圖1：垃圾填埋場區(qū)域圖

　　圖2：垃圾填埋場側(cè)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(qū)環(huán)山而建，區(qū)域面積近1平方公里，預(yù)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(shù)字化管理以及預(yù)警。

　　測區(qū)概況：測區(qū)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(qū)在建設(shè)初期有布設(shè)點，可以進行后期的坐標轉(zhuǎn)換。

　　工期安排：數(shù)據(jù)采集一天，內(nèi)業(yè)處理半天。

二、設(shè)備一覽表

　　HS系列高精度三維激光掃描儀是海達數(shù)云完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度靜態(tài)三維激光系統(tǒng)。該設(shè)備具有高精度、高頻率、長距離等特點，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、數(shù)字城市建模、數(shù)字礦山測量、數(shù)字文化遺產(chǎn)、精密工業(yè)測量等領(lǐng)域提供完整的信息化解決方案與服務(wù)，為數(shù)字三維世界建設(shè)與應(yīng)用提供技術(shù)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(fā)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(yè)思路

　　體積計算的關(guān)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(shù)據(jù)來近似表述由點組成的表面。

　　基于三維激光掃描技術(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)，采用一定的數(shù)學(xué)計算方法擬合出目標表面函數(shù)，即可求取目標對象的表面積。

　?。ㄒ唬┍砻娣e計算方法

　　由于通過三維激光掃描技術(shù)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。

　?。ǘ┤S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(shè)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(shù)據(jù)拼接整合成全區(qū)域的三維點云，使用RTK直接測得布設(shè)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(shè)在已知點上，通過數(shù)據(jù)預(yù)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(shù)設(shè)定

　　10個測站設(shè)定相同的三維激光掃描參數(shù)。

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　　在凹槽區(qū)域架站進行數(shù)據(jù)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(qū)域，為了采集數(shù)據(jù)完全，應(yīng)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(shù)據(jù)

四、項目內(nèi)業(yè)思路

　　（一）激光點云拼接

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

　　圖5：局部細化點云效果圖

　　對單站數(shù)據(jù)進行查漏補缺，沒有采集到的區(qū)域需要進行補采。

　　圖6：測區(qū)多測站點云數(shù)據(jù)

　　單站數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(chǎn)生了較多冗余數(shù)據(jù)以及噪聲數(shù)據(jù)，因而需要對點云數(shù)據(jù)進行裁切并剔除噪聲點。采用配套HD SCENE軟件將激光掃描數(shù)據(jù)逐站導(dǎo)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(shù)據(jù)刪除即可。

圖7：整體去噪點云數(shù)據(jù)

　　由于多余的點云數(shù)據(jù)會影響DEM數(shù)據(jù)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(nèi)，有各種附著物覆蓋，為了得到真實的地表數(shù)據(jù)，使得計算結(jié)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(shù)據(jù)的濾波。所以，需要創(chuàng)建一個光柵矩陣模型并覆蓋整個測區(qū)，并根據(jù)柵格網(wǎng)設(shè)置密度的節(jié)點尋找到該節(jié)點Ｚ值最低的點數(shù)據(jù)，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(wǎng)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(shù)字地表模型數(shù)據(jù)點云。

　　圖8：整體測區(qū)DEM

　　利用HD 3LS SCENE軟件將剔除，直接計算出目的區(qū)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(wǎng)設(shè)置太大，則格網(wǎng)不能很好地反映地形變化，易導(dǎo)致計算不準確；如果格網(wǎng)設(shè)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(jù)以往經(jīng)驗，當格網(wǎng)大小為0.03m時，計算結(jié)果與真實值最接近。

　　圖10：堆體體積計算

　　計算結(jié)果表明：基于三維激光掃描技術(shù)計算得到的總體積為1327390.981立方米，而根據(jù)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(tǒng)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(yōu)勢更加明顯。

五、項目總結(jié)

　　三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于垃圾填埋場測量任務(wù)可以大幅節(jié)約外業(yè)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(shù)據(jù)精度高等優(yōu)點。結(jié)果說明三維激光掃描技術(shù)在高精度表面積、體積測量中應(yīng)用的可行性及應(yīng)用潛力。

　　最終統(tǒng)計出垃圾填埋方量，根據(jù)實際需求確定采集周期，定期更新變化區(qū)域數(shù)據(jù)，方便統(tǒng)一管理，配合其他職能部門做好統(tǒng)籌規(guī)劃。