地面三維激光掃描儀在水利工程地形測繪中的應用

任　彤，吳昱樨

（海河水利委員會水文局，天津　300170）

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地面三維激光掃描儀在水利工程地形測繪中的應用

任彤，吳昱樨

（海河水利委員會水文局，天津300170）

摘 要：三維激光掃描技術作為近些年發展起來的一門新技術，越來越多地應用到水利行業。以獨流減河防潮閘周邊地形測繪為例，介紹了三維激光掃描儀的數據采集和處理方法，獲得了DEM數據和防潮閘三維模型等成果，最后對三維激光掃描儀在水文應急監測中的應用進行了探討。

關鍵詞：三維激光掃描儀；水利工程；點云數據；DEM；三維建模；應急監測

1　引言

三維激光掃描技術是20世紀90年代發展起來的一種快速獲取空間三維信息的新技術。與傳統單點測量方法相比，它具有無接觸、高自動化、高精度、測量方式靈活等特點，能夠快速、精確地完成對目標區域的地形測量。在水利工程地形測繪中，由于周邊地況較為復雜，用傳統測量手段需消耗大量人力物力，且測量精度很難達到要求［1］，三維激光掃描儀的無接觸測量方式就成為解決此類問題的一條新途徑。筆者以獨流減河防潮閘（以下簡稱防潮閘）周邊地形掃描為例，介紹地面三維激光掃描儀數據采集流程和數據處理方法，并對獲取數字高程模型（DEM）和三維建模的技術、方法進行詳細探討。

2　三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀通過激光測距原理，瞬時獲取物體表面的空間三維數據，稱為點云數據。根據掃描儀搭載的運行平臺不同，可分為空中機載掃描儀、地面掃描儀和便攜式掃描儀。地面三維激光掃描儀主要由激光掃描系統、數字攝像系統、定位系統、軟件控制平臺、內部校正系統和電源及其他附件構成。三維激光掃描儀一般使用儀器內部坐標系統，XOY平面為水平面，Y軸為掃描轉向方向，Z軸為垂直方向，掃描儀發射激光脈沖信號，經物體表面漫反射，接收器接收沿相同路徑返回的激光脈沖信號，同時測量每個激光脈沖水平掃描角度α和垂直方向角度θ，如圖1所示。

圖1　三維激光掃描儀內部坐標系統

根據發射和接收的時間差原理，計算出被測點與掃描儀之間的距離值S。通過式（1），可確定被測物體在坐標系中的空間三維坐標［2］。

3　實例分析

防潮閘位于獨流減河入海口處，始建于1967年，主要功能是擋潮御沙、汛期泄洪、調度控制水位。經改建后防潮閘共26孔，其中過流孔22孔、非過流孔4孔，每孔凈寬10 m，閘室總寬287.2 m。近兩年，由于排泥場、碼頭的興建，防潮閘周圍地形發生變化，為分析變化情況，需對防潮閘周邊大約5 km2范圍的地形進行測量。防潮閘下游多以灘、洼地為主，且多處區域正在施工，測量條件較為復雜，用傳統GPS和全站儀無法完成測量，而使用地面三維激光掃描儀可以精確、快速地獲取變化后的地形數據。

3.1軟硬件平臺介紹

本次掃描采用奧地利RIEGL公司VZ-4000型地面三維激光掃描儀。VZ-4000是一款基于脈沖激光測量的長距離三維激光掃描儀，掃描距離達4 km，可進行水平360°、垂直60°（俯仰角各30°）的掃描，掃描精度可達15 mm，內置數碼相機可在掃描結束后自動獲取目標圖像。

點云基礎處理軟件RiSCAN PRO是VZ-4000型三維激光掃描儀配套軟件，可實現對點云數據的配準、去噪、過濾、抽稀、導出等功能。

3DReshaper是由法國Technodigit公司開發的一款點云后處理和應用軟件，具有地形地物分離、三維建模（生成DTM）和模型優化等功能，并可對模型進行紋理映射、局部提取量測和特征線分析等。

除上述主要軟硬件平臺外，還用到的輔助設備有：①Trimble R8 GPS，動態測量精度水平8 mm+1 ppm RMS、垂直15 mm+1 ppm RMS；②Motoar Sky MS670四旋翼無人機，續航時間80 min，最大飛行高度1 000 m，搭載索尼a5100微單相機，有效像素2 010萬。

3.2數據采集

數據采集主要分為點云數據采集、測站坐標信息采集和圖像采集，數據采集流程如圖2所示。

圖2 數據采集流程

（1）現場查勘定站。RIEGL VZ-4000掃描儀采取定點掃描方式，每次掃描只能獲取掃描對象某一部分點云數據，所以首先要對被掃描物體及周圍環境進行考察，布設多個掃描站點對物體進行掃描，以獲得目標完整的點云信息。其原則是在保證數據獲取完全、滿足數據處理對點云要求的前提下，選擇盡量少的站點，提高工作效率。由于防潮閘周圍地況較為復雜，缺少視野寬闊的制高點，為保證數據完整性，經過實地勘察，決定布設11個掃描站，其中001、007、008站分別架設在屋頂和橋上，其余掃描站均架設在局部地勢較高區域。掃描范圍和站點位置，如圖3所示。

