地面坑体土方量检测方法

技术领域

本发明涉及土木测量的技术领域，特别涉及地面坑体土方量检测方法。

背景技术

目前，铁路、公路和大型建筑工程土方量的测量通常都是采用GPS或全站仪进行打点测量地面横断面，以测量的地面横断面为基准，计算得到土方量大小。上述土方量测量方式存在作业时间长，计算过程复杂，容易出现纰漏的问题，并且在地形复杂区域，测量人员无法进行站立打点，只能根据经验进行目测估计，导致测量误差非常大。此外，还可采用三维激光雷达进行土木测量，但是三维激光雷达设备的测量成本较高，无法在不同土木工程场合进行广泛、低成本、便捷和高精度的土方量测量。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种地面坑体土方量检测方法，对地面坑体进行三维激光扫描，得到地面坑体的三维点云数据，并生成有效三维点云数据，利用三维激光扫描设备直接对地面坑体进行三维激光扫描测量，得到地面坑体的三维点云数据，实现对地面坑体的低成本全面的测量，对地面坑体的三维形状尺寸进行精确的标定；还将有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合，并生成匹配的三维点云子空间，再拼接形成与地面坑体匹配的三维点云空间，以此构建地面坑体的三维空间模型，对地面坑体进行全面三维表征；并基于三维空间模型，确定地面坑体的土方量计算范围，以此得到地面坑体的土方量结果，降低地面坑体土方量检测的成本和提高检测便捷性与精确性。

本发明提供的地面坑体土方量检测方法，其包括如下步骤：

步骤S1，对地面坑体进行三维激光扫描，得到所述地面坑体的三维点云数据；对所述三维点云数据进行预处理，得到有效三维点云数据；

步骤S2，基于所述地面坑体的形状特征，将所述有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合；对每个三维点云数据子集合进行分析，得到与每个三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间；

步骤S3，将所有三维点云子空间拼接形成与所述地面坑体匹配的三维点云空间；基于所述三维点云空间，构建所述地面坑体的三维空间模型；

步骤S4，基于所述三维空间模型，确定所述地面坑体的土方量计算范围；基于所述土方量计算范围的边界，得到所述地面坑体的土方量结果。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S1之前，包括；

获取所述地面坑体对应的海拔高度分布信息，基于所述海拔高度分布信息，从所述地面坑体所在地面区域选定若干三维激光扫描工作点；其中，所有三维激光扫描工作点具有相同的海拔高度；

获取所有三维激光扫描工作点各自的位置坐标信息，基于所述位置坐标信息，确定所有三维激光扫描工作点相互之间的相对位置关系。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S1中，对地面坑体进行三维激光扫描，得到所述地面坑体的三维点云数据；对所述三维点云数据进行预处理，得到有效三维点云数据，包括：

基于所述相对位置关系，确定每个三维激光扫描工作点上设置的三维激光扫描设备对所述地面坑体进行三维激光扫描的扫描区域；

基于所述扫描区域的边界位置信息，指示其对应的三维激光扫描设备在相应的三维空间角度范围内对所述扫描区域进行三维激光扫描，从而得到所述扫描区域的三维点云数据；

对所述地面坑体的所有扫描区域各自对应的三维点云数据进行卡尔曼滤波预处理；再将经过所述卡尔曼滤波预处理的三维点云数据组成有效三维点云数据。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S1中，基于所述扫描区域的边界位置信息，指示其对应的三维激光扫描设备在相应的三维空间角度范围内对所述扫描区域进行三维激光扫描，包括：

基于所述扫描区域的边界位置信息，所述三维激光扫描设备所在三维激光扫描工作点的位置坐标信息以及所述三维激光扫描设备包含的激光测距仪的激光发射源相对于地面的高度信息，得到所述三维激光扫描设备对所述扫描区域进行全区域化的激光扫描操作过程中激光在三维空间形成的三维空间角度范围；

基于所述三维空间角度范围，调整所述三维激光扫描设备包含的水平旋转台和扫描振镜的工作状态；其中，调整所述水平旋转台的工作状态包括调整所述水平旋转台的水平旋转角度；调整所述扫描振镜的工作状态包括调整所述扫描振镜对来自所述激光发射源的激光束的二维反射偏转角度。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S2中，基于所述地面坑体的形状特征，将所述有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合，包括：

对所述地面坑体进行双目拍摄，得到所述地面坑体的双目影像；基于所述双目影像的双目视差，得到所述地面坑体的三维影像；

对所述三维影像进行分析，得到所述地面坑体的边界面形状、尺寸和位置朝向特征；

基于所述边界面形状、尺寸和位置朝向特征，将所述地面坑体划分为若干坑体子区域，并将位于同一坑体子区域的所有有效三维点云数据整合成三维点云数据子集合，从而得到与若干坑体子区域一一对应的若干三维点云数据子集合。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S2中，对每个三维点云数据子集合进行分析，得到与每个三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间，包括：

