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垃圾堆堆体测量如何快速监测?三维激光,您的新选择

2018 / 05 / 11
据过往数据可知,我国每年产生近10亿吨垃圾,垃圾总量世界上数一数二,如何减量化、资源化及无害化处理是大家普遍关注的问题。其中,卫生填埋是现阶段最普遍的方式之一。
每天垃圾运输成本是多少?
如何迅速统计垃圾填埋量?
如何处理成千上万吨垃圾?
如何快速统计垃圾填埋的吞吐量计算问题的实质是表面积量、体积计算,准确、快速、高精度计算出目标体积对于工程预结算具有十分重要的意义。采用传统方式测量导线点高程与获取钻孔数据来计算土方量,但不适用于复杂表面的体积计算,且计算误差会随着复杂程度的增加而增大。
利用三维激光扫描技术快速准确地获取目标表面的特征信息,通过点云滤波及分片双线性插值函数拟合目标的曲面,进而通过曲面积分获得目标对象的表面积,并对表面积量算的绝对精度进行评定。
图1:垃圾填埋场区域图

图2:垃圾填埋场侧视图
一、项目概述
项目地点:南方某城市最大的垃圾填埋场。远离市区环山而建,区域面积近1平方公里,预计使用年限为20年。
待解决问题:随着生活垃圾的急剧增加,急需解决垃圾填埋进行数字化管理以及预警。
测区概况:测区分为两部分,一部分为凹槽是由于垃圾填埋较少形成的空洞,一部分凸出是由于垃圾填埋过多形成的堆体。测区在建设初期有布设点,可以进行后期的坐标转换。
工期安排:数据采集一天,内业处理半天。
二、设备一览表
HS系列高精度三维激光扫描仪是海达数云完全自主知识产权的高精度静态三维激光系统。该设备具有高精度、高频率、长距离等特点,广泛应用于地质灾害监测、数字城市建模、数字矿山测量、数字文化遗产、精密工业测量等领域提供完整的信息化解决方案与服务,为数字三维世界建设与应用提供技术支撑。
图3:HS系列高精度三维激光扫描仪
有效测程:1200米/650米/450米
激光发射频率:最大50万点/秒
全景分辨率:7000万像素(可选配外置相机)
测距精度:5mm@40m
三、项目外业思路
体积计算的关键在于对目标对象表面的表述,通常是使用有限的、离散的数据来近似表述由点组成的表面。
基于三维激光扫描技术的测量,即利用激光测距原理,通过计算脉冲或者相位时间差,推算出扫描中心距目标斜距,再配合同时记录下的激光束的水平角、垂直角解算物体表面激光点的三维坐标,同时记录激光点反射强度值,实现全自动阵列式高速、实时扫描。
基于获取的目标表面海量点云数据,采用一定的数学计算方法拟合出目标表面函数,即可求取目标对象的表面积。
(一)表面积计算方法
由于通过三维激光扫描技术获得的目标表面点云为离散点,需要对其进行表面拟合才能用于表面积计算。
(二)三维激光扫描仪测量
三维激光扫描采用HS1200,在实施三维激光扫描时采取的基本方法为:
1.分站扫描
充分考虑通视和覆盖,设定不同的测站实施三维激光点云获取。
2.后视定向标靶测量
为了将各测站的三维激光扫描数据拼接整合成全区域的三维点云,使用RTK直接测得布设点的三维坐标,在激光扫描过程中,将扫描仪及后视靶标架设在已知点上,通过数据预处理可得到各测站点云在独立坐标系下的三维坐标。
3.扫描参数设定
10个测站设定相同的三维激光扫描参数。
(三)项目实施
在凹槽区域架站进行数据采集选择室外模式,频率选择100kHz,时间控制在10分钟,这样可以减少架站且测得点云效果更好,在凹槽区域,为了采集数据完全,应多架站,特殊情况下需要在垃圾堆顶部架站。
图4:HS1200垃圾堆顶部采集数据
四、项目内业思路
(一)激光点云拼接

激光点云拼接的过程,实质是将点云的坐标系统由扫描仪自身坐标系转换为独立坐标系。由于HS1200每一次扫描的数据都是使用其自身所设定的扫描仪坐标系统,所以需要利用每一站的后视靶标球来将点云坐标转换为绝对坐标,从而将所有点云均置于统一的地理坐标系下,拼接后的整体点云如图数据成果:

图5:局部细化点云效果图

对单站数据进行查漏补缺,没有采集到的区域需要进行补采。

图6:测区多测站点云数据
单站数据后视定向,每站运用扫描仪上面RTK定位,精扫标靶定向。这样多测站直接在同一个统一的坐标系下完成了拼接工作。
(二)点云裁切、噪声剔除
在点云数据获取过程中,因为采用的是360°全方位扫描,所以不可避免地产生了较多冗余数据以及噪声数据,因而需要对点云数据进行裁切并剔除噪声点。采用配套HD SCENE软件将激光扫描数据逐站导入,通过软件的矩形、多边形选择点云等功能选中冗余及噪声数据删除即可。
图7:整体去噪点云数据
由于多余的点云数据会影响DEM数据从而影响整体方量计算,所以需要对扫描场景中的电线杆、垃圾运输车、行人等噪点进行剔除。
(三)点云滤波
由于工程范围内,有各种附着物覆盖,为了得到真实的地表数据,使得计算结果更加接近真实值,需要进行点云的地表点和非地表点分离删除,也即点云数据的滤波。所以,需要创建一个光栅矩阵模型并覆盖整个测区,并根据栅格网设置密度的节点寻找到该节点Z值最低的点数据,通过这点再建立一个粗略的地形模型,用于分离地表及非地表点。通过点云拼接、裁切、噪声滤除、滤波,改变栅格网的密度及表面模型,比较最大和最小值迭代计算,直到表面模型及点的过滤完善,即可得到非常完善的数字地表模型数据点云。
图8:整体测区DEM
利用HD 3LS SCENE软件将剔除,直接计算出目的区域DEM,按实体模型渲染。
(四)表面积、体积计算
在计算过程中,如果格网设置太大,则格网不能很好地反映地形变化,易导致计算不准确;如果格网设置太小,计算易受到表面噪声点影响,亦造成计算不准确,根据以往经验,当格网大小为0.03m时,计算结果与真实值最接近。
图10:堆体体积计算
计算结果表明:基于三维激光扫描技术计算得到的总体积为1327390.981立方米,而根据客户反馈通过称重反算真实总体积为1327485.667立方米,二者的偏差量约占总体积的1%。因此,采用三维激光扫描方式精确获取目标对象体积的方案是可行的,而相比于传统方式,三维激光扫描方式的效率更高,尤其是对于大范围的表面积量算、体积计算,其优势更加明显。
五、项目总结
三维激光扫描技术应用于垃圾填埋场测量任务可以大幅节约外业测量工作,直接获取地面物体的地形三维信息,具有周期短、劳动强度低、工序少、测量数据精度高等优点。结果说明三维激光扫描技术在高精度表面积、体积测量中应用的可行性及应用潜力。
最终统计出垃圾填埋方量,根据实际需求确定采集周期,定期更新变化区域数据,方便统一管理,配合其他职能部门做好统筹规划。

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