圖3　掃描范圍及站點位置

（2）粗掃。在具體的從某一個方向對目標進行掃描尤其是對遠距離目標進行掃描時，目測很難判斷目標所在的角度范圍。所以，在掃描過程中，每一站都先進行360°全景掃描，其得到的點云圖稱為粗掃圖。

（3）目標區域精掃。在粗掃圖上框選精掃目標，同時調整點間距和激光發射角分辨率2個參數進行精確掃描，得到的數據稱為原始點云數據，如圖4所示（以001站為例）。

圖4 原始點云數據

（4）獲取站點位置信息。掃描儀在進行每一站掃描時都會建立獨立的坐標系，我們需要獲取各站的坐標信息進行坐標系統一，即數據配準。由于防潮閘周圍缺少控制點，我們假設閘管所內一點為控制點，坐標為（10 000，5 000，20），每站掃描完畢后量取儀器高度，后使用RTK測量掃描儀所在位置地面點坐標。站點坐標信息，見表1。

（5）獲取目標影像圖片。在利用點云數據進行三維建模時，為達到還原真實的效果，需使用實拍照片對模型作無變形紋理映射。由于掃描范圍較大、地物遮擋較為嚴重，掃描儀內置相機很難獲取到完整的影像圖片，所以我們借助無人機的航拍功能來完成。在給定航拍范圍后，Motoar Sky MS670無人機可自動規劃飛行路徑進行全景拍攝，極大地提升了工作效率。

3.3數據處理流程與關鍵技術

根據點云數據特點，三維激光掃描的數據處理過程如圖5所示。

圖5三維激光掃描的數據處理過程

3.3.1點云數據預處理

在原始點云數據中會出現冗余點，我們稱為噪點。這些點對后期數據配準和建模有很大影響，所以要對點云進行去噪處理。由掃描儀自身掃描特性決定，一些遠距離的點云數據會以噪帶方式顯示，我們使用RiSCAN PRO中MTA功能對噪帶作點云還原處理。受陽光和空氣懸浮顆粒物等外部條件影響，數據中會出現離散的噪點，這些點的激光反射率、振幅等參數與正常數據有較大差異。在去噪工具中設定Reflection和Amplitude的閾值，噪點將自動被過濾刪除。原始數據中還存在剩余噪點、水下倒影和移動物體的拖影等無用數據，要進行手動刪除。

3.3.2點云數據配準

要獲取目標完整的三維數據，必須進行多測站掃描。每一站點云數據的坐標系是相互獨立的，那么就需要將每站點云數據轉換到同一坐標系里，統一坐標系的過程稱為點云數據配準，也稱數據拼接。在點云數據拼接過程中，會對坐標系進行三維變換，如平移、旋轉和縮放等，其實質就是三維圖形的變換和處理［3］。數據配準的精度直接影響著三維建模的精度，因此點云數據配準是數據處理的基礎。

（1）坐標系及有關概念說明。Seanner's Own Coordinate System（SOCS）即掃描儀坐標系，也就是掃描儀自身的局部坐標系。Project Coordinate System （PRCS）即項目坐標系，是一種局部坐標系，在使用特征點拼接中可將各站局部坐標系統移到項目坐標系中。Global Coordinate System（GLCS）即全局坐標系，也稱全球坐標系，是通過GPS或全站儀獲取的位置信息定義的坐標系，可以看作是大地坐標系統的一種。

各坐標系及轉換方式如圖6所示，圖中下標SP代表SOCS、下標PR代表PRCS、下標GL代表GLCS。Msop（SOP）是把掃描儀坐標系變換成項目坐標系的轉換矩陣，Mpop（POP）是把項目坐標系變換成全局坐標系的轉換矩陣。

圖6坐標系及其轉換方式

（2）坐標系轉換。通過圖形變換可以實現對三維圖形的平移、旋轉和縮放，這就等同于對局部坐標系進行的相應變換。圖形坐標變換是點云拼接的基本原理，點云拼接的任務就是找到局部坐標系與全局坐標系之間的轉換矩陣。多視站點云拼接只涉及點云的平移與旋轉，不包含投影和縮放，其三維坐標系變換矩陣形式為：

將RTK測量的數據導入RiSCAN PRO軟件中，軟件會聯合本站的電子羅經數據進行后視定向計算，確定旋轉與平移矩陣參數，得到矩陣T3D，即SOP （Msop），如圖7（以001站為例）所示。

