三维激光扫描技术与无人机摄影测量技术在土方算量中的对比与应用

1三维激光扫描技术

在建筑施工过程中，对土方量的精确计算是非常重要的环节。然而，土方堆积具有不规则性，获取较为准确的土方数据比较困难。传统的测量方式不仅耗费大量的人力以及时间，而且获取的数据也不完善。三维激光扫描技术以其海量的点云数据弥补了这一缺陷，它能更加精确地展现出土方的实际情况。同时，三维激光扫描获取数据的速度更快，可在短时间内获取几百万个点，操作简单，不仅可节省大量的时间，也可节省人力，极大地提高了工作效率。在后期处理方面，应用专业的点云数据处理软件，结合地理信息处理软件或建模软件，可得到多种数据产品，以满足工程需要。针对大面积的研究区域，无人机的优势更加明显，其获取数据的速率更快，甚至可在短时间内获取完整的工作区信息，通过后期处理生成的密集点云可用于土方计算。

光源项目占地面积大，植被分布较稀疏，现场地形采集时间紧，本次采用无人机进行全部场区地形采集，三维激光扫描进行部分区域加密采集，采用GNSS–RTK进行校正采集工作，为土方计算提供基础数据。

2土方计算原理

土方量内业计算有方格网法、断面法和数字高程模型法。

2.1方格网法

方格网法首先根据工作区的具体情况布设方格网，一般以10?m或5?m为宜，然后使用GPS对每个方格网的交叉点的高程进行测量，最后经加权计算土方量。这种方法适用于大面积土方估算，在坡度平缓、地形起伏较小的地方，方格网法精度较高。

2.2断面法

断面法适用于地形起伏较大、填挖深度大且不规则的区域。断面法将工作区域按照一定的间隔划分成若干个截面，将截面面积与间隔长度相乘并累加计算土方体积（图1）。

图1断面法示意

计算公式：

       V=（S1+S2）×L/2                                         （1）

式中：V为两个相邻垂直截面之间的场地挖方或填方的体积；S1、S2分别为两个相邻垂直截面的面积；L为两个相邻垂直截面之间的间距。

2.3数字高程模型法

数字高程模型法的基本思想是根据工作区的数字高程模型生成三角网，求取每个三角网覆盖区域的体积并加以求和计算土方量。进行计算的三角网由许多不规则的小三角形组成，这些小三角形可以很好地拟合地面曲面，相比方格网法及断面法计算土方量精度更高。但因为用于计算的三角网中的小三角众多，实际应用过程中计算量非常大，因此一般由计算机完成。

3技术优势

3.1传统的土方量数据获取方法

在外业数据获取方面，主要有基于GPS、全站仪、水准仪的数据采集方法。为了使外业数据尽可能详细地表达土方信息，在外业测量过程中需采集大量点的坐标以及高程信息，过程极其复杂，且需要大量时间以及人员。比起水准仪以及全站仪，GPS在测量点坐标方面具有较高的效率，然而GPS的工作环境有限，尤其当卫星信号受到干扰时便不再适用。而当测区环境较为复杂时，传统的测量方法便显得无能为力。

3.2三维激光扫描技术优势

三维激光扫描技术无论在工作效率还是在数据采集方面都有质的提高。在数据采集方面，三维激光扫描仪通过激光扫描获取大量的扫描点云，这些点不仅具有地物的坐标、高程信息，还具有被测物体的色彩信息，能够较真实地表达被测物体的情况。在工作效率方面，三维激光扫描仪可在短时间内获取大量的点数据，操作方便，需要的人员较少，且节省了大量的人力以及时间。

3.3无人机摄影测量技术优势

无人机正射影像采取的是垂直摄影的方式，投影方式是正射投影，正射投影的投射线垂直于投影平面，像片的比例尺处处一致，与投影距离无关。对于单张航摄像片，投影方式为中心投影，以一固定点为中心散射的一束光线连接空间物点的几何直线，被一平面所截，在平面上获得一组该束几何直线的交 点。这组交点就是空间物点的中心投影点，它们与物点有着一一对应的关系。无人机正射影像可进行土地利用和土地覆盖分析，还可以对生态环境进行监测和评估。

随着科技的不断发展，在航摄像片处理的过程中有了进一步提高，以Pix 4D、Photoscan等为主的航摄像片处理软件在数据处理过程中，能够将无人机获取的航摄像片经过处理得到密集点云数据，再针对密集点云数据进行后期处理，可以根据工程需要进行建模等。

4对比研究

4.1外业数据获取

根据现场施工进展情况的不同，本次土方测量工作在外业地形数据采集时主要分为两个阶段，一个是原始地形地貌采集阶段，另一个是整体土方开挖阶段，分别获取两种不同工程进展情况下的土方量。

在进行三维激光扫描之前，首先要进行控制网的布设。在进行标靶布设时，尽量不要将标靶布设在同一条直线上，否则会降低点云的拼接精度。在本实验中采用棱镜标靶布设，为后期点云数据拼接做准备。

在进行外业扫描时，可根据现场情况设定扫描方式以及扫描精度。点云密度指的是三维激光扫描仪在获取数据时的最小点云间隔，一般来说，点云密度越大，三维激光扫描时的采样间隔越小，细节表达也越明显，但同时三维激光获取的数据量也越大，扫描仪工作的时间也越长。

