序論：在您撰寫(xiě)土石方工程量計(jì)算方法與應(yīng)用研究時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開(kāi)闊視野，小編為您整理的1篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。

摘要：三維激光掃描技術(shù)在土石方工程量計(jì)算方面具有廣泛的應(yīng)用前景。文章分析基于三維激光掃描的土石方算量計(jì)算方法，即在三維激光掃描技術(shù)基本原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)點(diǎn)云外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及邏輯運(yùn)算等完成土石方工程量的計(jì)算；還結(jié)合某實(shí)際工程項(xiàng)目的土石方計(jì)算工作，展示了三維激光掃描技術(shù)在土石方工程量計(jì)算效率和精度方面具有的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；土石方；工程量計(jì)算；精細(xì)化管理

作為工程建設(shè)的主體工程，土石方的開(kāi)挖與填筑施工存在著工期較長(zhǎng)、工程量大等特點(diǎn)。而土石方工程量的計(jì)算精度對(duì)工程進(jìn)度和造價(jià)具有重要影響，同時(shí)也直接決定著施工方案的選擇，故提高土石方工程量計(jì)算的精度和效率對(duì)于工程項(xiàng)目而言意義重大。傳統(tǒng)的土石方工程量計(jì)算一般是通過(guò)全站儀或GNSSRTK進(jìn)行外業(yè)測(cè)量數(shù)據(jù)采集，然后在內(nèi)業(yè)計(jì)算中采用相應(yīng)的軟件通過(guò)方格網(wǎng)法、斷面法或等高線法等進(jìn)行土方量的估算[1]。但上述土方量計(jì)算主要是基于外業(yè)采集的特征點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行的，而特征點(diǎn)采集受作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)影響較大，且由于地形條件復(fù)雜，土石方不規(guī)則等原因會(huì)導(dǎo)致采集困難的情況，故傳統(tǒng)的土石方工程量計(jì)算方法在適用條件、作業(yè)效率及計(jì)算精度等方面仍存在不足。近些年，計(jì)算機(jī)軟硬件和三維建模技術(shù)得到快速發(fā)展，為土石方工程量計(jì)算的效率和精度提供了新的途徑，如無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量、三維激光掃描及建筑信息模型技術(shù)等。其中三維激光掃描技術(shù)作為測(cè)量界逐漸興起的技術(shù)，具有主動(dòng)、高效、實(shí)時(shí)、精確等特點(diǎn)。隨著該技術(shù)的推廣應(yīng)用，其在土石方工程量的計(jì)算方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。

1基于三維激光掃描的土石方算量計(jì)算方法

地面三維激光掃描儀與全站儀類似大小，一般架設(shè)于三腳架上完成掃描工作。通過(guò)非接觸式的激光測(cè)距系統(tǒng)，記錄激光束發(fā)射接收之間相位差或者時(shí)間差來(lái)高速精確地測(cè)量掃描物體點(diǎn)與儀器之間的距離[2]。掃描系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)部的反射鏡指導(dǎo)激光束以一定的角速度進(jìn)行發(fā)射，同時(shí)測(cè)量發(fā)射激光束的水平角和豎直角。通過(guò)把兩系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，則可計(jì)算得到每個(gè)掃描物體點(diǎn)的三維坐標(biāo)并得到海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一般而言，地面三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)所采用的為儀器坐標(biāo)系。當(dāng)其安置于三腳架時(shí)，儀器中心所在的水平面即為儀器坐標(biāo)系的原點(diǎn)，X軸與Y軸在水平面內(nèi)正交，Z軸則豎直向上。此時(shí)，三維激光掃描儀可獲得激光束到掃描點(diǎn)距離觀測(cè)值S，激光束的水平角α和豎直角θ觀測(cè)值。