对每个三维点云数据子集合进行点云识别处理，得到处于所述三维点云数据子集合对应的坑体子区域的所有区域边界面上的三维点云数据；

基于所述点云识别处理得到的三维点云数据，构建与所述三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S3中，将所有三维点云子空间拼接形成与所述地面坑体匹配的三维点云空间，包括：

基于所述地面坑体包含的所有坑体子区域相互之间的相对位置关系，将所有坑体子区域各自对应的三维点云子空间拼接形成与所述地面坑体整体匹配的三维点云空间。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S3中，基于所述三维点云空间，构建所述地面坑体的三维空间模型，包括：

当存在地面坑体的施工基准面时，基于所述施工基准面，对所述三维点云空间进行点云整合，从而构建得到所述地面坑体的三维空间模型；

当不存在地面坑体的施工基准面时，将地面坑体施工前后的三维点云空间进行对比，从而构建得到所述地面坑体的三维空间模型。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S4中，基于所述三维空间模型，确定所述地面坑体的土方量计算范围，包括：

对所述三维空间模型进行三维空间外表面拟合处理，得到所述三维空间模型的三维空间外表面围蔽形成的三维空间范围，以此作为所述地面坑体的土方量计算范围。

在本申请公开的一个实施例中，在所述步骤S4中，基于所述土方量计算范围的边界，得到所述地面坑体的土方量结果，包括：

以所述土方量计算范围的边界为基准，对所述土方量计算范围进行三维空间体积积分计算，得到所述地面坑体的土方量值。

相比于现有技术，该地面坑体土方量检测方法对地面坑体进行三维激光扫描，得到地面坑体的三维点云数据，并生成有效三维点云数据，利用三维激光扫描设备直接对地面坑体进行三维激光扫描测量，得到地面坑体的三维点云数据，实现对地面坑体的低成本全面的测量，对地面坑体的三维形状尺寸进行精确的标定；还将有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合，并生成匹配的三维点云子空间，再拼接形成与地面坑体匹配的三维点云空间，以此构建地面坑体的三维空间模型，对地面坑体进行全面三维表征；并基于三维空间模型，确定地面坑体的土方量计算范围，以此得到地面坑体的土方量结果，降低地面坑体土方量检测的成本和提高检测便捷性与精确性。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的地面坑体土方量检测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1，图1为本发明实施例提供的地面坑体土方量检测方法的流程示意图。该地面坑体土方量检测方法包括如下步骤：

步骤S1，对地面坑体进行三维激光扫描，得到该地面坑体的三维点云数据；对该三维点云数据进行预处理，得到有效三维点云数据；

步骤S2，基于该地面坑体的形状特征，将该有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合；对每个三维点云数据子集合进行分析，得到与每个三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间；

步骤S3，将所有三维点云子空间拼接形成与该地面坑体匹配的三维点云空间；基于该三维点云空间，构建该地面坑体的三维空间模型；

步骤S4，基于该三维空间模型，确定该地面坑体的土方量计算范围；基于该土方量计算范围的边界，得到该地面坑体的土方量结果。

上述技术方案的有益效果为：该地面坑体土方量检测方法对地面坑体进行三维激光扫描，得到地面坑体的三维点云数据，并生成有效三维点云数据，利用三维激光扫描设备直接对地面坑体进行三维激光扫描测量，得到地面坑体的三维点云数据，实现对地面坑体的低成本全面的测量，对地面坑体的三维形状尺寸进行精确的标定；还将有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合，并生成匹配的三维点云子空间，再拼接形成与地面坑体匹配的三维点云空间，以此构建地面坑体的三维空间模型，对地面坑体进行全面三维表征；并基于三维空间模型，确定地面坑体的土方量计算范围，以此得到地面坑体的土方量结果，降低地面坑体土方量检测的成本和提高检测便捷性与精确性。

优选地，在该步骤S1之前，包括；

获取该地面坑体对应的海拔高度分布信息，基于该海拔高度分布信息，从该地面坑体所在地面区域选定若干三维激光扫描工作点；其中，所有三维激光扫描工作点具有相同的海拔高度；

