圖1：垃(la)圾填埋場區域圖

　　圖2：垃圾填埋場側視圖

一、項目概述

　　項目地點(dian)：南方(fang)(fang)某城(cheng)市最大的(de)垃圾填(tian)埋場。遠離市區環(huan)山而建(jian)，區域面(mian)積近(jin)1平方(fang)(fang)公(gong)里，預計(ji)使用(yong)年(nian)限(xian)為20年(nian)。

　　待解(jie)決問題(ti)：隨著(zhu)生活垃圾(ji)的急劇增加，急需解(jie)決垃圾(ji)填埋進行(xing)數(shu)字化管理以及預(yu)警。

　　測區(qu)概況(kuang)：測區(qu)分為兩部(bu)分，一(yi)部(bu)分為凹槽是(shi)由于垃圾(ji)填埋較少形成(cheng)的空洞，一(yi)部(bu)分凸出是(shi)由于垃圾(ji)填埋過多(duo)形成(cheng)的堆體。測區(qu)在建(jian)設初(chu)期有布設點，可以進行后期的坐標轉換。

　　工期安排：數據采(cai)集一天(tian)，內業處理半(ban)天(tian)。

二、設備一覽(lan)表(biao)

　　HS系列高精度三(san)(san)維激光掃(sao)描(miao)儀是海達數(shu)云完全自主知識產權的(de)高精度靜態三(san)(san)維激光系統。該(gai)設備具(ju)有高精度、高頻率、長距(ju)離等(deng)特點，廣泛應(ying)用(yong)于(yu)地質災害監測、數(shu)字城市建(jian)(jian)模、數(shu)字礦山(shan)測量、數(shu)字文化(hua)遺(yi)產、精密(mi)工業測量等(deng)領域提供(gong)完整(zheng)的(de)信息化(hua)解決(jue)方案與服務，為數(shu)字三(san)(san)維世界建(jian)(jian)設與應(ying)用(yong)提供(gong)技術支撐(cheng)。

　　圖(tu)3：HS系(xi)列高精度(du)三維激光(guang)掃描儀

　　有效測(ce)程(cheng)：1200米/650米/450米

　　激光發射頻(pin)率：最大50萬(wan)點/秒(miao)

　　全景分辨率(lv)：7000萬像素（可選配(pei)外置相機(ji)）

　　測距精(jing)度：5mm 40m

三、項目外業思路

　　體積(ji)計算的關(guan)鍵在(zai)于對目標對象(xiang)表面的表述，通常(chang)是(shi)使用有限(xian)的、離散的數(shu)據來近似表述由點(dian)組成(cheng)的表面。

　　基(ji)于三(san)(san)維(wei)激(ji)(ji)光(guang)掃(sao)描技術的測量，即(ji)利用激(ji)(ji)光(guang)測距原理，通(tong)過計算脈沖或者相(xiang)位時(shi)間差，推算出掃(sao)描中心距目標斜距，再(zai)配合同時(shi)記錄下的激(ji)(ji)光(guang)束的水平角(jiao)、垂(chui)直角(jiao)解算物體表(biao)面激(ji)(ji)光(guang)點(dian)的三(san)(san)維(wei)坐標，同時(shi)記錄激(ji)(ji)光(guang)點(dian)反射強度(du)值，實(shi)現全自動陣列式(shi)高速、實(shi)時(shi)掃(sao)描。

　　基(ji)于獲取的(de)(de)目標表(biao)(biao)面(mian)海量點(dian)云數據(ju)，采用一定的(de)(de)數學計算方法擬合(he)出目標表(biao)(biao)面(mian)函數，即可(ke)求(qiu)取目標對象的(de)(de)表(biao)(biao)面(mian)積(ji)。

　　（一(yi)）表面積計算方法

　　由于通(tong)過三(san)維激光掃描技(ji)術獲得的(de)目(mu)標表面(mian)點云(yun)為離散點，需要對其進行表面(mian)擬(ni)合才能(neng)用(yong)于表面(mian)積計算。