1.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集地面三維激光掃描儀不需要設(shè)定基準(zhǔn)點(diǎn)或者后視定向，以非接觸測(cè)量的形式快速獲取待求土石方的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過(guò)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行土石方量的計(jì)算[4]。在外業(yè)數(shù)據(jù)采集方面，其主要步驟包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘、標(biāo)靶布設(shè)及數(shù)據(jù)采集等。在進(jìn)行土石方的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先需要根據(jù)土石方量的實(shí)際情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘。其目的是合理規(guī)劃作業(yè)路線，確定合適的測(cè)站數(shù)量和儀器架設(shè)位置，減少重復(fù)掃描，同時(shí)降低后期數(shù)據(jù)處理的工作量。根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況，制定相應(yīng)的掃描規(guī)劃圖，包括儀器配置、測(cè)站部署、區(qū)間設(shè)定、靶標(biāo)布設(shè)及人員安排等。為了方便后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，需要仔細(xì)地選擇測(cè)站的位置并設(shè)置靶標(biāo)，并根據(jù)土石方現(xiàn)場(chǎng)的面積確實(shí)測(cè)站點(diǎn)間的公共間距以保障采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效性。靶標(biāo)布設(shè)是為了各測(cè)站之間采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。一般需要選用球狀靶標(biāo)進(jìn)行缺乏特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。在布設(shè)靶標(biāo)時(shí)需要注意以下幾個(gè)原則：它需要和測(cè)站之間保持通視；距離測(cè)站不能太遠(yuǎn)；和測(cè)站點(diǎn)之間不能在同一條直線上；相鄰測(cè)站點(diǎn)之間需要有3個(gè)以上的公共靶標(biāo)。數(shù)據(jù)采集可以通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)或者直接操作儀器實(shí)現(xiàn)，設(shè)置好儀器的掃描范圍、角度、分辨率等參數(shù)之后先選擇較低的分辨率進(jìn)行粗掃描，確定要掃描的大概范圍。再對(duì)重點(diǎn)區(qū)域比如輪廓、標(biāo)靶等部位進(jìn)行精掃描，應(yīng)盡可選用足夠高的分辨率。即使三維激光掃描技術(shù)能夠高效獲取高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但在一些特定的應(yīng)用場(chǎng)景中仍需要配合傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器如GNSSRTK或全站儀共同采集數(shù)據(jù)，或是載入設(shè)計(jì)文件，以確保項(xiàng)目數(shù)據(jù)的完整性和多元數(shù)據(jù)融合應(yīng)用[5]。

1.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理對(duì)于地面三維激光掃描系統(tǒng)而言具有重要地位，對(duì)于掃描得到的土石方點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)處理操作主要包括去噪、拼接配準(zhǔn)、坐標(biāo)系統(tǒng)一、點(diǎn)云壓縮及三維模型重建等[6-7]。

（1）點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪包括利用軟件的功能將一些明顯偏離了掃描對(duì)象的孤立點(diǎn)進(jìn)行刪除，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，消除一些與土石方無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)。

（2）在拼接配準(zhǔn)方面，常用的點(diǎn)云拼接方法包括基于控制點(diǎn)的拼接、基于公共特征點(diǎn)的拼接和基于公共靶標(biāo)的拼接。利用控制點(diǎn)進(jìn)行拼接的精度最高，可滿足監(jiān)測(cè)精度需求，但是在土石方點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)需要首先布設(shè)控制網(wǎng)。利用公共特征點(diǎn)拼接主要依靠人眼識(shí)別相關(guān)特征，人為因素對(duì)結(jié)果干擾較大，在缺少特征點(diǎn)的情況下不易完成拼接工作。因此，常通過(guò)布設(shè)球形靶標(biāo)作為拼接標(biāo)志，利用公共的靶標(biāo)點(diǎn)完成不同測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接配準(zhǔn)。

（3）地面三維激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)是以掃描儀的中心為原點(diǎn)，以其旋轉(zhuǎn)軸及對(duì)應(yīng)的參考方向定義的坐標(biāo)系統(tǒng)。在多個(gè)測(cè)站采集得到的數(shù)據(jù)都以各測(cè)站的掃描時(shí)的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，此時(shí)需要進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一。兩個(gè)坐標(biāo)系的統(tǒng)一主要存在著3個(gè)平移參數(shù)、3個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)及1個(gè)尺度參數(shù)，故需要至少3個(gè)坐標(biāo)已知的公共點(diǎn)進(jìn)行平差解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)。

（4）掃描得到的土石方的三維點(diǎn)云的數(shù)據(jù)量通常很大，如果直接進(jìn)行建模會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，其效率低下，故在建模前需要對(duì)原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮重采樣處理以提高三維建模的效率。

（5）點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散數(shù)據(jù)，為了方便土石方算量，需要基于離散數(shù)據(jù)建立三維模型。主要過(guò)程有構(gòu)建三角網(wǎng)模型，多邊形修補(bǔ)、去除多余特征、減少多邊形數(shù)量、平滑及輪廓線提取和曲面擬合。在多邊形階段對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)、調(diào)整等，對(duì)一些無(wú)法掃描到的小的孔洞用線性插值或者二次曲面插值的方法進(jìn)行填補(bǔ)。輪廓線用手工或者軟件自動(dòng)提取，最后構(gòu)造曲面片和擬合曲面。