在計算過程中，項目坐標系（PRCS）與全局坐標系（GLCS）默認是相同的，POP（Mpop）為單位矩陣。分別計算后，11站全部轉換為全局坐標系，拼接完成。

圖7　001站坐標系轉換矩陣

3.3.3基于點云數據的三維建模

將拼接好的點云數據建立網格模型是點云數據處理的關鍵步驟，它直接關系到DEM數據的獲取和模型的應用。根據三維模型自身特點，模型構建可以分為2種方法［4］：一種是幾何模型重建，常用在規則物體的建模中，利用幾何體如平面、柱體、四面體等對物體進行擬合；另一種是三維表面模型重建，根據區域內有限個點集將區域劃分為相連的不規則三角面網絡，在區域中任意點云數據落在三角面的頂點、邊上或三角形內，利用三角網格逼近掃描物體表面。

為獲取有效的DEM數據和真實的建模效果，需對點云數據作分割提取，將地物、植被等數據與地形數據分離。使用3DReshape軟件中地形提取功能，可自動生成地形三角網模型，即DEM數據，如圖8所示。

圖8　地形數字高程模型

該數據可以.obj和.tif等格式導出作后期應用。對于閘體和房屋，3DReshape可將物體的輪廓線、截面線提取出來，然后通過拉伸、填充等操作完成三維模型的建立。防潮閘及部分房屋模型，如圖9所示。

圖9　防潮閘和房屋模型

3.3.4紋理映射

精確建立三維模型后，為了描述具有真實感的物體、增強物體表面細節的表現力，需使用實拍圖片對模型作無變形紋理映射。確定各幅照片與三維模型之間的映射關系，即要解決照片與三維模型的配準問題。與3.3.2節中點云配準類似，紋理映射也是通過坐標系轉換的方式實現。

數碼相機成像可通過4個坐標系的3次轉換來表達，即全局坐標系（Xw，Yw，Zw）到相機坐標系（Xc，Yc，Zc）的轉換、相機坐標系（Xc，Yc，Zc）到圖像坐標系（X，Y）的轉換、圖像坐標系（X，Y）到像素坐標系（U，V）的轉換。根據相機針孔成像模型和坐標系的旋轉、平移變換矩陣，對空間中任意一點P可通過式（3）建立世界坐標系到像素坐標系之間的轉換關系［5］。

式中：f為鏡頭到成像平面的距離；R，T為旋轉矩陣和平移向量。

由式（3）可知相機的待標定參數有10個，即4個內部參數（f/dx、f/dy、u0、v0）以及R、T各有的3個外部參數。其中，相機內部參數主要與相機鏡頭的焦距、光圈大小等參數有關，外部參數主要與相機拍攝時的姿態、高度等參數有關。在使用3DReshape進行紋理映射時，通過指定圖像和模型中對應的特征點（不少于10個），軟件將計算出相機的內外部參數，將像素坐標系轉換到全局坐標系，完成無變形紋理映射。模型效果，如圖10所示。

4　總結與展望

三維激光掃描儀這種無接觸、高自動化、高精度的測量方式較傳統測量方式有很大的優勢，在地況較復雜的水利工程地形測繪中更是一條捷徑。筆者通過對防潮閘周邊地形掃描，介紹了三維激光掃描儀數據采集處理的流程和方法，并對數據處理中的點云拼接、三維建模和紋理映射技術作了詳細的探討，最后獲得防潮閘及周邊區域的三維紋理模型和DEM數據。

圖10紋理效果

后期應用中，對于建好的紋理模型可通過3DMax軟件進行渲染，利用Converse3D或VRP等虛擬現實軟件實現操作者與模型的三維交互。水文應急監測中，對于山體滑坡形成堰塞湖的情況，我們可將滑坡后掃描數據與滑坡前的DEM數據作對比分析，計算出滑坡量和堰塞體的體積，為搶險決策提供數據支持。三維激光掃描儀在水工建筑物的變形監測和蓄滯洪區地形測繪等水文監測領域存在巨大潛力，需要我們進一步探索與研究。

參考文獻

［1］崔亦芳，丁雙林，施攀，等.三維激光掃描技術在水利工程地形測繪中的應用［J］.北京測繪，2015（2）：89-92.

［2］梅文勝，周燕芳，周俊.基于地面三維激光掃描的精細地形測繪［J］.測繪通報，2010（1）：53-56.

［3］袁夏.三維激光掃描點云數據處理及應用技術［D］.南京，南京理工大學，2006：15-17.

［4］高志國.地面三維激光掃描數據處理及建模研究［D］.西安，長安大學，2010：53-57.

［5］胡哉.三維激光掃描技術中紋理圖像與點云的配準［D］.南京，南京理工大學，2009：10-16.

中圖分類號：TV221.1；P217

文獻標識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）01-0054-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.020

收稿日期：2015—11—10

作者簡介：任彤（1990—），男，助理工程師，主要從事水文應急監測工作。