圖1：垃圾填埋場區域(yu)圖

　　圖(tu)2：垃圾(ji)填(tian)埋(mai)場側視圖(tu)

一、項目概述

　　項目地點：南方某(mou)城市最大的垃圾填埋場(chang)。遠離(li)市區環山而建，區域面積近1平方公(gong)里(li)，預計使用年(nian)限(xian)為20年(nian)。

　　待解決問題：隨著生(sheng)活垃(la)圾的急劇(ju)增加，急需解決垃(la)圾填(tian)埋進(jin)行數字化管理(li)以(yi)及預(yu)警。

　　測區(qu)概況：測區(qu)分(fen)為(wei)兩部(bu)分(fen)，一部(bu)分(fen)為(wei)凹槽是由(you)于(yu)垃圾填埋較少形成的(de)空洞，一部(bu)分(fen)凸出(chu)是由(you)于(yu)垃圾填埋過多形成的(de)堆(dui)體(ti)。測區(qu)在建設(she)初期有布設(she)點，可以進行后期的(de)坐標轉換。

　　工期安排：數據采集一天，內業處理半(ban)天。

二、設(she)備一覽表

　　HS系(xi)列高精度(du)三(san)維激光(guang)掃描儀是海達數云完(wan)全自主知識(shi)產權的高精度(du)靜態三(san)維激光(guang)系(xi)統。該(gai)設備(bei)具(ju)有高精度(du)、高頻率、長距離等特點，廣泛應用于(yu)地質災(zai)害(hai)監(jian)測、數字(zi)城市建模、數字(zi)礦(kuang)山測量、數字(zi)文(wen)化(hua)遺產、精密工(gong)業測量等領域提供完(wan)整的信息化(hua)解決方案與(yu)服務，為數字(zi)三(san)維世(shi)界建設與(yu)應用提供技術支(zhi)撐。

　　圖3：HS系列高精度三(san)維(wei)激光掃(sao)描(miao)儀

　　有(you)效測(ce)程：1200米(mi)(mi)(mi)/650米(mi)(mi)(mi)/450米(mi)(mi)(mi)

　　激(ji)光發射頻率(lv)：最大(da)50萬點/秒

　　全景分(fen)辨率：7000萬像(xiang)素(su)（可選配外置相機）

　　測距精度(du)：5mm 40m

三、項(xiang)目外(wai)業思(si)路(lu)

　　體積計算的關(guan)鍵在(zai)于(yu)對目標(biao)對象表(biao)面的表(biao)述，通(tong)常是使用有限(xian)的、離散的數(shu)據(ju)來近似表(biao)述由點組(zu)成的表(biao)面。

　　基于(yu)三維(wei)(wei)激(ji)(ji)光掃描(miao)技術的測(ce)量，即利用(yong)激(ji)(ji)光測(ce)距原理，通過計(ji)算脈(mo)沖或者(zhe)相位時(shi)間差，推算出掃描(miao)中(zhong)心距目標(biao)斜距，再配(pei)合同(tong)(tong)時(shi)記(ji)錄下的激(ji)(ji)光束的水平角、垂直角解(jie)算物體表面激(ji)(ji)光點(dian)的三維(wei)(wei)坐標(biao)，同(tong)(tong)時(shi)記(ji)錄激(ji)(ji)光點(dian)反射(she)強度(du)值，實現全自動陣列式高速、實時(shi)掃描(miao)。

　　基于獲(huo)取的目(mu)(mu)標(biao)表面(mian)海量點云(yun)數據(ju)，采用(yong)一定的數學計算方法擬合出目(mu)(mu)標(biao)表面(mian)函(han)數，即可求取目(mu)(mu)標(biao)對象(xiang)的表面(mian)積。

　　（一）表面積計(ji)算(suan)方法

　　由于(yu)通過三維激光掃(sao)描技術(shu)獲(huo)得的目(mu)標表面點云為離散點，需要對其進行表面擬合才能用(yong)于(yu)表面積(ji)計算。

　　（二）三(san)維激光掃描儀測量

　　三(san)(san)維(wei)激(ji)光(guang)掃描(miao)采用HS1200，在實(shi)施(shi)三(san)(san)維(wei)激(ji)光(guang)掃描(miao)時(shi)采取(qu)的基(ji)本方法為：

　　1.分站掃(sao)描

　　充(chong)分考慮通視和覆(fu)蓋，設定不同(tong)的測站實(shi)施三維激光(guang)點云獲取(qu)。

　　2.后視定(ding)向(xiang)標靶測量

　　為了(le)將各測(ce)站的(de)三維(wei)激光掃描數(shu)據拼接整合成全區(qu)域的(de)三維(wei)點云，使用RTK直(zhi)接測(ce)得(de)布設(she)點的(de)三維(wei)坐標，在激光掃描過程(cheng)中，將掃描儀及后視靶標架設(she)在已知點上，通過數(shu)據預處理可得(de)到各測(ce)站點云在獨(du)立坐標系(xi)下的(de)三維(wei)坐標。

