圖1：垃圾填埋場區域圖

　　圖2：垃圾填埋場側視圖

一、項目概述

　　項目地點：南方某城市最大的垃圾填埋場。遠離市區環山而建，區域面積近1平方公里，預計使用年限為20年。

　　待解決問題：隨著生活垃圾的急劇增加，急需解決垃圾填埋進行數字化管理以及預警。

　　測區概況：測區分為兩部分，一部分為凹槽是由于垃圾填埋較少形成的空洞，一部分凸出是由于垃圾填埋過多形成的堆體。測區在建設初期有布設點，可以進行后期的坐標轉換。

　　工期安排：數據采集一天，內業處理半天。

二、設備一覽表

　　HS系列高精度三維激光掃描儀是海達數云完全自主知識產權的高精度靜態三維激光系統。該設備具有高精度、高頻率、長距離等特點，廣泛應用于地質災害監測、數字城市建模、數字礦山測量、數字文化遺產、精密工業測量等領域提供完整的信息化解決方案與服務，為數字三維世界建設與應用提供技術支撐。

　　圖3：HS系列高精度三維激光掃描儀

　　有效測程：1200米/650米/450米

　　激光發射頻率：最大50萬點/秒

　　全景分辨率：7000萬像素（可選配外置相機）

　　測距精度：5mm 40m

三、項目外業思路

　　體積計算的關鍵在于對目標對象表面的表述，通常是使用有限的、離散的數據來近似表述由點組成的表面。

　　基于三維激光掃描技術的測量，即利用激光測距原理，通過計算脈沖或者相位時間差，推算出掃描中心距目標斜距，再配合同時記錄下的激光束的水平角、垂直角解算物體表面激光點的三維坐標，同時記錄激光點反射強度值，實現全自動陣列式高速、實時掃描。

　　基于獲取的目標表面海量點云數據，采用一定的數學計算方法擬合出目標表面函數，即可求取目標對象的表面積。

　　（一）表面積計算方法

　　由于通過三維激光掃描技術獲得的目標表面點云為離散點，需要對其進行表面擬合才能用于表面積計算。

　　（二）三維激光掃描儀測量

　　三維激光掃描采用HS1200，在實施三維激光掃描時采取的基本方法為：

　　1.分站掃描

　　充分考慮通視和覆蓋，設定不同的測站實施三維激光點云獲取。

　　2.后視定向標靶測量

　　為了將各測站的三維激光掃描數據拼接整合成全區域的三維點云，使用RTK直接測得布設點的三維坐標，在激光掃描過程中，將掃描儀及后視靶標架設在已知點上，通過數據預處理可得到各測站點云在獨立坐標系下的三維坐標。

　　3.掃描參數設定

　　10個測站設定相同的三維激光掃描參數。

　　（三）項目實施

　　在凹槽區域架站進行數據采集選擇室外模式，頻率選擇100kHz，時間控制在10分鐘，這樣可以減少架站且測得點云效果更好，在凹槽區域，為了采集數據完全，應多架站，特殊情況下需要在垃圾堆頂部架站。

　　圖4：HS1200垃圾堆頂部采集數據

四、項目內業思路

　　（一）激光點云拼接

　　激光點云拼接的過程，實質是將點云的坐標系統由掃描儀自身坐標系轉換為獨立坐標系。由于HS1200每一次掃描的數據都是使用其自身所設定的掃描儀坐標系統，所以需要利用每一站的后視靶標球來將點云坐標轉換為絕對坐標，從而將所有點云均置于統一的地理坐標系下，拼接后的整體點云如圖數據成果：

　　圖5：局部細化點云效果圖

　　對單站數據進行查漏補缺，沒有采集到的區域需要進行補采。

　　圖6：測區多測站點云數據

　　單站數據后視定向，每站運用掃描儀上面RTK定位，精掃標靶定向。這樣多測站直接在同一個統一的坐標系下完成了拼接工作。

　　（二）點云裁切、噪聲剔除

　　在點云數據獲取過程中，因為采用的是360°全方位掃描，所以不可避免地產生了較多冗余數據以及噪聲數據，因而需要對點云數據進行裁切并剔除噪聲點。采用配套HD SCENE軟件將激光掃描數據逐站導入，通過軟件的矩形、多邊形選擇點云等功能選中冗余及噪聲數據刪除即可。

圖7：整體去噪點云數據

　　由于多余的點云數據會影響DEM數據從而影響整體方量計算，所以需要對掃描場景中的電線桿、垃圾運輸車、行人等噪點進行剔除。

　　（三）點云濾波

　　由于工程范圍內，有各種附著物覆蓋，為了得到真實的地表數據，使得計算結果更加接近真實值，需要進行點云的地表點和非地表點分離刪除，也即點云數據的濾波。所以，需要創建一個光柵矩陣模型并覆蓋整個測區，并根據柵格網設置密度的節點尋找到該節點Ｚ值最低的點數據，通過這點再建立一個粗略的地形模型，用于分離地表及非地表點。通過點云拼接、裁切、噪聲濾除、濾波，改變柵格網的密度及表面模型，比較最大和最小值迭代計算，直到表面模型及點的過濾完善，即可得到非常完善的數字地表模型數據點云。

　　圖8：整體測區DEM

　　利用HD 3LS SCENE軟件將剔除，直接計算出目的區域DEM，按實體模型渲染。

　　（四）表面積、體積計算

　　在計算過程中，如果格網設置太大，則格網不能很好地反映地形變化，易導致計算不準確；如果格網設置太小，計算易受到表面噪聲點影響，亦造成計算不準確，根據以往經驗，當格網大小為0.03m時，計算結果與真實值最接近。

　　圖10：堆體體積計算

　　計算結果表明：基于三維激光掃描技術計算得到的總體積為1327390.981立方米，而根據客戶反饋通過稱重反算真實總體積為1327485.667立方米，二者的偏差量約占總體積的1%。因此，采用三維激光掃描方式精確獲取目標對象體積的方案是可行的，而相比于傳統方式，三維激光掃描方式的效率更高，尤其是對于大范圍的表面積量算、體積計算，其優勢更加明顯。

五、項目總結

　　三維激光掃描技術應用于垃圾填埋場測量任務可以大幅節約外業測量工作，直接獲取地面物體的地形三維信息，具有周期短、勞動強度低、工序少、測量數據精度高等優點。結果說明三維激光掃描技術在高精度表面積、體積測量中應用的可行性及應用潛力。

　　最終統計出垃圾填埋方量，根據實際需求確定采集周期，定期更新變化區域數據，方便統一管理，配合其他職能部門做好統籌規劃。