土石方工程量计算方法与应用研究

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摘要：三维激光扫描技术在土石方工程量计算方面具有广泛的应用前景。文章分析基于三维激光扫描的土石方算量计算方法，即在三维激光扫描技术基本原理的基础上，通过点云外业数据采集、内业数据处理及逻辑运算等完成土石方工程量的计算；还结合某实际工程项目的土石方计算工作，展示了三维激光扫描技术在土石方工程量计算效率和精度方面具有的优势。

关键词：三维激光扫描技术；土石方；工程量计算；精细化管理

作为工程建设的主体工程，土石方的开挖与填筑施工存在着工期较长、工程量大等特点。而土石方工程量的计算精度对工程进度和造价具有重要影响，同时也直接决定着施工方案的选择，故提高土石方工程量计算的精度和效率对于工程项目而言意义重大。传统的土石方工程量计算一般是通过全站仪或GNSSRTK进行外业测量数据采集，然后在内业计算中采用相应的软件通过方格网法、断面法或等高线法等进行土方量的估算[1]。但上述土方量计算主要是基于外业采集的特征点坐标进行的，而特征点采集受作业人员的经验影响较大，且由于地形条件复杂，土石方不规则等原因会导致采集困难的情况，故传统的土石方工程量计算方法在适用条件、作业效率及计算精度等方面仍存在不足。近些年，计算机软硬件和三维建模技术得到快速发展，为土石方工程量计算的效率和精度提供了新的途径，如无人机倾斜摄影测量、三维激光扫描及建筑信息模型技术等。其中三维激光扫描技术作为测量界逐渐兴起的技术，具有主动、高效、实时、精确等特点。随着该技术的推广应用，其在土石方工程量的计算方面也具有广泛的应用前景。

1基于三维激光扫描的土石方算量计算方法

地面三维激光扫描仪与全站仪类似大小，一般架设于三脚架上完成扫描工作。通过非接触式的激光测距系统，记录激光束发射接收之间相位差或者时间差来高速精确地测量扫描物体点与仪器之间的距离[2]。扫描系统通过内部的反射镜指导激光束以一定的角速度进行发射，同时测量发射激光束的水平角和竖直角。通过把两系统进行结合，则可计算得到每个扫描物体点的三维坐标并得到海量点云数据。一般而言，地面三维激光扫描仪采集数据所采用的为仪器坐标系。当其安置于三脚架时，仪器中心所在的水平面即为仪器坐标系的原点，X轴与Y轴在水平面内正交，Z轴则竖直向上。此时，三维激光扫描仪可获得激光束到扫描点距离观测值S，激光束的水平角α和竖直角θ观测值。

1.1外业数据采集地面三维激光扫描仪不需要设定基准点或者后视定向，以非接触测量的形式快速获取待求土石方的海量点云数据，进而通过数据处理进行土石方量的计算[4]。在外业数据采集方面，其主要步骤包括现场踏勘、标靶布设及数据采集等。在进行土石方的点云数据采集时，首先需要根据土石方量的实际情况进行现场踏勘。其目的是合理规划作业路线，确定合适的测站数量和仪器架设位置，减少重复扫描，同时降低后期数据处理的工作量。根据作业现场情况，制定相应的扫描规划图，包括仪器配置、测站部署、区间设定、靶标布设及人员安排等。为了方便后期点云数据拼接，需要仔细地选择测站的位置并设置靶标，并根据土石方现场的面积确实测站点间的公共间距以保障采集的点云数据的高效性。靶标布设是为了各测站之间采集的点云数据的配准。一般需要选用球状靶标进行缺乏特征点的数据配准。在布设靶标时需要注意以下几个原则：它需要和测站之间保持通视；距离测站不能太远；和测站点之间不能在同一条直线上；相邻测站点之间需要有3个以上的公共靶标。数据采集可以通过便携式计算机实现或者直接操作仪器实现，设置好仪器的扫描范围、角度、分辨率等参数之后先选择较低的分辨率进行粗扫描，确定要扫描的大概范围。再对重点区域比如轮廓、标靶等部位进行精扫描，应尽可选用足够高的分辨率。即使三维激光扫描技术能够高效获取高密度的点云数据，但在一些特定的应用场景中仍需要配合传统测量仪器如GNSSRTK或全站仪共同采集数据，或是载入设计文件，以确保项目数据的完整性和多元数据融合应用[5]。

1.2点云数据处理点云数据处理对于地面三维激光扫描系统而言具有重要地位，对于扫描得到的土石方点云数据，其数据处理操作主要包括去噪、拼接配准、坐标系统一、点云压缩及三维模型重建等[6-7]。