　　（二）三維激光掃描(miao)儀(yi)測量

　　三維(wei)激光掃(sao)描(miao)采用(yong)HS1200，在實施三維(wei)激光掃(sao)描(miao)時采取(qu)的(de)基本方法為：

　　1.分站(zhan)掃(sao)描

　　充分考慮通視和覆蓋，設定不同的(de)測站(zhan)實施(shi)三(san)維激(ji)光點(dian)云(yun)獲(huo)取(qu)。

　　2.后視(shi)定向標靶測量

　　為了將(jiang)各(ge)測站的(de)三維激(ji)光(guang)掃描(miao)(miao)數據(ju)拼接(jie)整合成全區域的(de)三維點(dian)(dian)云，使用(yong)RTK直接(jie)測得布設(she)點(dian)(dian)的(de)三維坐標，在(zai)激(ji)光(guang)掃描(miao)(miao)過程中(zhong)，將(jiang)掃描(miao)(miao)儀及后(hou)視靶標架設(she)在(zai)已知點(dian)(dian)上，通過數據(ju)預處理可得到各(ge)測站點(dian)(dian)云在(zai)獨立坐標系下的(de)三維坐標。

　　3.掃描(miao)參(can)數(shu)設定

　　10個測(ce)站設定相同的三維(wei)激光(guang)掃描(miao)參(can)數(shu)。

　　（三）項目(mu)實施

　　在(zai)(zai)凹槽區域架站(zhan)進(jin)行數據采集選擇室外模式，頻率選擇100kHz，時間控制在(zai)(zai)10分鐘(zhong)，這樣可以(yi)減少(shao)架站(zhan)且測(ce)得點云效果更好，在(zai)(zai)凹槽區域，為了采集數據完全，應多(duo)架站(zhan)，特殊(shu)情況下需要在(zai)(zai)垃圾堆頂部架站(zhan)。

　　圖(tu)4：HS1200垃圾堆頂部采(cai)集(ji)數據

四(si)、項目內業思路

　　（一）激光點云拼接

　　激光(guang)點(dian)云(yun)拼(pin)(pin)接的(de)(de)過程，實質是將(jiang)(jiang)點(dian)云(yun)的(de)(de)坐(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)(xi)統(tong)由掃描儀(yi)自身坐(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)(xi)轉(zhuan)換為獨立坐(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)(xi)。由于(yu)HS1200每(mei)一(yi)(yi)次掃描的(de)(de)數據都是使(shi)用其(qi)自身所設定的(de)(de)掃描儀(yi)坐(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)(xi)統(tong)，所以需要利(li)用每(mei)一(yi)(yi)站的(de)(de)后(hou)視靶(ba)標(biao)球來將(jiang)(jiang)點(dian)云(yun)坐(zuo)(zuo)標(biao)轉(zhuan)換為絕對坐(zuo)(zuo)標(biao)，從而將(jiang)(jiang)所有(you)點(dian)云(yun)均置于(yu)統(tong)一(yi)(yi)的(de)(de)地理坐(zuo)(zuo)標(biao)系(xi)(xi)(xi)下，拼(pin)(pin)接后(hou)的(de)(de)整體點(dian)云(yun)如圖數據成果：

　　圖5：局(ju)部細化(hua)點(dian)云效果圖

　　對單站數據(ju)進行查漏(lou)補缺，沒有采集到的區(qu)域需要進行補采。

　　圖6：測區多測站點(dian)云數據

　　單站(zhan)數據后視定(ding)向，每站(zhan)運(yun)用掃(sao)描(miao)儀上(shang)面RTK定(ding)位(wei)，精掃(sao)標靶定(ding)向。這(zhe)樣多測(ce)站(zhan)直接在同(tong)一(yi)個統一(yi)的坐標系下完成了(le)拼接工作。

　　（二）點云裁切、噪聲剔除

　　在點(dian)云數據(ju)獲取過(guo)程(cheng)中，因為采用(yong)的是360°全方位掃(sao)描，所以不可避免地產(chan)生了較多冗余(yu)(yu)數據(ju)以及噪聲數據(ju)，因而需要對(dui)點(dian)云數據(ju)進行(xing)裁切(qie)并剔除噪聲點(dian)。采用(yong)配套HD SCENE軟件將激光掃(sao)描數據(ju)逐(zhu)站導入(ru)，通過(guo)軟件的矩形(xing)、多邊(bian)形(xing)選(xuan)(xuan)擇點(dian)云等功能選(xuan)(xuan)中冗余(yu)(yu)及噪聲數據(ju)刪除即可。

圖7：整體去噪點(dian)云數據

　　由于多余的點云數(shu)據會影(ying)響DEM數(shu)據從而影(ying)響整(zheng)體方量計算，所(suo)以需要對掃描場景中的電線桿、垃圾(ji)運(yun)輸車、行人等(deng)噪(zao)點進行剔(ti)除。

