[摘 要] 本文研究GPS、地面三維激光掃描和傾斜攝影測量三種快速測算土石方的方法。GPS技術(shù)采用(方格網(wǎng)法和DTM 法)兩種方法測算，地面三維激光掃描采用激光點云建模測量體積的方法，傾斜攝影測量采用無人機影像建模測算體積的方法。研究結(jié)果表明：傳統(tǒng)土石方測量方法，外業(yè)采集效率較低，測算的精度較低。采用三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的方法，能夠快速獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提高土石方測量效率，精度相對于傳統(tǒng)測算方法較高，對工程的工期、投資和規(guī)劃設(shè)計都有著重要的意義。
0 引言
傳統(tǒng)的測量方法采集的是單點數(shù)據(jù)，對于地形復(fù)雜的大體積土石方測算效率和測算的精度較低，無法精確的反映土石方的地形地貌。而三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的興起，使得測量數(shù)據(jù)獲取方式發(fā)生巨大改變，將傳統(tǒng)單點測量模式推進至面式掃描模式以及傾斜攝影方式，可以大面積地獲取目標表面的點云數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)獲取效率、數(shù)據(jù)采集范圍、數(shù)據(jù)源的準確性、測量作業(yè)安全性和自動化方面實現(xiàn)了全面提升。
1 研究對象介紹
本文研究對象為山東理工大學(xué)西校區(qū)內(nèi)的閑置區(qū)，該測區(qū)土石方的地形地貌復(fù)雜，在測區(qū)范圍內(nèi)有兩棵樹，測區(qū)周邊樹木茂密。擬將該測區(qū)土石堆運出，測算其土石方量，以便于選擇合理施工方案。
2 數(shù)據(jù)獲取
本文數(shù)據(jù)的獲取主要利用三種測量技術(shù)，依次是GPS測量技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)。為了使三種測量技術(shù)獲取測區(qū)相同的目標物體，本文采取了無時間間隔的數(shù)據(jù)獲取方式，坐標系為西安80坐標系。
2.1 GPS技術(shù)數(shù)據(jù)獲取
數(shù)據(jù)獲取使用的儀器是天宇“G1”RTK測量系統(tǒng)，內(nèi)置傾斜補償器，根據(jù)對中桿傾斜方向和角度自動校正坐標。采用的是CORS網(wǎng)模式，根據(jù)測區(qū)地表測量了224個特征點來精確地表達該土石方。
2.2 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)獲取
數(shù)據(jù)獲取使用的儀器是Z+F5006H 脈沖式三維激光掃描儀，紅色激光束，有效測程為79m，最小測程為0.4m，分辨率為0.1mm，水平視野為360°，垂直視野為310°。根據(jù)測區(qū)地表在測區(qū)布設(shè)了10站。
2.3 傾斜攝影測量技術(shù)數(shù)據(jù)獲取
數(shù)據(jù)獲取使用的儀器是大疆PHANTOM 3SE，相機為DJI FC300XW，傳感器大小為6.16mm，焦距為3.61mm。拍攝方式為傾斜環(huán)繞45°傾角和垂直90°拍攝，共采集了107張影像。
2.4 數(shù)據(jù)采集流程
三種快速測量土石方技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取流程如圖1、圖2和圖3，依次為GPS、三維激光掃描和傾斜攝影測量數(shù)據(jù)獲取流程。這三種方法的采集流程大不相同，其中GPS測量技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)在數(shù)據(jù)采集過程中人隨著儀器移動，受地形地貌的影響較大。而傾斜攝影測量則不同，在數(shù)據(jù)采集過程中儀器受到人為的控制在空中采集，不受地形地貌的影響。
3 數(shù)據(jù)處理
本文根據(jù)不同的數(shù)據(jù)獲取方式選擇了不同的數(shù)據(jù)處理方法。其中GPS測量技術(shù)使用CASS8.0軟件中的DTM 法和方格網(wǎng)法進行體積算量，三維激光掃描技術(shù)使用的是Riscan pro1.4.6軟件中的激光點云建模的方法進行體積算量，傾斜攝影測量技術(shù)使用的是context capturer軟件中的影像建模的方法進行體積算量。數(shù)據(jù)處理電腦為筆者自用的普通筆記本電腦。
3.1 GPS技術(shù)數(shù)據(jù)處理
3.1.1 數(shù)據(jù)處理流程
數(shù)據(jù)處理之前要進行預(yù)處理，把野外測量坐標數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成格式為(點號，Y，X，H)的.dat文件，才能進行DTM 法和方格網(wǎng)法土石方計算。
