圖1：垃圾填埋場(chang)區域圖

　　圖(tu)2：垃圾填(tian)埋場(chang)側視圖(tu)

一、項目概述

　　項目地點：南方(fang)某城市最大的(de)垃圾填埋場。遠離市區(qu)(qu)環(huan)山而建(jian)，區(qu)(qu)域面(mian)積近1平方(fang)公里，預計使用年(nian)限為20年(nian)。

　　待解決(jue)(jue)問(wen)題：隨著生活垃圾的(de)急(ji)劇(ju)增加，急(ji)需解決(jue)(jue)垃圾填埋進行數字(zi)化管理(li)以(yi)及預警。

　　測區概況：測區分(fen)為兩部分(fen)，一部分(fen)為凹槽是由(you)于(yu)垃(la)圾填(tian)埋較少形(xing)(xing)成(cheng)的空(kong)洞，一部分(fen)凸出是由(you)于(yu)垃(la)圾填(tian)埋過多(duo)形(xing)(xing)成(cheng)的堆體。測區在建(jian)設初期有布設點，可(ke)以(yi)進行后期的坐標轉換(huan)。

　　工(gong)期(qi)安排(pai)：數據采(cai)集一天，內業處理(li)半天。

二(er)、設備一覽表

　　HS系列高(gao)精(jing)度三維(wei)激光掃描儀是海達(da)數(shu)云(yun)完全自主知識產權的高(gao)精(jing)度靜態三維(wei)激光系統。該設備具有高(gao)精(jing)度、高(gao)頻(pin)率、長距離等特點，廣泛(fan)應(ying)用于(yu)地質災害監測、數(shu)字(zi)城市建模、數(shu)字(zi)礦山測量、數(shu)字(zi)文(wen)化遺產、精(jing)密(mi)工(gong)業測量等領域提供完整的信息(xi)化解(jie)決方案與(yu)服務，為數(shu)字(zi)三維(wei)世(shi)界建設與(yu)應(ying)用提供技(ji)術支撐。

　　圖3：HS系列高精度三維激光(guang)掃描儀(yi)

　　有效(xiao)測程：1200米/650米/450米

　　激光發射(she)頻率：最大50萬點/秒

　　全景分辨率：7000萬像素（可選配(pei)外置相機）

　　測距精度：5mm 40m

三、項(xiang)目外(wai)業思(si)路(lu)

　　體積計算(suan)的(de)關鍵在(zai)于對(dui)目標對(dui)象表(biao)面(mian)(mian)的(de)表(biao)述(shu)，通常是使用有限(xian)的(de)、離散的(de)數據來近似表(biao)述(shu)由點組成的(de)表(biao)面(mian)(mian)。

　　基于三(san)維激(ji)光(guang)掃(sao)描(miao)技(ji)術的(de)(de)測(ce)量，即利用激(ji)光(guang)測(ce)距原理，通過計算(suan)脈沖或(huo)者相位時間差，推(tui)算(suan)出(chu)掃(sao)描(miao)中(zhong)心距目標(biao)(biao)斜距，再(zai)配合同時記錄下的(de)(de)激(ji)光(guang)束的(de)(de)水平角、垂(chui)直角解算(suan)物體表面(mian)激(ji)光(guang)點(dian)(dian)的(de)(de)三(san)維坐標(biao)(biao)，同時記錄激(ji)光(guang)點(dian)(dian)反射(she)強度值，實現全自(zi)動陣(zhen)列式高(gao)速、實時掃(sao)描(miao)。

　　基于獲取的(de)(de)目標表面(mian)海(hai)量點云數(shu)據(ju)，采(cai)用一定的(de)(de)數(shu)學(xue)計(ji)算方法擬合出目標表面(mian)函數(shu)，即可(ke)求取目標對象的(de)(de)表面(mian)積(ji)。

　　（一）表面積(ji)計算方法

　　由于通(tong)過三維激(ji)光掃描技術獲(huo)得的(de)目標表面點云(yun)為離(li)散(san)點，需要對其進(jin)行表面擬合才能(neng)用于表面積計算。

　　（二(er)）三維(wei)激光(guang)掃描(miao)儀測(ce)量

　　三維(wei)(wei)激光(guang)掃描采(cai)用(yong)HS1200，在實施(shi)三維(wei)(wei)激光(guang)掃描時采(cai)取的基(ji)本方法為(wei)：