在无人机摄影测量方面采取固定翼的方式获取正射影像。在进行无人机摄影之前，需要在地面上布设控制点。在布设过程中控制点要求具有一定的数量，且能够均匀地分布在测区内，控制点的布设要清晰可见，且不随时间而变化。根据测区情况设置航线与重叠度，并检查仪器电池、操作系统等是否完好，再进行飞行操作。无人机采集数据质量的好坏直接影响了后期正射影像的质量。在进行数据采集时，避免在中午12点至下午2点进行拍摄，因为这个时间阳光直射，拍摄时容易过度曝光，导致获取的数据质量不佳。

4.2内业数据处理

（1）点云拼接。

三维激光外业扫描获取的数据经过专业的点云数据处理软件进行拼接，拼接后的点云数据在同一坐标系下。本次采用的控制点拼接是三维激光扫描技术与GPS的结合，需要使用GPS对控制点进行坐标测量，在进行三维激光扫描时要对控制点进行后视扫描，以确定该测站的点云相对于控制点的位置，在进行内业处理时，需要输入控制点坐标。

三维激光点云内业处理软件是拓普康所配套的ScanMaster，初步导入ScanMaster的软件点云颜色为假彩色，对点云数据进行贴图处理之后，可以表达点云实体的真实颜色（图2）。

图2三维激光获取的点云

（2）精简点云。

因为三维激光扫描获取的点云数据的数据量非常大，使点云处理过程非常缓慢，因此对点云数据进行裁剪、去噪处理，获取研究所需要的区域信息，再对点云进行抽稀处理，极大地精简点云的数量，提高了处理效率。

（3）无人机内业数据处理。

针对无人机获取的数据进行处理，首先经过Pix4D软件对航摄像片进行拼接并生成密集点云。经过Pix4D处理的航摄像片可生成多种产品 ，如正射影像、点云模型等。将无人机生成的点云模型导入点云处理软件进行抽稀、裁剪等处理（图3）。

图3无人机获取的数据

（4）点云去噪。

经过拼接裁剪等预处理的点云还存在着噪声。由于扫描仪的自身缺陷或其他人为因素以及环境因素导致一些噪声附着在点云上。大量的点云噪声会对土方计算的结果产生影响。去除点云噪声，不同的噪声有着不同的去除方法。对于远离工作区域的噪声点云，可采用裁剪的方式手动剔除，可通过过滤、平滑的方式减少点云噪声。此外，工作区的植物等也会对土方计算产生影响，可使用Terrain filter工具对植被进行滤波。

4.3土方计算

针对点云数据进行的土方计算有很多种方法，一种方法是对点云数据进行构TIN处理，并计算体积。点云处理软件CloudCompare等都具有体积计算功能，在逆向建模软件Geomagic以及Trimble软件中也可以对土方进行体积计算。另一种方法是基于DEM数据进行土方计算，如riscan Pro 、航摄像片经过PIX4D软件进行处理后也可生成dsm数据，并进行土方测量。

将经过处理后的点云导入其他软件中进行计算，在CloudCompare中提供了计算点云体积的方法。在CloudCompare的点云体积计算中，可以通过设置步长确定采样间隔，进而计算点云体积。

比较三维激光扫描数据以及无人机数据可以看出，三维激光扫描数据具有更加精确的高程信息，但工作区表面数据不完善。而无人机正射影像中获取的点云数据有着完整的表面信息。如果将二者综合起来，就会获得关于工作区的更加完整的表面信息以及精度更高的高程信息。

为完成无人机数据与三维激光扫描数据的结合，需对异源点云数据进行配准、融合。在CloudCompare软件中提供了很好的异源点云配准方法，采用特征点的方式对点云进行粗配准，然后再使用ICP算法对点云进行精配准，最后将点云数据进行融合（图4）。

图4融合后的点云数据

5计算结果及分析

三维激光数据计算结果：

体积：102，921.9080;

表面积：9，910.5000;

填方量：（+）102，921.9087;

挖方量：（–）0.000?8。

无人机数据计算结果：

体积：102，733.1462；

表面积：8，913.9834；

填方量：（+）102，776.6172；

挖方量：（–）43.4709。

经计算，三维激光数据计算结果为102921.9080m3，无人机获取的数据经过计算为102733.1462m3，无人机和三维激光扫描后的数据经过计算为102266.4337m3。

对比结果可得，两种方式获取的点云数据与经过计算的土方量基本一致。

6结束语

通过在光源项目地形采集中的应用及数据分析可知，从数据质量看，无人机数据具有更完整清晰的表面信息，点云密度较大，在进行土方计算时可采用较小的采样间隔，得到较大的精度。但是在高程方面，三维激光更具有优势。

从数据量上看，为获得完整的研究区信息，无人机需要拍摄大片区域的航摄像片，从而产生许多冗余数据，大量的数据在进行处理时会耗费更多的时间。相比之下，三维激光可根据研究区具体情况设置扫描方案，获得完整的研究区数据信息。所以，无人机更适用于大面积大区域的土方计算，而三维激光则适用于小面积的土方计算。

在土方计算方面，二者的计算结果相差不大。相比较传统的计算方式，极大地节省了人力和时间，计算结果更精确。