激光掃描測量技術在水毀河道修復工程中的應用

廣東省水利水電第三工程局 陳金鵬 吳念輝

激光掃描測量技術在水毀河道修復工程中的應用

廣東省水利水電第三工程局 陳金鵬 吳念輝

一、工程應用

激光距離測量技術具有不受氣溫影響、測點精度高且差異小、可進行任意角度和位置的測量、可快速高效獲取測量目標三維影像數據等優點。將該技術應用于水毀河道修復工程的成圖測量，可以快速高效地完成測量任務。

某水毀河道修復工程采用了leica HDS激光掃描儀和Cyclone軟件進行掃描測量。HDS參數：測距Dnax=0.3 km；50 m范圍精度為X或Y±6 mm，D±4 mm，A±12″；標靶獲取精度±1.5 mm；模型表面精度±2 mm；標準掃描速率4 000點/s；全方位視角360°×270°;測距范圍 300 m（90%反射率）、134 m（18%反射率）；雙軸補償±5″；分辨率1″，可選性水平和垂直方向的掃描點最小間隔（距）1.2 mm，最小采樣密度1.2 mm；行掃描每行2萬個點，列掃描每列0.5萬個點；支持Auto CAD等格式。

二、數據獲取

1.采樣密度、區域控制。將掃描儀架設至基準站點（由工程設計院移交，已通過校核檢驗，精度符合施工要求）上，然后接通電源，連接數據線和軟件處理系統，按要求調整好方向、傾角、行列數等參數，做好測量準備工作。由于利用極坐標激光掃描儀進行掃描測量時，框選的掃描區域過大、密度太高或太低都會影響最終結果的均勻性，因而每次掃描時都要注意對框選區域及掃描間隔進行科學控制，合理選取掃描距離和掃描時間，提高掃描測量質量。

對河道進行成圖測量時，要先根據集成數碼相機顯示的掃描對象影像選擇掃描區域，然后再選擇適當的掃描密度進行自動掃描。在掃描過程中，往往需要設置一定的標志用以控制掃描區域的大小。該工程主要為砼構造物，按一定的長度設置伸縮縫，伸縮縫間距≤30 m。因此，掃描中用縮縫作為掃描區域的參考標志。

2.數據拼接。成圖測量完成后，只有將點云影像數據拼接擬合起來才能成為一個整體。而點云影像數據的采集往往要經過多測站的掃描才能完成，因此，為了確保拼接精度，在測量時可適當設置掃描儀易識別、抗干擾的高分辨率參考標志，以利于實現測站間空間坐標系的統一。為了保證獲取的立體模型的準確性，應合理控制掃描影像的重疊度（復雜物體的測量重疊度要大于10%，相鄰測站的重疊度要適當），以利于點云數據的坐標匹配。在一定距離內的目標體影像一般易從多角度直接（不加覘標）獲取，但特征點影像的直接拼接精度（±1 cm）往往不能滿足高精度的觀測目標的量測和建模需要，因此，可以采用擬合特征平面并加入點云約束的方式來進行拼接，以提高拼接精度。

相鄰掃描點云圖的影像激光掃描測量步驟大體為：確定掃描區域→設立測站并確定位置→確定（不少于3個）同名控制點（或標靶）。建立完整的立體模型需要獲取足夠多的數據，再加上不同方向的掃描點密度不盡相同，因而實踐中一般選取建筑物的前左、前右、后左、后右4個方向并結合精細要求確定控制點，以實現控制點的強制符合，完成坐標系的匹配統一。

3.數據處理、建模及應用。數據拼接完成后，要先進行預處理，剔除粗差數據和掃描過程中因汽車、行人等遮擋而出現的異常點，對于漏測的空白區域，往往還需要到現場進行補測。由于配備的后處理軟件具有自動分段處理、抽取和TIN 模型構造等功能,易于將細部模型化，通過軟件的旋轉和放大功能即可多角度觀察和分析點云，且極易辨別出異常點，對數據的剔除剪切處理也很方便，因而可以很好地保證每個測站地形、地物點云數據的準確性。數據處理完成后，要手工對反射率球形標志的球心坐標進行重新修正，以獲取正確的擬合數據，進而實現整個掃描數據的坐標系轉換。

規則或不規則幾何體的建模通過掃描點云來實現。一般情況下，三維模型組件及其對應的點云匹配算法、幾何體表面TIN多邊形算法、自動分段處理功能等是實現三維模型構建的最重要的基礎和方法。自動分段處理功能可以實現與常用幾何形體相一致的目標實體組件的點云抽取自動匹配處理,與非常用幾何形體相一致的目標實體組件的不規則表面的模擬則是通過幾何體表面TIN多邊形算法來實現的。

建立高精度水毀河道修復工程三維可視化數字地面模型時，需要結合實際情況對點云數據生成的不規則三角形格網進行編輯修改，校驗組成模型的構造物是否符合測量精度要求，并生成校驗報告。利用建立的模型，即可完成平剖面圖、等高線圖的生成和進行工程計量、放樣等。必要時還可以對模型進行渲染（描述目標表面紋理等），為災后重建提供高效服務。另外，最終生成的幾何圖形還可轉換輸出到Auto CAD等軟件中，給災后重建帶來便利。

三、結論

激光掃描測量技術具有非接觸性以及可快速獲取海量點云數據等優點。該技術是用多點測量的方式去模型化一個點，即對所測區域進行重采樣，可以顯著提高測量數據的精度（不僅僅是單點測量的精度）。它不僅對攝影測量數據成果（影像相片、單幅影像相片）無法進行空間量測的問題提供了有效的解決手段，而且可以通過增加坐標匹配的方式來完成各測站間數據的拼接，測點精度高且分布均勻，非常便于對建筑內部進行細部掃描，其后處理軟件TIN 模型的建立方式和對紋理的提取方式也有很大改進。這就使得激光掃描測量技術具有極為廣闊的應用前景。在實際施工中，可以將激光掃描測量技術與其他測量技術手段結合應用。