁站，测量精度大幅度降低。

（5）土地因废弃物污染，出现松软不牢固现象，部分土地为虚土无法站立；楼板部分拆除，无法站立，以上情况均无法架设仪器和棱镜。

（6）厂区内构筑物过多，内部结构复杂，对于仪器和水准尺的摆放要求较高，多数部位需要倒尺测量，精度较低；使用全站仪、水准仪测量，需要抓取的点位数量极多，测量周期较长，且只能显示大概位置，无法做到精确展现所有地物的位置关系。

（7）废料池结构不稳定，墙体过窄，高度大概2.5?m，池内有大量强酸、强碱等溶液，若使用棱镜收点，对伺尺人员危险性较大。

3??GPS、全站仪测量方案

3.1??技术路线

针对项目的测量难点，首先考虑传统的GPS+全站仪的测量方案，具体技术路线如图2所示。

图2??作业流程

使用静态GPS测量的方法完成测区的GPS首级控制测量。依据该地块定位测量的实际需要，利用RTK动态测量进行控制网的加密，利用全站仪进行全野外要素点采集（碎部测量），根据外业采集数据进行内业数据编辑整理形成一套完整的数字化DWG工程定位图。

3.2??作业时间

本方案作业时间共计16?d。

4??三维扫描方案

4.1??技术原理

激光三维扫描技术将单点测量方式转为面域点云数据测量方式，能非接触式、快速以及全方位的扫描不规则、复杂物体的表面，同时可得到精确的点云数据。三维扫描技术能够将物体的特征真实的显现出来，可精确、快速构建三维模型，为项目提供数据支持。

4.2??技术路线

依据该地块定位测量的实际需要，部分液体水池深度进行单独测量。根据外业采集数据进行内业数据编辑，整理形成一套完整的数字化模型，方便后期定位污染源位置（图3）。

图3??技术路线

4.3??作业时间

本方案作业时间共计12?d。

5??方案比选

本工程包含大量有害易挥发化学物品，需要减少人员在高污染地带的停留时间。三维扫描操作简单，且扫描时不需要人员全场监视，可以极大的保证人员安全。另外，现场存在大量化学药剂，破拆后对现场遗漏的测量点无法进行补测及复测。三维扫描对于现场的高精度测量可以有效的保存数据，方便工程破拆后对于测量数据的增改。

综合考虑这些因素，尤其是安全因素，本项目采用了三维扫描方案进行了现场调查（表1）。

表1??方案比选

6??现场作业及成果

6.1??现场作业

（1）每站间隔不超过20?m，以保证测量精度。

（2）地面凸起物应保证不少于两站多角度扫描，以保留凸起物完整性。

（3）扫描仪应尽量远离污染源以保证人员安全。

（4）本次测量功率为295?000点/s，为全功率的1/4。故标靶球放置位置与扫描仪站点距离不大于12?m，且通视情况良好。

（5）架设仪器：按设站规划将设站网络最优布置，争取以最小的设站数量获得最大的覆盖面积（保证采样率的前提下），减小拼接次数。重点扫描区域应先用预览扫描，局部提高分辨率与质量参数进行精扫。

（6）标靶布设：球面方向朝向三维扫描仪方向，每站点布设数量不少于4个。

（7）仪器准备完毕后，首先建立工程扫描文件夹，记录扫描日期时间，查看扫描仪水平倾角仪，以确保扫描仪器尽量水平放置，每站都检查水平倾角仪并整平。根据现场情况及后期处理结果需求设定合适的分辨率及质量。

（8）开始扫描之前，要求无关人员远离标靶和重点扫描区域。

（9）完成扫描后检查数据：查看扫描结果是否正常，参考球以及纸质标靶或者棱镜球是否在测量范围之内，是否有过往的行人或障碍物遮挡被测区域。

（10）仪器搬动至下一站，以推进的方式摆放布设相应标靶。

（11）重复上述移站步骤，完成扫描工作。

6.2??数据处理

点云处理由FARO公司研发的针对于FARO三维激光扫描仪的专业点云管理软件Scene，本项目主要完成了以下工作。

（1）点云过滤：通过软件特殊的计算方式，将相位式扫描仪的数据优化处理，自动去除不合理的噪音点；通过人工的方式剔除扫描过程中的行人汽车杂物等人为噪音数据，获取干净清晰的整体扫描点云 数据。

（2）点云拼接：自动识别扫描过程中的参考球，实现全自动数据拼接。高精度的参考球识别可以将扫描仪的拼接误差降至最低。通过与全站仪和GPS大地坐标控制点数据以及标靶点数据的结合，实现真实坐标转换，并且可以以平差方式提高大范围数据拼接精度。

（3）点云配色：通过扫描仪自带的影像采集系统，全自动给点云赋予色彩信息，获取照片般清晰逼真的彩色可量测点云全景图。可以得到含有7个数值信息的点云数据（X.Y.Z.I.R.G.B）。

6.3??提交成果

（1）通过数据处理，完成了一套精度LOD400的场区模型；

（2）完成了场区dwg.和PDF.格式平面图，并标注了风险点，划分了污染区级别；

（3）根据模型提出现场工程量：包括所有污染池的尺寸、现场建筑物尺寸、建筑垃圾；

（4）根据三维扫描数据，采用720云软件，完成了本项目全景漫游展示。

7??结论

本文针对天津某污染场区项目污染废弃物多、原始数据缺失、通视条件差等难题，给出了一种利用三维扫描进行污染场区扫描测绘的方法。现场实践表明，该方法人员需求少，作业效率高，作业人员安全性高，测量成果精确且具有很好的延续性，改进了环保项目传统的场调方式，为后续类似工程提供了可供借鉴的经典案例。