　　（三）點云濾波

　　由于(yu)工程范圍內，有各種(zhong)附著物覆(fu)蓋，為了(le)得(de)到真(zhen)實的地表(biao)數據(ju)，使得(de)計算結果更加接近真(zhen)實值(zhi)，需(xu)要進行點(dian)云(yun)(yun)的地表(biao)點(dian)和非地表(biao)點(dian)分離刪除，也即點(dian)云(yun)(yun)數據(ju)的濾波。所以，需(xu)要創(chuang)建一個(ge)光(guang)柵(zha)矩陣模(mo)型(xing)并覆(fu)蓋整個(ge)測(ce)區，并根據(ju)柵(zha)格網設(she)置密度(du)的節(jie)點(dian)尋找(zhao)到該節(jie)點(dian)Ｚ值(zhi)最(zui)低的點(dian)數據(ju)，通(tong)過(guo)(guo)這點(dian)再(zai)建立一個(ge)粗略的地形模(mo)型(xing)，用(yong)于(yu)分離地表(biao)及非地表(biao)點(dian)。通(tong)過(guo)(guo)點(dian)云(yun)(yun)拼接、裁切(qie)、噪聲濾除、濾波，改變柵(zha)格網的密度(du)及表(biao)面模(mo)型(xing)，比較最(zui)大和最(zui)小值(zhi)迭代計算，直(zhi)到表(biao)面模(mo)型(xing)及點(dian)的過(guo)(guo)濾完(wan)善(shan)，即可(ke)得(de)到非常完(wan)善(shan)的數字地表(biao)模(mo)型(xing)數據(ju)點(dian)云(yun)(yun)。

　　圖8：整體測區DEM

　　利(li)用HD 3LS SCENE軟件將剔除，直接計算出目的區(qu)域DEM，按實體(ti)模型渲染。

　　（四）表面積、體積計算

　　在(zai)計(ji)算(suan)(suan)過程中(zhong)，如果(guo)格網設(she)置太大(da)，則格網不能很好地反映地形變化，易導致計(ji)算(suan)(suan)不準確；如果(guo)格網設(she)置太小，計(ji)算(suan)(suan)易受到表(biao)面噪聲點影(ying)響(xiang)，亦造成計(ji)算(suan)(suan)不準確，根據以(yi)往(wang)經驗，當格網大(da)小為0.03m時，計(ji)算(suan)(suan)結(jie)果(guo)與真(zhen)實值(zhi)最接近。

　　圖(tu)10：堆體體積計(ji)算

　　計算(suan)(suan)結果表(biao)明：基(ji)于(yu)三維(wei)激光掃(sao)(sao)描(miao)技術計算(suan)(suan)得到(dao)的(de)(de)(de)總體積為(wei)1327390.981立方米，而根據客戶反(fan)饋通過稱重反(fan)算(suan)(suan)真實總體積為(wei)1327485.667立方米，二(er)者的(de)(de)(de)偏差量約占總體積的(de)(de)(de)1%。因此，采用三維(wei)激光掃(sao)(sao)描(miao)方式精確獲(huo)取(qu)目標(biao)對(dui)象體積的(de)(de)(de)方案是可(ke)行的(de)(de)(de)，而相比(bi)于(yu)傳統方式，三維(wei)激光掃(sao)(sao)描(miao)方式的(de)(de)(de)效率更高，尤其(qi)是對(dui)于(yu)大范圍(wei)的(de)(de)(de)表(biao)面積量算(suan)(suan)、體積計算(suan)(suan)，其(qi)優勢更加明顯。

五(wu)、項目總結

　　三維激光掃描(miao)技(ji)術(shu)應用于垃圾填埋場(chang)測量任(ren)務可(ke)(ke)以大(da)幅節約外(wai)業測量工作，直接(jie)獲(huo)取(qu)地面(mian)物體(ti)的(de)地形三維信息，具有(you)周期短、勞(lao)動強度低、工序少、測量數據精度高等優(you)點。結果說明三維激光掃描(miao)技(ji)術(shu)在高精度表面(mian)積、體(ti)積測量中應用的(de)可(ke)(ke)行性及應用潛力(li)。

　　最終(zhong)統計出垃圾填埋方(fang)量(liang)，根據實際(ji)需求確(que)定采(cai)集周期，定期更(geng)新變(bian)化區域數(shu)據，方(fang)便統一管理，配合其他職能部門(men)做(zuo)好統籌規劃(hua)。