　　3.掃描參(can)數設定

　　10個測(ce)站設定(ding)相同(tong)的(de)三(san)維(wei)激光掃描參數。

　　（三）項目實施

　　在凹槽(cao)區域架(jia)站(zhan)進行數(shu)據采(cai)集(ji)選擇室外模式(shi)，頻率選擇100kHz，時間控制在10分鐘，這樣可(ke)以減少架(jia)站(zhan)且測得點(dian)云效果更(geng)好，在凹槽(cao)區域，為了(le)采(cai)集(ji)數(shu)據完全，應多架(jia)站(zhan)，特殊(shu)情況下需(xu)要在垃圾堆頂(ding)部架(jia)站(zhan)。

　　圖4：HS1200垃(la)圾堆頂部采(cai)集(ji)數(shu)據

四、項目內業思路

　　（一）激光點云拼接

　　激光點(dian)云(yun)(yun)拼(pin)接(jie)(jie)的(de)(de)過程(cheng)，實質(zhi)是將點(dian)云(yun)(yun)的(de)(de)坐(zuo)(zuo)標系(xi)(xi)(xi)統由掃(sao)(sao)描(miao)儀(yi)自身坐(zuo)(zuo)標系(xi)(xi)(xi)轉換(huan)為獨立坐(zuo)(zuo)標系(xi)(xi)(xi)。由于HS1200每(mei)(mei)一(yi)次掃(sao)(sao)描(miao)的(de)(de)數(shu)(shu)據都是使用其自身所(suo)設定的(de)(de)掃(sao)(sao)描(miao)儀(yi)坐(zuo)(zuo)標系(xi)(xi)(xi)統，所(suo)以需要利用每(mei)(mei)一(yi)站的(de)(de)后(hou)視靶(ba)標球來(lai)將點(dian)云(yun)(yun)坐(zuo)(zuo)標轉換(huan)為絕對坐(zuo)(zuo)標，從而將所(suo)有點(dian)云(yun)(yun)均(jun)置于統一(yi)的(de)(de)地(di)理坐(zuo)(zuo)標系(xi)(xi)(xi)下(xia)，拼(pin)接(jie)(jie)后(hou)的(de)(de)整體點(dian)云(yun)(yun)如(ru)圖數(shu)(shu)據成果：

　　圖5：局部細化點云效(xiao)果圖

　　對單站數據進行查漏補(bu)缺，沒有采(cai)集(ji)到(dao)的區(qu)域需要進行補(bu)采(cai)。

　　圖6：測區多測站點云(yun)數(shu)據

　　單站(zhan)數據后視定向(xiang)，每站(zhan)運用掃(sao)描儀(yi)上面RTK定位，精(jing)掃(sao)標(biao)靶定向(xiang)。這樣多(duo)測站(zhan)直接(jie)(jie)在同一個(ge)統一的坐標(biao)系下完成了(le)拼接(jie)(jie)工(gong)作。

　　（二）點云裁切、噪聲剔除

　　在點(dian)(dian)(dian)云(yun)數(shu)(shu)(shu)據獲取(qu)過程中，因為采用的是360°全方位掃描，所以不可避(bi)免地產生了(le)較多冗(rong)余數(shu)(shu)(shu)據以及噪聲數(shu)(shu)(shu)據，因而需要對點(dian)(dian)(dian)云(yun)數(shu)(shu)(shu)據進行裁(cai)切并剔除噪聲點(dian)(dian)(dian)。采用配套HD SCENE軟件將激(ji)光掃描數(shu)(shu)(shu)據逐(zhu)站導入，通過軟件的矩形、多邊形選擇點(dian)(dian)(dian)云(yun)等功能選中冗(rong)余及噪聲數(shu)(shu)(shu)據刪(shan)除即可。

圖(tu)7：整(zheng)體去噪點(dian)云數(shu)據

　　由于多余(yu)的點(dian)云數據會影響DEM數據從而影響整體(ti)方量(liang)計(ji)算，所以(yi)需要對掃描場景(jing)中的電線桿、垃圾運(yun)輸(shu)車、行人等噪點(dian)進(jin)行剔除。

