解決方案
始終致(zhi)力于高(gao)精度三維激光系列產品開(kai)發、應用服務與產業(ye)化,為(wei)用戶提供(gong)多行業、全場景解(jie)決方案。
三維激光掃描技術在城市垃圾填埋場測量方面的應用
據過(guo)往數據可(ke)知,我(wo)國每年產生(sheng)(sheng)近(jin)10億噸垃圾,垃圾總(zong)量世(shi)界上數一數二,如何減量化、資源化及(ji)無害化處(chu)理是大家(jia)普遍關(guan)注的問題。其中(zhong),衛生(sheng)(sheng)填埋是現階(jie)段最普遍的方式之(zhi)一。
如何快速統計(ji)(ji)垃圾(ji)填埋的吞(tun)吐量(liang)計(ji)(ji)算問(wen)題(ti)的實(shi)質是表面積量(liang)、體(ti)積計(ji)(ji)算,準確、快速、高(gao)精度計(ji)(ji)算出目標(biao)體(ti)積對于工程(cheng)預結(jie)算具有(you)十分重要的意義。采用(yong)傳(chuan)統方式測量(liang)導線點高(gao)程(cheng)與獲取鉆孔數(shu)據(ju)來計(ji)(ji)算土方量(liang),但不適用(yong)于復(fu)雜(za)表面的體(ti)積計(ji)(ji)算,且(qie)計(ji)(ji)算誤差會(hui)隨著復(fu)雜(za)程(cheng)度的增加而增大。
利(li)用(yong)三維激光掃描技(ji)術(shu)快速準確地獲(huo)取目標表面(mian)(mian)(mian)的特征(zheng)信息,通過點云濾波及分(fen)片雙(shuang)線性插值函數擬合目標的曲(qu)面(mian)(mian)(mian),進(jin)而通過曲(qu)面(mian)(mian)(mian)積分(fen)獲(huo)得目標對(dui)象的表面(mian)(mian)(mian)積,并對(dui)表面(mian)(mian)(mian)積量算(suan)的絕對(dui)精(jing)度進(jin)行評(ping)定。
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。