CN111595403A - 一种基于点云测量技术的工程土方计量方法 - Google Patents

一种基于点云测量技术的工程土方计量方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，采用微积分思想，在操作快速方便的基础上，显著提高了计算精度和计算效率，具有较强的鲁棒性，适用于各类常见土方工程场景，其计算精度取决于输入的三维地形数据本身的质量，该方法可实现高度自动化，只需输入设计数字三维曲面、水下测量数据和投影点阵排布参数，显著减少了人工操作，特别的，该方法涉及点云处理，可与激光扫描技术、无人机摄影技术等新技术兼容耦合，具备良好扩展性。

Description

一种基于点云测量技术的工程土方计量方法
技术领域
本发明涉及土方量计算方法技术领域，更具体地，涉及一种基于点云测量技术的工程土方计量方法。
背景技术
在土木工程领域，土方计量作为施工和结算的重要依据，贯穿全施工周期。经典的土方量计算方法包括断面法、方格网法和不规则三角网格法。
断面法常用于道路、河堤等狭长区域的土方计算。依据工程设计资料选取若干典型工程断面，并假定相邻断面之间均匀变化。该方法本质上是一种简化模型，仅适用于简单施工情形。当地形较复杂时，计算结果与实际土方量之间存在较大误差。
方格网法常用于地形起伏较小、坡度变化平缓的场地的土方计算。将场地划分为若干正方形格网，然后计算每个四棱柱的体积，从而将所有四棱柱的体积汇总得到总的土方量。该方法划分的正方形格网覆盖区域面积较大，因而对场地地形要求严苛。同时，该方法对异形区域几何边界处的计算处理十分繁琐。
不规则三角网格(TIN)是数字地面模型(DTM)的表现形式之一。该方法利用实测地形特征点构建三角形格网，对计算区域按三棱柱法计算土方。该方法计算的精度和效率取决于不规则三角形网格的网格剖分质量，对工程技术人员要求较高。
另一方面，土方工程测量常采用水准仪、全站仪以及GPS-RTK测量等常规技术。随着计算机算力的提升和智能算法的发展，近年来多波束测量、激光扫描测量、无人机摄影测量等新兴技术也越来越多的被应用于土木工程领域。有别于常规技术，这类新兴技术基于点云测量数据集。而传统土方计量方法在设计之初并未考虑到点云数据集的输入，不能有效地、充分地对输入数据加以利用，不利于实际生产施工。
发明内容
本发明提供一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，以解决现有土方计量方法误差大、鲁棒性差、需大量人工干预的技术问题。
根据本发明的一个方面，提供一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，包括以下步骤：
S1，基于目标三维地形曲面数据、初始三维地形曲面数据和阶段三维地形曲面数据，通过三维曲面插值法，以获取目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云；
S2，分别对所述构造点云的水平投影，采用三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理，以获取得到投影点阵构造格网；
S3，计算格网柱柱体微元体积差值，以判断是挖方或是填方；
S4，将格网划分形成的棱柱体微元作差后的体积值，按正负值分别累加求和，以获取工程土方量。
在上述方案基础上优选，所述步骤S2详细步骤为：
S21，分别对目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云投影，以获取目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵、初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵和阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵；
S22，采用三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理，以获取得到投影点阵构造格网。
在上述方案基础上优选，S22中采用三角形格网微分微分处理的具体方法是，以目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成目标地形曲面的投影点阵构造格网；以初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成初始三维地形曲面的投影点阵构造格网；以阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网。
在上述方案基础上优选，S22中采用泰森多边形格网微分处理的具体方法是，以目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵为输入数据，采用Voronoi函数对计算区域投影平面进行剖分，形成目标地形曲面的投影点阵构造格网；以初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵为输入数据，采用Voronoi函数对计算区域投影平面进行剖分，形成初始三维地形曲面的投影点阵构造格网；以阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网。
在上述方案基础上优选，所述步骤S3具体步骤为：
将初始三维地形曲面的投影点阵构造格网微元减去阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网微元，当差值大于零时，为挖方；当差值小于零时，为填方。
在上述方案基础上优选，所述步骤S3具体步骤为：
将阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网微元减去目标地形曲面的投影点阵构造格网，当值大于容许欠挖值时，为挖方；当值大于容许超挖值时，为填方。
在上述方案基础上优选，所述目标三维地形曲面数据，是依据设计资料，基于BIM技术构建工程项目的设计数字三维曲面模型，采用编程手段将曲面控制线上的控制点提取出来，形成点云数据。
在上述方案基础上优选，所述初始三维地形曲面数据是在进场施工前，采用点云测量技术，进行地形表面数据采集工作，对数据进行校准、修正后，形成初始地形点云数据。
在上述方案基础上优选，所述阶段三维地形曲面数据是在施工周期内，需要进行阶段性测量时，采用点云测量技术，进行地形表面数据采集工作，对数据进行校准、修正后，形成阶段地形点云数据。
