三維激光掃描技術在水電站3D建模中的應用

王洋+王金+楊志鋒等

摘要：為了建立起庫區的3D模型，文章基于地面三維激光掃描儀和車載激光掃描儀技術所獲取的點云數據，一方面利用地面三維激光掃描儀技術的點云密度高、精度高的特點，另一方面結合車載激光掃描儀掃描速度快的特點，將兩種不同的數據源進行融合以實現3D建模，在河南寶泉蓄能電站的3D建模中取得了較好的效果。

關鍵詞：三維激光掃描技術；水電站；3D建模；數據融合；點云數據 文獻標識碼：A

中圖分類號：P228 文章編號：1009-2374（2015）13-0046-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.024

1 概述

隨著三維地理信息管理系統在水利建筑領域的深入研究，建立水庫的三維模型日益成為研究的熱點和難點。傳統的人工測量方法耗時耗力，檢核工作難進行。攝影測量的方法可以快速獲取被測區域的影像，但是高程精度不高，同時由于拍攝高度的限制，對尺寸較小的目標物辨識能力有限。三維激光掃描儀技術以其高精度、高密度、實時性強和非接觸性主動獲取物體表面3D信息的特點，自問世以來就得到了廣泛的應用。三維激光掃描儀技術通常包括地面激光掃描儀、車載激光掃描儀和機載雷達。利用地面激光掃描儀技術，Kim等對預制鋼構件的尺寸（長、寬和面積）進行高精度掃描。Virtanen等利用地面激光掃描儀技術對物體進行快速的數字化建模。Wang利用激光掃描儀技術實現對不同測站點云的高精度匹配。劉求龍等利用地面激光掃描儀對慧泉變電站進行三維建模。為了能夠完整、精確地建立起水庫的三維模型，利用地面激光掃描儀的精度優勢和車載激光掃描儀的速度優勢，對車載激光掃描儀和地面激光掃描儀采集的數據進行結合，進而得到整個庫區的三維構架是目前最快捷有效的方式之一。本文以河南寶泉電站為例，自主研制探討如何利用車載激光掃描儀和地面激光掃描儀技術獲取數據并快速建立電站三維模型。

2 寶泉抽水蓄能電站概況

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣西部薄壁鎮，電站的主要建筑物包括上下水庫大壩、引水道、地下廠房洞群系統及地面開關站等。上水庫位于寶泉水庫峪河左岸支流東溝內，距寶泉村約1km，引水道進/出水口位于水庫左岸，距大壩左壩頭約200m。下水庫進/出水口位于寶泉水庫左岸，距寶泉水庫大壩約1km。上水庫檔水建筑物為混凝土面板堆石壩，下水庫是利用峪河上已建成的寶泉水庫，但對大壩加高、加固。壩頂高程268.0m，壩頂長為535.5m，其中左岸擋水壩壩長277.0m、右岸檔水壩段長197.5m。寶泉抽水蓄能電站引水道主洞直徑為6.5m，上游調壓井前、后段及尾水段洞徑均為6.5m，岔管段洞徑為4.5m；上水庫總庫容為827萬立方米，發電庫容620萬立方米；下水庫總庫容6750萬立方米，灌溉興利庫容3575萬立方米，擴大興利庫容515萬立方米。

3 三維激光掃描儀技術介紹

三維激光掃描儀數據采集的過程就是將連續的三維空間經空間采樣轉換成離散的數據點云的過程。數據采集過程中，旋轉激光頭在水平面內連續轉動，同時鏡頭在豎直面內做往復或者旋轉運動，形成激光束在空間上的掃描。激光頭的角速度、轉鏡的角速度及激光脈沖的發射頻率共同決定了該型號在空間掃描的分辨率。考慮到地面激光掃描儀測量精度高，同時相比較車載激光掃描儀來講比較靈活，本次研究運用車載激光掃描儀對水庫周圍的道路進行掃描，對于壩體等需要精細建模的目標物使用地面激光掃描儀進行掃描獲取數據。

3.1 地面激光掃描儀

地面激光掃描儀是基于地面的使用激光來有序、自動地測量指定目標物的三維坐標。地面激光掃描儀記錄的有物體的距離、垂直角和水平角（＼* MERGEFORMAT）（圖1），同時還有被測物體的反射信號。由于其相對高密度、高精度的點云獲取技術，可以用來對壩體等重點區域進行掃描。當一個測站所獲取的點云不能反映整個物體的全貌時，需要多站測量，而這些不同測站之間需要布設公共點以實現不同測站數據的拼接和轉換。公共點通常有兩類：第一類是平面靶標；第二類是球型靶標。其中，球型靶標保證了從不同角度掃描測量時都能獲取準確的球心坐標，避免了平面靶標使用過程中入射角有時影響過大的問題。