获取所有三维激光扫描工作点各自的位置坐标信息，基于该位置坐标信息，确定所有三维激光扫描工作点相互之间的相对位置关系。

上述技术方案的有益效果为：在对地面坑体进行实际三维激光测量中，需要在地面坑体所在区域架设三维激光扫描设备，三维激光扫描设备的架设位置点直接影响后续进行三维激光扫描测量的准确性。在进行三维激光扫描测量之前，对地面坑体所在区域进行海拔高度检测，得到相应的海拔高度分布信息，该海拔高度分布信息包括地面坑体所在区域的地面的海拔高度值。再以海拔高度分布信息为基准，从地面坑体所在地面区域选定若干三维激光扫描工作点，以此作为三维激光扫描设备的架设位置点，保证三维激光扫描设备始终能够在同一海拔高度上进行三维激光扫描测量，保证测量的同一性。还有根据所有三维激光扫描工作点各自的位置坐标信息，确定所有三维激光扫描工作点相互之间的相对距离和相对方位，从而对所有三维激光扫描工作点进行位置关系标定，便于后续对地面坑体进行准确全面的分区检测。

优选地，在该步骤S1中，对地面坑体进行三维激光扫描，得到该地面坑体的三维点云数据；对该三维点云数据进行预处理，得到有效三维点云数据，包括：

基于该相对位置关系，确定每个三维激光扫描工作点上设置的三维激光扫描设备对该地面坑体进行三维激光扫描的扫描区域；

基于该扫描区域的边界位置信息，指示其对应的三维激光扫描设备在相应的三维空间角度范围内对该扫描区域进行三维激光扫描，从而得到该扫描区域的三维点云数据；

对该地面坑体的所有扫描区域各自对应的三维点云数据进行卡尔曼滤波预处理；再将经过该卡尔曼滤波预处理的三维点云数据组成有效三维点云数据。

上述技术方案的有益效果为：三维激光扫描设备架设在每个三维激光扫描工作点，以此对地面坑体进行三维激光扫描的扫描区域的区分，保证每个三维激光扫描工作点上架设的三维激光扫描设备能够对地面坑体细化的分区域进行三维激光扫描。具体地，基于扫描区域的边界位置信息，指示其对应的三维激光扫描设备在相应的三维空间角度范围内对该扫描区域进行三维激光扫描，从而得到扫描区域的三维点云数据，这样在每个三维激光扫描工作点架设的三维激光扫描设备只对其对应的扫描区域进行单独的三维激光扫描，得到扫描区域的三维点云数据。再对地面坑体的所有扫描区域各自对应的三维点云数据进行卡尔曼滤波预处理，剔除三维点云数据中的噪声干扰成分，以此组成有效三维点云数据，确保三维点云数据的可靠性。

优选地，在该步骤S1中，基于该扫描区域的边界位置信息，指示其对应的三维激光扫描设备在相应的三维空间角度范围内对该扫描区域进行三维激光扫描，包括：

基于该扫描区域的边界位置信息，该三维激光扫描设备所在三维激光扫描工作点的位置坐标信息以及该三维激光扫描设备包含的激光测距仪的激光发射源相对于地面的高度信息，得到该三维激光扫描设备对该扫描区域进行全区域化的激光扫描操作过程中激光在三维空间形成的三维空间角度范围；

基于该三维空间角度范围，调整该三维激光扫描设备包含的水平旋转台和扫描振镜的工作状态；其中，调整该水平旋转台的工作状态包括调整该水平旋转台的水平旋转角度；调整该扫描振镜的工作状态包括调整该扫描振镜对来自该激光发射源的激光束的二维反射偏转角度。

上述技术方案的有益效果为：在实际测量中，进行三维激光扫描测量的三维激光扫描设备包括激光测距仪、水平旋转台和扫描振镜；其中激光测距仪安装在水平旋转台，这样水平旋转台能够带动激光测距仪在水平方向进行360度旋转；扫描振镜可为但不限于是二维扫描振镜，其能够对激光测距仪发出的激光束进行二维反射偏转扫描，这样激光测距仪能够在水平旋转台和扫描振镜带动下改变激光束在三维空间的照射方向。具体地，基于扫描区域的边界位置信息，三维激光扫描设备所在三维激光扫描工作点的位置坐标信息以及该三维激光扫描设备包含的激光测距仪的激光发射源相对于地面的高度信息，得到三维激光扫描设备对扫描区域进行全区域化的激光扫描操作过程中激光在三维空间形成的三维空间角度范围，这样能够为水平旋转台和扫描振镜的动作提供准确严格的限定。

优选地，在该步骤S2中，基于该地面坑体的形状特征，将该有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合，包括：