本发明的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，采用微积分思想，在操作快速方便的基础上，显著提高了计算精度和计算效率，具有较强的鲁棒性，适用于各类常见土方工程场景，其计算精度取决于输入的三维地形数据本身的质量，该方法可实现高度自动化，只需输入设计数字三维曲面、水下测量数据和投影点阵排布参数，显著减少了人工操作，特别的，该方法涉及点云处理，可与激光扫描技术、无人机摄影技术等新技术兼容耦合，具备良好扩展性。
附图说明
图1为本发明基于点云测量技术的工程土方计量方法流程示意图；
图2a为本发明实施例一中未加工的点云示意图；
图2b为本发明实施例一中未加工的点云示意图；
图3a为本发明实施例一中构造点云示意图；
图3b为本发明实施例一中未加工的点云示意图；
图4a为本发明实施例一中三角形格网示意图
图4b为本发明实施例一中三角形格网示意图
图4c为本发明实施例一中三角形格网示意图；
图5为本发明实施例一中三角形格网下棱柱体挖填方体积计算示意图；
图6a为本发明实施例一中泰森多边形格网示意图；
图6b为本发明实施例一中泰森多边形格网示意图；
图6c为本发明实施例一中泰森多边形格网示意图；
图7为本发明实施例一中泰森多边形格网下棱柱体超欠挖高度及体积计算示意图；
图8a为本发明实施例二中未加工的点云示意图；
图8b为本发明实施例二中未加工的点云示意图；
图9a为本发明实施例二中构造点云示意图
图9b为本发明实施例二中构造点云示意图；
图10为本发明实施例二中三角形格网示意图；
图11为本发明实施例二中泰森多边形格网示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一
请参阅图1，本发明的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，包括以下步骤：
S1，基于目标三维地形曲面数据、初始三维地形曲面数据和阶段三维地形曲面数据，通过三维曲面插值法，以获取目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云；
S2，分别对所述构造点云的水平投影，采用三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理，以获取得到投影点阵构造格网；
S3，计算格网柱柱体微元体积差值，以判断是挖方或是填方；
S4，将格网划分形成的棱柱体微元作差后的体积值，按正负值分别累加求和，以获取工程土方量。
其中，在步骤S1中涵盖两个方面的地形数据，一为工程设计人员所交付的设计资料中希望通过工程施工实现的目标三维地形曲面数据，二为通过工程测量手段所获取的实际现场初始地形三维曲面数据。
而本发明的目标三维地形曲面数据，是依据设计资料，基于BIM技术构建工程项目的设计数字三维曲面模型，采用编程手段将曲面控制线上的控制点提取出来，形成点云数据。
初始三维地形曲面数据是在进场施工前，采用点云测量技术，进行地形表面数据采集工作，对数据进行校准、修正后，形成初始地形点云数据。
阶段三维地形曲面数据是在施工周期内，需要进行阶段性测量时，采用点云测量技术，进行地形表面数据采集工作，对数据进行校准、修正后，形成阶段地形点云数据。
而通过上述方法得到的目标三维地形曲面数据、初始三维地形曲面数据和阶段三维地形曲面数据，其排列比较杂乱，如图2a和图2b所示，为了保证数据处理的准确性，本发明采用三维曲面差值法对目标三维地形曲面数据、初始三维地形曲面数据和阶段三维地形曲面数据进行处理，分别形成目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云，如图3a和图3b所示。以下以目标三维地形曲面数据为例，详细说明其处理步骤。
首先，设置目标三维地形曲面数据的三维点云在水平面投影点阵的排布参数，其中。参数包括最小四元点阵的长边长度L1、短边长度L2及两边夹角θ，如图3b所示，本实施例取L1＝L2＝0.3，θ＝90°；
然后，生成研究区域内的三维点云，即输入投影点的(x，y)坐标，查询三维曲面在该处的z坐标；若z坐标值非空，输出(x，y，z)；循环遍历点阵中的点，可得到目标三维地形曲面数据的构造点云。
本发明的步骤S2详细步骤为：
S21，分别对目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云投影，以获取目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵、初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵和阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵；
S22，采用三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理，以获取得到投影点阵构造格网。
在S22中采用三角形格网微分微分处理的具体方法是，以目标地形曲面的构造点云(图3b)在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成目标地形曲面的投影点阵构造格网(图4a)；以初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成初始三维地形曲面的投影点阵构造格网(图4b)；以阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网(图4c)。
值得说明的是，以构造点云中的点为格网节点，棱柱体三角形顶面与三维地形曲面走势一致，与水平面之间可能存在夹角。
而在步骤S3具体步骤为：
将初始三维地形曲面的投影点阵构造格网微元减去阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网微元，当差值大于零时，为挖方；当差值小于零时，为填方。记ΔV＝VABCDEF-VA'B'C'DEF。当ΔV>0时，为挖方；当ΔV<0时，为填方，对于本实施例，ΔV＝0.32*(ΔHA+ΔHB+ΔHC)/6，具体如图5所示。
在S22中采用泰森多边形格网微分处理的具体方法是，以目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵为输入数据，采用Voronoi函数对计算区域投影平面进行剖分，形成目标地形曲面的投影点阵构造格网(图6a)；以初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵为输入数据，采用Voronoi函数对计算区域投影平面进行剖分，形成初始三维地形曲面的投影点阵构造格网(图6b)；以阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网(图6c)。