　　（三）點云濾波

　　由于工程范圍內，有各種附著物覆蓋(gai)，為(wei)了得到(dao)真實(shi)的(de)(de)(de)地(di)(di)表(biao)數(shu)(shu)(shu)據(ju)，使得計(ji)算結果更加(jia)接近真實(shi)值(zhi)(zhi)，需(xu)要(yao)進行點(dian)(dian)云(yun)的(de)(de)(de)地(di)(di)表(biao)點(dian)(dian)和非(fei)地(di)(di)表(biao)點(dian)(dian)分離刪(shan)除(chu)，也即(ji)點(dian)(dian)云(yun)數(shu)(shu)(shu)據(ju)的(de)(de)(de)濾波。所以，需(xu)要(yao)創建一(yi)個光柵矩(ju)陣模(mo)型(xing)并覆蓋(gai)整個測區，并根據(ju)柵格網設置(zhi)密度的(de)(de)(de)節點(dian)(dian)尋找到(dao)該(gai)節點(dian)(dian)Ｚ值(zhi)(zhi)最(zui)低的(de)(de)(de)點(dian)(dian)數(shu)(shu)(shu)據(ju)，通過(guo)這點(dian)(dian)再建立一(yi)個粗略的(de)(de)(de)地(di)(di)形模(mo)型(xing)，用于分離地(di)(di)表(biao)及(ji)非(fei)地(di)(di)表(biao)點(dian)(dian)。通過(guo)點(dian)(dian)云(yun)拼接、裁切(qie)、噪聲濾除(chu)、濾波，改變柵格網的(de)(de)(de)密度及(ji)表(biao)面模(mo)型(xing)，比較最(zui)大和最(zui)小值(zhi)(zhi)迭代計(ji)算，直到(dao)表(biao)面模(mo)型(xing)及(ji)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)過(guo)濾完(wan)善，即(ji)可得到(dao)非(fei)常(chang)完(wan)善的(de)(de)(de)數(shu)(shu)(shu)字地(di)(di)表(biao)模(mo)型(xing)數(shu)(shu)(shu)據(ju)點(dian)(dian)云(yun)。

　　圖8：整體測區DEM

　　利用HD 3LS SCENE軟(ruan)件將剔除(chu)，直接(jie)計算出(chu)目的區域DEM，按實體模型渲染。

　　（四）表面積、體積計算

　　在計算過程中(zhong)，如果(guo)格(ge)網(wang)(wang)設(she)(she)置太大，則(ze)格(ge)網(wang)(wang)不(bu)(bu)能很好地(di)反(fan)映地(di)形變化(hua)，易(yi)導致(zhi)計算不(bu)(bu)準確；如果(guo)格(ge)網(wang)(wang)設(she)(she)置太小，計算易(yi)受到表面噪聲點(dian)影響，亦造成計算不(bu)(bu)準確，根據以(yi)往經驗，當(dang)格(ge)網(wang)(wang)大小為0.03m時(shi)，計算結果(guo)與真實值(zhi)最接近。

　　圖10：堆體體積計算

　　計算(suan)(suan)結(jie)果(guo)表(biao)明：基(ji)于三(san)維(wei)激光(guang)掃(sao)(sao)描技術計算(suan)(suan)得到的(de)(de)(de)(de)總體積為(wei)1327390.981立(li)方(fang)(fang)米，而根據客戶反饋通過(guo)稱重反算(suan)(suan)真實總體積為(wei)1327485.667立(li)方(fang)(fang)米，二(er)者的(de)(de)(de)(de)偏差(cha)量約占(zhan)總體積的(de)(de)(de)(de)1%。因此，采用三(san)維(wei)激光(guang)掃(sao)(sao)描方(fang)(fang)式精確獲取(qu)目標對(dui)象體積的(de)(de)(de)(de)方(fang)(fang)案(an)是(shi)可行的(de)(de)(de)(de)，而相比于傳統方(fang)(fang)式，三(san)維(wei)激光(guang)掃(sao)(sao)描方(fang)(fang)式的(de)(de)(de)(de)效(xiao)率更高(gao)，尤(you)其是(shi)對(dui)于大范(fan)圍的(de)(de)(de)(de)表(biao)面積量算(suan)(suan)、體積計算(suan)(suan)，其優(you)勢更加(jia)明顯。

五(wu)、項目總結

　　三(san)維(wei)激(ji)光掃(sao)(sao)描技(ji)術應用于垃(la)圾填埋場測量任務(wu)可以大幅節(jie)約外業測量工(gong)作，直接獲(huo)取地(di)(di)面物(wu)體的地(di)(di)形三(san)維(wei)信息(xi)，具(ju)有(you)周期短(duan)、勞(lao)動強(qiang)度(du)低、工(gong)序少(shao)、測量數據精(jing)度(du)高等優點。結果(guo)說(shuo)明(ming)三(san)維(wei)激(ji)光掃(sao)(sao)描技(ji)術在高精(jing)度(du)表面積、體積測量中應用的可行性及應用潛力。

　　最終統(tong)計出垃圾填(tian)埋方量，根據(ju)實際需求確定采集周期(qi)，定期(qi)更新變化區域數(shu)據(ju)，方便統(tong)一管理(li)，配合(he)其(qi)他職(zhi)能(neng)部(bu)門做好統(tong)籌規劃。