（1）点云数据的去噪包括利用软件的功能将一些明显偏离了扫描对象的孤立点进行删除，并对点云数据进行平滑，消除一些与土石方无关的数据。

（2）在拼接配准方面，常用的点云拼接方法包括基于控制点的拼接、基于公共特征点的拼接和基于公共靶标的拼接。利用控制点进行拼接的精度最高，可满足监测精度需求，但是在土石方点云数据采集时需要首先布设控制网。利用公共特征点拼接主要依靠人眼识别相关特征，人为因素对结果干扰较大，在缺少特征点的情况下不易完成拼接工作。因此，常通过布设球形靶标作为拼接标志，利用公共的靶标点完成不同测站的点云数据的拼接配准。

（3）地面三维激光扫描系统的坐标系统是以扫描仪的中心为原点，以其旋转轴及对应的参考方向定义的坐标系统。在多个测站采集得到的数据都以各测站的扫描时的坐标系为基准，此时需要进行坐标系的统一。两个坐标系的统一主要存在着3个平移参数、3个旋转参数及1个尺度参数，故需要至少3个坐标已知的公共点进行平差解算出转换参数。

（4）扫描得到的土石方的三维点云的数据量通常很大，如果直接进行建模会花费较长的时间，其效率低下，故在建模前需要对原始的点云数据进行压缩重采样处理以提高三维建模的效率。

（5）点云数据是离散数据，为了方便土石方算量，需要基于离散数据建立三维模型。主要过程有构建三角网模型，多边形修补、去除多余特征、减少多边形数量、平滑及轮廓线提取和曲面拟合。在多边形阶段对模型进行修补、调整等，对一些无法扫描到的小的孔洞用线性插值或者二次曲面插值的方法进行填补。轮廓线用手工或者软件自动提取，最后构造曲面片和拟合曲面。

1.3土石方计算利用点云数据计算土石方的原理为利用施工前后构造的两个地形三维模型进行逻辑运算得到相应的封闭体模型来计算。若直接对两个开放的不规则地形表面模型进行逻辑运算其结果可能不稳定，故通常考虑相对稳定的地面与体的逻辑运算，采用不规则的地面去切割形成一个较为规则的封闭体模型，得到需计算的土石方量的范围，实现由面模型到体模型的转换，再进行土石方体积的计算[8]。目前有许多点云建模分析软件可以进行土石方的计算，即首先将采集的点云数据导入软件，进行点云数据拟合得到表面模型，再选择某一平面作为填挖的基准面，软件则可以自动计算填挖土石方的体积。

2基于三维激光扫描的土石方算量计算方法的应用案例

某1号公路建设过程中需要对土石方量进行计算。具体采用了三维激光扫描仪进行外业数据的采集工作，为确保项目数据的完整性和多元数据融合应用，对未被三维激光扫描仪设备采集的道路边坡部分数据内容进行了GNSSRTK增补测量。1号公路激光点云数据与RTK测量数据叠加的结果如图1（a）所示。为基于设计模型与道路实测模型进行土方量运算，无须重新绘制边界线或基于设计数据建立理论三维模型，直接将原有范围线和设计模型导入，叠加结果如图1（b）所示。在点云去噪方面，将1号公路竣工范围线以外的点云数据进行自动过滤掉，将空中部分电力线路数据根据反射强度差异进行过滤。进而通过设置点云最小间隔等指标对点云数据进行密度稀释过滤，并将地表以上的植被、杂物等点云噪声滤除。去噪完成之后，通过全部数据进行自动化地形三角网构建，如图1（c）所示。此时，1号公路的实际扫描地表三维模型已建立完成，为后续的方量计算提供了准确的对比条件。在土方量计算时，将“1号公路实测”和“1号公路设计”两个地表三角网模型进行叠加，为保证方量计算的准确性，在实施计算之前对两个模型进行表面有效性检查。完成有效性检查之后，以“1号公路实测”表面为参照，计算其与“1号公路设计”表面之间的填挖方量，结果如图1（d）所示。其计算得到的K0+000～K0+200的具体开挖工程量如表1所示。

3结束语

综上所述，文章主要介绍了利用三维激光扫描技术采集土石方数据的外部作业流程，分析了内业数据处理过程及土石方工程量计算算法。从某1号公路工程中利用激光点云技术计算土石方工程量的实际案例来看，采用该方法不仅可以使土石方工程量的计量方法更加科学，计算结果更加准确，还可以大幅度提升土石方工程量计算的效率和作业安全性。

参考文献

[1]罗帮林,韩珍,王清.基于ArcGIS的水土保持区域评估土石方量计算方法[J].水土保持应用技术,2022(4):23-24.

[2]霍二鹏,金敏,杨京.机场土石方与地基处理工程中的BIM技术应用研究[J].建筑技术,2022,53(5):602-604.

[3]候汉霜.基于Delaunay三角网法的土石方量计算精度探讨[J].城市勘测,2022(2):159-163.

[4]周海波,罗洪军,周鲜明.不同测绘方法在土石方量计算中的应用与对比研究[J].测绘与空间地理信息,2022,45(4):184-186.

作者:肖维 张梦圆 夏旦 单位:湖南五凌电力科技有限公司