步骤S3具体步骤为：
将阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网微元减去目标地形曲面的投影点阵构造格网，当值大于容许欠挖值时，为挖方；当值大于容许超挖值时，为填方。
一般的，按工程验收标准会分别设置一个容许欠挖值|H1|和一个容许超挖值|H2|，记ΔH＝HA-HA'。当ΔH>|H1|时，为欠挖；当ΔH<-|H2|时，为超挖，对于本实施例，VA-VA'＝0.32*ΔH，具体如图7所示。
而在步骤S4中，意图应用体积积分思想，将格网划分形成的棱柱体微元作差后的体积值，按正负值分别累加求和，以得到工程土方量。
实施例二
一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，在进行超欠挖计算和土方量校核计算时，对于构造点云投影点阵中点的平面密度的要求是不一致的。
对于一般土方工程，依据实施例一所述步骤，可由未加工点云(图8a和图8b)生成构造点云(图9a和图9b)。而由构造点云生成微分格网时，三角形格网(图10)对于构造点云的投影点阵中点的平面密度的要求，较之泰森多边形格网(图11)会更低一些。
与现有技术相比较，本发明的一种基于点云测量技术的工程土方计算方法，本发明采用的是三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理以获取投影点阵构造格网。与传统的方格网和不规则三角网格比较，该方法将设计资料和多期测量获取的点云数据通过三维插值方法重新构造，整合为统一的投影点阵分布，从而使格网剖分得以更加细致，工程量计算标准相统一。其处理更加接近实际工程量。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，基于目标三维地形曲面数据、初始三维地形曲面数据和阶段三维地形曲面数据，通过三维曲面插值法，以获取目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云；
S2，分别对所述构造点云的水平投影，采用三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理，以获取得到投影点阵构造格网；
S3，计算格网柱柱体微元体积差值，以判断是挖方或是填方；
S4，将格网划分形成的棱柱体微元作差后的体积值，按正负值分别累加求和，以获取工程土方量。
2.如权利要求1所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，所述步骤S2详细步骤为：
S21，分别对目标地形曲面的构造点云、初始三维地形曲面的构造点云和阶段三维地形曲面的构造点云投影，以获取目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵、初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵和阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵；
S22，采用三角形格网微分或泰森多边形格网微分处理，以获取得到投影点阵构造格网。
3.如权利要求2所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，S22中采用三角形格网微分微分处理的具体方法是，以目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成目标地形曲面的投影点阵构造格网；以初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成初始三维地形曲面的投影点阵构造格网；以阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网。
4.如权利要求2所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于：S22中采用泰森多边形格网微分处理的具体方法是，以目标地形曲面的构造点云在水平面投影点阵为输入数据，采用Voronoi函数对计算区域投影平面进行剖分，形成目标地形曲面的投影点阵构造格网；以初始三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵为输入数据，采用Voronoi函数对计算区域投影平面进行剖分，形成初始三维地形曲面的投影点阵构造格网；以阶段三维地形曲面的构造点云在水平面投影点阵中最小三元点阵为顶点构建三角形网格，依次连接点阵中所有的点形成阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网。
5.如权利要求3所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，所述步骤S3具体步骤为：
将初始三维地形曲面的投影点阵构造格网微元减去阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网微元，当差值大于零时，为挖方；当差值小于零时，为填方。
6.如权利要求4所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，所述步骤S3具体步骤为：
将阶段三维地形曲面的投影点阵构造格网微元减去目标地形曲面的投影点阵构造格网，当差值大于容许欠挖值时，为挖方；当差值大于容许超挖值时，为填方。
7.如权利要求1所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，所述目标三维地形曲面数据，是依据设计资料，基于BIM技术构建工程项目的设计数字三维曲面模型，采用编程手段将曲面控制线上的控制点提取出来，形成点云数据。
8.如权利要求1所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，所述初始三维地形曲面数据是在进场施工前，采用点云测量技术，进行地形表面数据采集工作，对数据进行校准、修正后，形成初始地形点云数据。
9.如权利要求1所述的一种基于点云测量技术的工程土方计量方法，其特征在于，所述阶段三维地形曲面数据是在施工周期内，需要进行阶段性测量时，采用点云测量技术，进行地形表面数据采集工作，对数据进行校准、修正后，形成阶段地形点云数据。
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