一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法与流程

本发明属于工程施工质量检测与体积测量，具体涉及一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法。

背景技术：

1、在堆石坝及大体积填筑工程施工过程中，试坑法是用于验证填筑密实度、压实效果及施工参数的重要检测手段。现有试坑体积或密实度检测方法，主要采用灌水法、灌砂法等体积置换类方法，即通过向试坑内灌入水或标准砂，依据填充介质用量反算试坑体积或填筑密实度。

2、然而，上述方法在工程应用中仍存在以下不足：

3、操作流程繁琐，检测效率低；

4、灌水法和灌砂法需进行多次人工操作，对试坑清理、密封条件要求高，单个试坑检测耗时长，难以满足施工现场高频抽检需求。

5、对试坑形态与施工条件敏感；

6、当试坑壁面粗糙、底部起伏较大或存在渗漏条件时，灌水或灌砂过程易产生误差，影响体积计算精度。

7、结果离散性大，重复性较差；

8、检测结果受操作人员经验、填充介质状态及环境条件影响明显，不利于形成稳定、可复核的质量评价结果。

9、数字化程度低，难以形成空间记录；

10、灌水法和灌砂法仅获得体积或密实度的数值结果，无法完整记录试坑三维空间形态，不利于质量数据留存和后续复核分析。

11、因此，亟需一种不依赖体积置换介质、能够直接获取试坑真实空间形态并实现体积精确计算的检测方法，以提高试坑检测效率与结果可靠性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，包括如下步骤：s1、在试坑开挖区域周边建立空间基准，布设若干稳定参考点；s2、在试坑开挖前，利用三维激光扫描仪对试坑所在区域进行扫描，获取开挖前地表的三维点云数据，构建开挖前三维模型；s3、完成试坑开挖后，利用三维激光扫描仪对包含试坑内部空间形态的区域进行扫描，获取开挖后的三维点云数据，构建开挖后三维模型；s4、基于步骤 s1 布设的参考点，对试坑开挖前后获取的点云数据开展空间配准，使开挖前三维模型与开挖后三维模型统一至同一坐标系统；s5、在统一坐标系统下，针对开挖前后三维模型开展体积差分分析，计算得到试坑的实际体积；s6、输出试坑体积检测结果。

3、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，所述参考点为人工布设的标靶点、反射球以及试坑周边固有稳定结构特征点中的任意一种或者多种。

4、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，所述三维激光扫描仪为地面式三维激光扫描仪或者便携式三维激光扫描仪。

5、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，所述步骤s4中，所述空间配准采用刚体变换模型，刚体变换模型的数学表达式为：

6、p2=r⋅p1+t；

7、式中：p1为开挖前点云中任一点的三维坐标；p2为对应的开挖后点云坐标；r为三维旋转矩阵；t为三维平移向量。

8、通过最小化各参考点配准前后坐标差的平方和，求解得到三维旋转矩阵r与三维平移向量t，完成开挖前后点云数据的坐标配准。

9、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，步骤s5中，所述体积差分分析包含水平面离散单元积分计算：将试坑区域沿水平面离散成若干面积相等的微小单元，依据各微小单元开挖前后高程差值完成体积积分运算，体积计算表达式为：

10、；

11、式中：为试坑的实际体积；为第i个单元在开挖前三维模型中的高程值；为对应单元在开挖后三维模型中的高程值；为第i个单元的面积；

n为参与体积计算的单元总数；

12、通过对试坑区域内所有单元体积差进行累加，获得试坑的实际开挖体积。

13、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，所述步骤 s5 执行体积差分计算之前，对点云数据实施预处理，所述预处理包括异常点剔除和点云平滑处理。

14、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，所述异常点剔除的判定方式为：针对任意点云点pi，计算该点与邻域点之间的平均距离，当满足判别式时，判定该点云点为异常点并剔除；

15、式中：

16、为点pi与邻域点的平均距离；

17、为邻域点之间距离的均值；

18、为邻域点之间距离的标准差；

19、为经验阈值系数。

20、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，步骤 s6 中，所述试坑体积检测结果的输出形式为数值输出、三维模型输出、体积差分可视化图件输出中的至少一种

21、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，所述试坑体积检测结果应用于堆石坝、土石坝以及其他大体积填筑工程的填筑质量抽检和施工参数校核。

22、上述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，还包括依靠试坑开挖前后空间形态的三维差分直接求解试坑体积，不需要借助填充介质开展体积置换测量。

23、本发明的有益效果如下：

24、本发明利用三维激光扫描获取试坑表面完整点云数据，避免几何简化带来的体积误差；且适应复杂试坑形态；可准确表征不规则坑壁和坑底起伏，真实反映试坑空间形态；且检测效率高、操作安全；并且采用非接触式扫描方式，减少人工进入试坑作业，提高施工安全性；同时，结果可追溯、可复核；扫描数据和三维模型可长期保存，便于质量复核与工程档案管理；且工程适用性强；可直接服务于堆石坝填筑质量抽检与施工参数校核。

1.一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，所述参考点为人工布设的标靶点、反射球以及试坑周边固有稳定结构特征点中的任意一种或者多种。

3.根据权利要求2所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，所述三维激光扫描仪为地面式三维激光扫描仪或者便携式三维激光扫描仪。

4.根据权利要求3所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述空间配准采用刚体变换模型，刚体变换模型的数学表达式为：

5.通过最小化各参考点配准前后坐标差的平方和，求解得到三维旋转矩阵r与三维平移向量t，完成开挖前后点云数据的坐标配准。

6.根据权利要求4所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，步骤s5中，所述体积差分分析包含水平面离散单元积分计算：将试坑区域沿水平面离散成若干面积相等的微小单元，依据各微小单元开挖前后高程差值完成体积积分运算，体积计算表达式为：

7.根据权利要求5所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，所述步骤 s5 执行体积差分计算之前，对点云数据实施预处理，所述预处理包括异常点剔除和点云平滑处理。

8.根据权利要求6所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，所述异常点剔除的判定方式为：针对任意点云点p i，计算该点与邻域点之间的平均距离，当满足判别式 时，判定该点云点为异常点并剔除；

9.根据权利要求7所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，步骤 s6 中，所述试坑体积检测结果的输出形式为数值输出、三维模型输出、体积差分可视化图件输出中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，所述试坑体积检测结果应用于堆石坝、土石坝以及其他大体积填筑工程的填筑质量抽检和施工参数校核。

11.根据权利要求9所述的一种基于三维激光扫描仪的试坑体积检测方法，其特征在于，还包括依靠试坑开挖前后空间形态的三维差分直接求解试坑体积，不需要借助填充介质开展体积置换测量。