圖1 地面激光掃描儀測量坐標

3.2 車載激光掃描儀

車載激光掃描儀也稱車載移動測量系統，主要由激光掃描儀、全景相機、Global Positioning System（GPS）、Inertial Measurement Unit（IMU）、里程計和后處理軟件等組成。將該系統安裝在車輛上，在車輛行駛過程中獲取道路及道路兩側的三維信息。相比地面激光掃描儀來講，其數據獲取速度快，更適用于在道路等遠距離的掃描工作中。車載激光掃描技術由于系統比較復雜，牽扯到GPS、慣導、陀螺儀、激光掃描頭以及全景相機等各方面的融合和同步問題，因此數據采集的精度比較低，在對精度要求不高的情況下可以充分發揮其掃描速度比較快的優勢。地面激光掃描儀所測得的點位精度可以達到5mm左右，車載激光掃描儀由于組合系統的復雜性，目前精度在40cm左右。二者的結合，一方面可以避免精度太低造成的模型偏差大，另一方面車載激光掃描儀的引入有效的提高了工作效率。

4 3D建模

4.1 數據采集

三維激光掃描儀的特點是所見即所得。通過采集大量的點云數據來展示物體的表面模型。車載三維激光掃描儀具有速度快、效率高等優點，但對于道路不通交通不便的區域，很難采集到有效數據。而地面激光掃描儀具有架站方便、測程較遠、精度較高的優點，二者合理搭配可以很大程度上提高工作效率。通過現場踏勘，發現測區內交通情況良好，因此采用車載設備采集水庫整體框架信息，包括道路、護欄和邊坡防護部分。車載設備采集不到的區域使用地面設備補充采集。本次數據采集車載設備使用GeoBIM-C300車載移動測量系統，地面設備使用北科天繪UA-1345地面三維激光掃描儀（圖2）。endprint

圖2 地面三維激光掃描儀（左）和車載激光掃描儀（右）

4.2 數據預處理

由于受儀器本身、周圍環境、被測物體的特征和布置網絡等的影響，使得采集的數據存在一定程度的誤差和噪聲干擾。因此，對采集到的數據進行噪聲去除是預處理過程中的重要步驟之一。數據采集完成后，所得到的數據如圖3所示，先對每站數據進行簡單的預處理，將多余掃描的點云刪除，使用儀器配套軟件SS-UCtrl_v2.0.1

進行點云去噪，特征點提取，為點云拼接做好準備。

圖3 地面激光掃描儀所獲取的點云數據示例 圖4 水庫的3D模型（部分）

4.3 拼接和融合

一直以來不同測站點云之間的拼接融合都是三維激光掃描技術應用于研究的重點和難點。拼接質量的問題直接影響到最終成果的精度。傳統的拼接方式有兩種：（1）公共點拼接，兩站數據中找出最少四個公共特征點進行配準，將兩站點云拼接在一起；（2）坐標轉換，外業采集中每站獲取的數據都具有一個相對獨立的空間直角坐標系。利用四個或四個以上的已知坐標控制點，可以將整個測站完成坐標系轉換，只要布設覆蓋整個測區的控制網，就可以通過控制點將所有的測站轉換到相同的坐標系下，這樣也可以做到點云的拼接融合。但由于水庫范圍較大、測站較多，采用公共點拼接的方法容易造成拼接誤差的累計，影響最終成果精度。采用坐標轉換的方法需要布設很多控制點坐標，既增加了外業工作量，又無法保證精度。

結合現場的實際情況，此次試驗分別結合了兩種方法的優勢，即在整個測區內根據地形、范圍等因素劃分為幾個區域，每個單獨區域內布設四個控制點，區域內的點云數據采用公共點拼接的方式將整個區域的點云拼接在一起，然后利用坐標轉換的方式將該區域點云轉到已知坐標的控制點坐標系下，最后再將轉換到相同坐標系下的不同區域的點云在同一個軟件內加載融合，最終達到整個測區點云拼接融合的效果。

4.4 建模

拼接后的點云數據量很大，通過一定比例抽稀導入Geomagic Studio中后，依次對點云進行孤點刪除、點云去噪、點云數量優化等操作，然后進行封裝。封裝后的模型經過優化處理后，再導入3DMax進行貼紋理工作，對水工建筑物進行三維建模、材質粘貼、特效處理，生成逼真的工程模型，最終可以得到整個電站的全尺寸3D真實模型（圖4），實現在開發大壩安全監測地理信息應用系統內可直接查詢展示大壩安全監測成果。

5 結語

在對水電站等類似大型建筑物進行建模時，地面激光掃描儀技術和車載激光掃描儀技術的結合，一方面保證了主要壩體數據建模的精度，另一方面又能快速地獲取壩體周圍道路等的信息，這兩者的結合揚長避短，有效地提高了數據采集的速度以及數據處理的效率。該方法適用于在水庫、變電站、橋梁、工業廠區等需要粗建模和精細建模結合的地方。下一步的研究將著重考慮將車載和地面的點云數據通過一定的算法進行融合。

參考文獻

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作者簡介：王洋（1982-），男，吉林吉林人，河南國網寶

泉抽水蓄能有限公司工程師，研究方向：水利水電工程項目管理。

（責任編輯：陳 倩）endprint