　　1.分站掃描

　　充分(fen)考慮通視和(he)覆蓋，設定不(bu)同的測站實(shi)施三維激光點云獲取。

　　2.后視(shi)定向標(biao)靶測量

　　為了將各測(ce)站的(de)三維(wei)激光掃描(miao)數(shu)據(ju)拼接(jie)整合成全區域的(de)三維(wei)點云，使用(yong)RTK直接(jie)測(ce)得布設點的(de)三維(wei)坐標，在激光掃描(miao)過(guo)程中，將掃描(miao)儀及后視靶標架(jia)設在已知(zhi)點上，通過(guo)數(shu)據(ju)預處理可得到各測(ce)站點云在獨(du)立(li)坐標系下的(de)三維(wei)坐標。

　　3.掃(sao)描(miao)參數設(she)定

　　10個測(ce)站設定相同的三維激光掃描參數。

　　（三(san)）項目實施

　　在(zai)(zai)凹(ao)(ao)槽區域(yu)架站(zhan)進行數(shu)據(ju)(ju)采集(ji)(ji)選擇室外模式，頻率選擇100kHz，時間控制在(zai)(zai)10分鐘，這樣可以(yi)減少架站(zhan)且測得點(dian)云(yun)效(xiao)果更好(hao)，在(zai)(zai)凹(ao)(ao)槽區域(yu)，為了采集(ji)(ji)數(shu)據(ju)(ju)完全，應多架站(zhan)，特殊情況(kuang)下需要(yao)在(zai)(zai)垃圾堆頂部(bu)架站(zhan)。

　　圖(tu)4：HS1200垃(la)圾(ji)堆頂部采(cai)集數據

四、項目內業思(si)路(lu)

　　（一）激光點云拼接

　　激(ji)光點(dian)(dian)云拼接(jie)的(de)(de)過程，實質是(shi)將(jiang)點(dian)(dian)云的(de)(de)坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)統由(you)掃(sao)描儀自身坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)轉(zhuan)換(huan)為(wei)獨立坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)。由(you)于HS1200每一次掃(sao)描的(de)(de)數據都是(shi)使用其自身所設定的(de)(de)掃(sao)描儀坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)統，所以需要利用每一站(zhan)的(de)(de)后視靶標(biao)球(qiu)來將(jiang)點(dian)(dian)云坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)絕對坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)，從而(er)將(jiang)所有點(dian)(dian)云均置于統一的(de)(de)地理坐(zuo)(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)下，拼接(jie)后的(de)(de)整體點(dian)(dian)云如圖數據成果：

　　圖(tu)5：局(ju)部(bu)細化點云效果圖(tu)

　　對單站數據(ju)進行(xing)查漏補(bu)缺，沒有(you)采集(ji)到的區(qu)域需要進行(xing)補(bu)采。

　　圖6：測(ce)區(qu)多測(ce)站點云(yun)數據

　　單站(zhan)數據后視定(ding)向，每站(zhan)運用掃(sao)描儀上面RTK定(ding)位(wei)，精掃(sao)標靶定(ding)向。這樣多測(ce)站(zhan)直接在同一個(ge)統一的坐(zuo)標系(xi)下完成了拼接工(gong)作。

　　（二）點云裁切、噪聲剔除

　　在(zai)點云數(shu)據(ju)獲取過(guo)程中(zhong)，因為采用的是360°全方位(wei)掃描(miao)，所(suo)以不可(ke)避免地(di)產生了較多(duo)冗(rong)余數(shu)據(ju)以及噪(zao)聲(sheng)數(shu)據(ju)，因而需要對點云數(shu)據(ju)進行裁切并剔除噪(zao)聲(sheng)點。采用配套(tao)HD SCENE軟(ruan)件將激光掃描(miao)數(shu)據(ju)逐站導入，通過(guo)軟(ruan)件的矩形(xing)(xing)、多(duo)邊形(xing)(xing)選擇(ze)點云等功(gong)能選中(zhong)冗(rong)余及噪(zao)聲(sheng)數(shu)據(ju)刪除即可(ke)。

圖7：整體去(qu)噪點云數據

　　由于(yu)多余的點(dian)云(yun)數(shu)據會影(ying)響DEM數(shu)據從而影(ying)響整體方量(liang)計(ji)算，所以需要對(dui)掃描場景中(zhong)的電線桿、垃(la)圾運輸車(che)、行人等噪(zao)點(dian)進行剔除。