1.3土石方計(jì)算利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算土石方的原理為利用施工前后構(gòu)造的兩個(gè)地形三維模型進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到相應(yīng)的封閉體模型來(lái)計(jì)算。若直接對(duì)兩個(gè)開(kāi)放的不規(guī)則地形表面模型進(jìn)行邏輯運(yùn)算其結(jié)果可能不穩(wěn)定，故通?？紤]相對(duì)穩(wěn)定的地面與體的邏輯運(yùn)算，采用不規(guī)則的地面去切割形成一個(gè)較為規(guī)則的封閉體模型，得到需計(jì)算的土石方量的范圍，實(shí)現(xiàn)由面模型到體模型的轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行土石方體積的計(jì)算[8]。目前有許多點(diǎn)云建模分析軟件可以進(jìn)行土石方的計(jì)算，即首先將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合得到表面模型，再選擇某一平面作為填挖的基準(zhǔn)面，軟件則可以自動(dòng)計(jì)算填挖土石方的體積。

2基于三維激光掃描的土石方算量計(jì)算方法的應(yīng)用案例

某1號(hào)公路建設(shè)過(guò)程中需要對(duì)土石方量進(jìn)行計(jì)算。具體采用了三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集工作，為確保項(xiàng)目數(shù)據(jù)的完整性和多元數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，對(duì)未被三維激光掃描儀設(shè)備采集的道路邊坡部分?jǐn)?shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行了GNSSRTK增補(bǔ)測(cè)量。1號(hào)公路激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RTK測(cè)量數(shù)據(jù)疊加的結(jié)果如圖1（a）所示。為基于設(shè)計(jì)模型與道路實(shí)測(cè)模型進(jìn)行土方量運(yùn)算，無(wú)須重新繪制邊界線或基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立理論三維模型，直接將原有范圍線和設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入，疊加結(jié)果如圖1（b）所示。在點(diǎn)云去噪方面，將1號(hào)公路竣工范圍線以外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)過(guò)濾掉，將空中部分電力線路數(shù)據(jù)根據(jù)反射強(qiáng)度差異進(jìn)行過(guò)濾。進(jìn)而通過(guò)設(shè)置點(diǎn)云最小間隔等指標(biāo)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行密度稀釋過(guò)濾，并將地表以上的植被、雜物等點(diǎn)云噪聲濾除。去噪完成之后，通過(guò)全部數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)化地形三角網(wǎng)構(gòu)建，如圖1（c）所示。此時(shí)，1號(hào)公路的實(shí)際掃描地表三維模型已建立完成，為后續(xù)的方量計(jì)算提供了準(zhǔn)確的對(duì)比條件。在土方量計(jì)算時(shí)，將“1號(hào)公路實(shí)測(cè)”和“1號(hào)公路設(shè)計(jì)”兩個(gè)地表三角網(wǎng)模型進(jìn)行疊加，為保證方量計(jì)算的準(zhǔn)確性，在實(shí)施計(jì)算之前對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行表面有效性檢查。完成有效性檢查之后，以“1號(hào)公路實(shí)測(cè)”表面為參照，計(jì)算其與“1號(hào)公路設(shè)計(jì)”表面之間的填挖方量，結(jié)果如圖1（d）所示。其計(jì)算得到的K0+000～K0+200的具體開(kāi)挖工程量如表1所示。

3結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，文章主要介紹了利用三維激光掃描技術(shù)采集土石方數(shù)據(jù)的外部作業(yè)流程，分析了內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程及土石方工程量計(jì)算算法。從某1號(hào)公路工程中利用激光點(diǎn)云技術(shù)計(jì)算土石方工程量的實(shí)際案例來(lái)看，采用該方法不僅可以使土石方工程量的計(jì)量方法更加科學(xué)，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，還可以大幅度提升土石方工程量計(jì)算的效率和作業(yè)安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]羅幫林,韓珍,王清.基于ArcGIS的水土保持區(qū)域評(píng)估土石方量計(jì)算方法[J].水土保持應(yīng)用技術(shù),2022(4):23-24.

[2]霍二鵬,金敏,楊京.機(jī)場(chǎng)土石方與地基處理工程中的BIM技術(shù)應(yīng)用研究[J].建筑技術(shù),2022,53(5):602-604.

[3]候漢霜.基于Delaunay三角網(wǎng)法的土石方量計(jì)算精度探討[J].城市勘測(cè),2022(2):159-163.

[4]周海波,羅洪軍,周鮮明.不同測(cè)繪方法在土石方量計(jì)算中的應(yīng)用與對(duì)比研究[J].測(cè)繪與空間地理信息,2022,45(4):184-186.

作者:肖維 張夢(mèng)圓 夏旦 單位:湖南五凌電力科技有限公司