DTM法和方格網(wǎng)法處理的流程依次為圖4和圖5所示。
3.1.2 土石方量的測算
采用DTM 法計算土石方量和方格網(wǎng)法計算土石方量依次為3077.77m3、3096.00m3。
3.2 三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)處理
3.2.1 數(shù)據(jù)處理流程
數(shù)據(jù)處理之前要進行預(yù)處理，將野外掃描的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入到掃描儀自帶的軟件中進行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成(X，Y，Z)格式的文本文件，這樣才能進行下一步的數(shù)據(jù)處理。三維激光掃描儀數(shù)據(jù)處理的流程為圖6所示。
3.2.2 土石方量的測算
三維激光點云數(shù)據(jù)處理完成后，使用Riegl軟件將處理完成后的三維激光點云通過測量控制點計算出七個參數(shù)，然后轉(zhuǎn)換到工程坐標系下進行點云建模計算土石方量，計算土石方量為3177.77m3。
3.3 傾斜攝影測量技術(shù)數(shù)據(jù)處理
3.3.1 數(shù)據(jù)處理流程
數(shù)據(jù)預(yù)處理之前要進行預(yù)處理，將野外拍攝的影像導(dǎo)入到context capturer軟件中篩選，刪除曝光過度、模糊、重復(fù)和范圍外的影像，這樣才能進行下一步的數(shù)據(jù)處理。傾斜攝影測量數(shù)據(jù)處理的流程如圖7所示。
3.3.2 土石方量的測算
采用傾斜攝影測量影像建模計算的土石方量為3145.26m3。
4 測算結(jié)果分析
4.1 GPS技術(shù)測算結(jié)果分析
通過GPS技術(shù)測算的結(jié)果分析，方格網(wǎng)法計算土方量為3077.77m3，DTM 法計算土方量為3096.00m3，兩種方法結(jié)果差距不大，但是傳統(tǒng)測量方法點的密度低、特征地形表示不明顯，外業(yè)效率低，工作量大。
4.2 三維激光掃描技術(shù)測算結(jié)果分析
通過三維激光掃描技術(shù)測算的結(jié)果分析，激光點云建模法計算土方量為3177.77m3，其結(jié)果與傳統(tǒng)的測算方法相差較大，通過實驗可以看出，三維激光掃描儀測得的點云數(shù)據(jù)密度大，特征地形表示明顯，外業(yè)效率和精度高。
4.3 傾斜攝影測量技術(shù)測算結(jié)果分析
通過傾斜攝影測量技術(shù)測算的結(jié)果分析，傾斜影像建模方法計算土方量為3145.26m3，其結(jié)果與點云數(shù)據(jù)相差不大，但是傾斜影像建模法測算數(shù)據(jù)效率高，但測量受外界影響大。
4.4 綜合分析
通過對表1分析得到：
(1)對于同一目標物體，三維激光掃描技術(shù)采集的點的數(shù)量遠遠超過GPS技術(shù)。而且對測區(qū)目標物體的表示比GPS技術(shù)表示的完整，精度也高，因此本文將三維激光掃描技術(shù)采集的點云數(shù)據(jù)看作此次實驗的準真值。
(2)點云拼接和模型數(shù)據(jù)去噪拼接壓縮、影響生成模型等這一整套工作要花費非常長的時間。而RTK數(shù)據(jù)只需要稍微處理就能在CASS軟件里得到結(jié)果。但外業(yè)采集時間相對于傳統(tǒng)的測量方法來說速度較快。如果特別要求精度的話，三維激光掃描和影像技術(shù)非常有優(yōu)勢，但是內(nèi)業(yè)處理比較耗時間。所以，在精度要求高的情況下優(yōu)先選擇點云數(shù)據(jù)計算土方量法和影像數(shù)據(jù)計算土方量法。
(3)測量不同目標的土方量時，要根據(jù)其目標的大小與精度要求來選擇合適的測量方法，當測量目標的土方量較小且精度要求不高時宜采用GPS技術(shù)進行測量;當測量目標的土方量大且精度要求較高時，宜采用三維激光掃描或傾斜攝影測量技術(shù)進行測量。
(4)三維激光掃描和傾斜攝影測量技術(shù)能用在一些GPS技術(shù)不適用的地方。對于一些地勢險峻的地方，人力無法到達的地形，可以很快的獲取地形數(shù)據(jù)。
(5)三維激光點云的分布是規(guī)則的，是有規(guī)律可尋的。而傾斜影像點云的分布是不規(guī)則的，沒有規(guī)律可尋的。
5 結(jié)束語
三種快速測算土石方量的方法各有自己的優(yōu)缺點。傳統(tǒng)土石方測量方法，外業(yè)采集效率較低，測算的精度較低。采用三維激光掃描技術(shù)和傾斜攝影測量技術(shù)的方法，能夠快速獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提高土石方測量效率，精度相對于傳統(tǒng)測算方法較高，對工程的工期、投資和規(guī)劃設(shè)計都有著重要的意義。