　　（三）點云濾波

　　由(you)于工(gong)程范圍內，有各種附(fu)著物覆蓋，為了得(de)到真實的(de)地(di)表數據(ju)(ju)，使得(de)計算(suan)結(jie)果(guo)更(geng)加接(jie)(jie)近真實值，需要進行點(dian)(dian)云(yun)的(de)地(di)表點(dian)(dian)和非地(di)表點(dian)(dian)分離刪除(chu)，也即點(dian)(dian)云(yun)數據(ju)(ju)的(de)濾(lv)(lv)波。所以，需要創建(jian)一個光柵(zha)矩陣模(mo)型(xing)并覆蓋整個測區(qu)，并根據(ju)(ju)柵(zha)格(ge)網設置密(mi)(mi)度的(de)節(jie)點(dian)(dian)尋找到該節(jie)點(dian)(dian)Ｚ值最低的(de)點(dian)(dian)數據(ju)(ju)，通過(guo)(guo)這點(dian)(dian)再建(jian)立一個粗略(lve)的(de)地(di)形模(mo)型(xing)，用(yong)于分離地(di)表及(ji)非地(di)表點(dian)(dian)。通過(guo)(guo)點(dian)(dian)云(yun)拼(pin)接(jie)(jie)、裁切、噪聲(sheng)濾(lv)(lv)除(chu)、濾(lv)(lv)波，改(gai)變柵(zha)格(ge)網的(de)密(mi)(mi)度及(ji)表面(mian)模(mo)型(xing)，比較最大和最小值迭代計算(suan)，直到表面(mian)模(mo)型(xing)及(ji)點(dian)(dian)的(de)過(guo)(guo)濾(lv)(lv)完(wan)善(shan)，即可得(de)到非常完(wan)善(shan)的(de)數字地(di)表模(mo)型(xing)數據(ju)(ju)點(dian)(dian)云(yun)。

　　圖(tu)8：整體(ti)測區DEM

　　利用(yong)HD 3LS SCENE軟件(jian)將剔除，直接(jie)計算出目的(de)區域DEM，按實(shi)體模型渲(xuan)染(ran)。

　　（四）表面積、體積計算

　　在(zai)計(ji)算(suan)過(guo)程中，如果格(ge)(ge)(ge)網設置太大，則格(ge)(ge)(ge)網不(bu)(bu)能很好地(di)反映地(di)形變化，易導(dao)致計(ji)算(suan)不(bu)(bu)準(zhun)確(que)(que)；如果格(ge)(ge)(ge)網設置太小，計(ji)算(suan)易受到表面噪(zao)聲點影響，亦造成(cheng)計(ji)算(suan)不(bu)(bu)準(zhun)確(que)(que)，根據以往(wang)經驗，當格(ge)(ge)(ge)網大小為0.03m時，計(ji)算(suan)結果與真(zhen)實值最接(jie)近。

　　圖10：堆體體積計(ji)算(suan)

　　計算結果表(biao)明：基于三(san)維(wei)激(ji)光掃描(miao)(miao)(miao)技(ji)術計算得到的總體(ti)積(ji)(ji)為(wei)1327390.981立方米(mi)，而根據客戶反饋通過稱(cheng)重反算真實總體(ti)積(ji)(ji)為(wei)1327485.667立方米(mi)，二者(zhe)的偏(pian)差量約(yue)占(zhan)總體(ti)積(ji)(ji)的1%。因此，采用(yong)三(san)維(wei)激(ji)光掃描(miao)(miao)(miao)方式精確獲(huo)取目標對(dui)象體(ti)積(ji)(ji)的方案(an)是可行的，而相比(bi)于傳統方式，三(san)維(wei)激(ji)光掃描(miao)(miao)(miao)方式的效率更(geng)高，尤其(qi)是對(dui)于大(da)范圍的表(biao)面積(ji)(ji)量算、體(ti)積(ji)(ji)計算，其(qi)優(you)勢更(geng)加(jia)明顯。

五(wu)、項(xiang)目總結

　　三(san)維(wei)激光掃描技術應(ying)(ying)用于垃圾填埋場測(ce)量(liang)任務可(ke)以大(da)幅節約外業(ye)測(ce)量(liang)工作，直接獲取地面物體的地形(xing)三(san)維(wei)信息，具有周期短、勞動強度低、工序少(shao)、測(ce)量(liang)數據精度高等優點。結(jie)果說明三(san)維(wei)激光掃描技術在高精度表面積、體積測(ce)量(liang)中應(ying)(ying)用的可(ke)行性及應(ying)(ying)用潛力。

　　最終(zhong)統計(ji)出垃圾填(tian)埋方量，根據實際需(xu)求(qiu)確定(ding)采集周(zhou)期，定(ding)期更新(xin)變化區域(yu)數據，方便統一(yi)管理，配(pei)合(he)其他職能部(bu)門做好統籌規劃。