对该地面坑体进行双目拍摄，得到该地面坑体的双目影像；基于该双目影像的双目视差，得到该地面坑体的三维影像；

对该三维影像进行分析，得到该地面坑体的边界面形状、尺寸和位置朝向特征；

基于该边界面形状、尺寸和位置朝向特征，将该地面坑体划分为若干坑体子区域，并将位于同一坑体子区域的所有有效三维点云数据整合成三维点云数据子集合，从而得到与若干坑体子区域一一对应的若干三维点云数据子集合。

上述技术方案的有益效果为：在实际测量过程中，还对地面坑体进行三维视觉识别，从而对地面坑体的边界面形状、尺寸和位置朝向进行初始标定；其中地面坑体的边界面是指地面坑体的边界所在的表面。还有，根据边界面形状、尺寸和位置朝向特征，将地面坑体划分为若干坑体子区域，这样对有效三维点云数据进行精确的分类，得到若干三维点云数据子集合，便于准确进行三维点云子空间的标定。

优选地，在该步骤S2中，对每个三维点云数据子集合进行分析，得到与每个三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间，包括：

对每个三维点云数据子集合进行点云识别处理，得到处于该三维点云数据子集合对应的坑体子区域的所有区域边界面上的三维点云数据；

基于该点云识别处理得到的三维点云数据，构建与该三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间。

上述技术方案的有益效果为：对每个三维点云数据子集合进行点云识别处理，得到处于三维点云数据子集合对应的坑体子区域的所有区域边界面上的三维点云数据，其中该点云识别处理属于本领域的常规技术手段，这里不做详细叙述。再根据点云识别处理得到的三维点云数据，构建与三维点云数据子集合匹配的三维点云子空间，实现对地面坑体的三维空间表征。

优选地，在该步骤S3中，将所有三维点云子空间拼接形成与该地面坑体匹配的三维点云空间，包括：

基于该地面坑体包含的所有坑体子区域相互之间的相对位置关系，将所有坑体子区域各自对应的三维点云子空间拼接形成与该地面坑体整体匹配的三维点云空间。

上述技术方案的有益效果为：根据地面坑体包含的所有坑体子区域相互之间的相对位置关系，将所有坑体子区域各自对应的三维点云子空间拼接形成与该地面坑体整体匹配的三维点云空间，确保拼接形成的三维点云空间与地面坑体整体的准确匹配性。

优选地，在该步骤S3中，基于该三维点云空间，构建该地面坑体的三维空间模型，包括：

当存在地面坑体的施工基准面时，基于该施工基准面，对该三维点云空间进行点云整合，从而构建得到该地面坑体的三维空间模型；

当不存在地面坑体的施工基准面时，将地面坑体施工前后的三维点云空间进行对比，从而构建得到该地面坑体的三维空间模型。

上述技术方案的有益效果为：在存在和不存在地面坑体的施工基准面的两种不同情况下，对三维点云空间进行不同形式的处理，确保构建的地面坑体的三维空间模型的准确性。

优选地，在该步骤S4中，基于该三维空间模型，确定该地面坑体的土方量计算范围，包括：

对该三维空间模型进行三维空间外表面拟合处理，得到该三维空间模型的三维空间外表面围蔽形成的三维空间范围，以此作为该地面坑体的土方量计算范围。

上述技术方案的有益效果为：对三维空间模型进行三维空间外表面拟合处理，得到三维空间模型的三维空间外表面围蔽形成的三维空间范围，严格准确的限定地面坑体的土方量计算范围。

优选地，在该步骤S4中，基于该土方量计算范围的边界，得到该地面坑体的土方量结果，包括：

以该土方量计算范围的边界为基准，对该土方量计算范围进行三维空间体积积分计算，得到该地面坑体的土方量值。

上述技术方案的有益效果为：以土方量计算范围的边界为基准，对土方量计算范围进行三维空间体积积分计算，得到地面坑体的土方量值，从而提高地面坑体土方量大小计算精确性；其中，对土方量计算范围进行三维空间体积积分计算属于本领域的常规技术手段，这里不做详细的叙述。

从上述实施例的内容可知，该地面坑体土方量检测方法对地面坑体进行三维激光扫描，得到地面坑体的三维点云数据，并生成有效三维点云数据，利用三维激光扫描设备直接对地面坑体进行三维激光扫描测量，得到地面坑体的三维点云数据，实现对地面坑体的低成本全面的测量，对地面坑体的三维形状尺寸进行精确的标定；还将有效三维点云数据划分为若干三维点云数据子集合，并生成匹配的三维点云子空间，再拼接形成与地面坑体匹配的三维点云空间，以此构建地面坑体的三维空间模型，对地面坑体进行全面三维表征；并基于三维空间模型，确定地面坑体的土方量计算范围，以此得到地面坑体的土方量结果，降低地面坑体土方量检测的成本和提高检测便捷性与精确性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。