三維激光掃描技術(shù)在水利測(cè)繪中的應(yīng)用

（河南省水利信息中心）

三維激光掃描技術(shù)在水利測(cè)繪中的應(yīng)用

□韓慧穎（河南省水利信息中心）

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以極大地提高測(cè)繪的精度和效率，降低野外數(shù)據(jù)采集強(qiáng)度，更能保障數(shù)據(jù)的實(shí)效性。其具有突出優(yōu)勢(shì)的測(cè)繪手段為實(shí)現(xiàn)智能化水利，尤其是對(duì)坐落在地形變化劇烈的深山峽谷中進(jìn)行水庫(kù)、水電站壩址區(qū)等水利工程的大比例尺測(cè)圖顯得更具優(yōu)勢(shì)；應(yīng)用三維測(cè)繪技術(shù)可以對(duì)水利工程進(jìn)行精準(zhǔn)的變形監(jiān)測(cè)、汛情監(jiān)測(cè)，可為決策者提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的分析，以期在更廣闊的領(lǐng)域中得到應(yīng)用和拓展。

三維數(shù)據(jù)采集；高精度；高效率；水庫(kù)水電站；精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)

0 引言

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning）是測(cè)繪與信息領(lǐng)域中的創(chuàng)新性技術(shù)，被稱為繼GPS技術(shù)之后的里程碑式的革新，已經(jīng)在地形測(cè)繪、文物保護(hù)、城市建筑及工業(yè)等多領(lǐng)域中成功地應(yīng)用，并日漸拓展。

實(shí)踐表明，三維激光掃描技術(shù)是精細(xì)化測(cè)繪中的最佳技術(shù)手段，其具有三大突出優(yōu)勢(shì)：一是非接觸、無(wú)損方式，對(duì)掃描對(duì)象能實(shí)現(xiàn)不可達(dá)目標(biāo)的遙測(cè)；二是精度高，能獲取掃描對(duì)象真實(shí)現(xiàn)狀的三維數(shù)據(jù)，尤其是不規(guī)則幾何外形目標(biāo)，最高精度能達(dá)到幾十個(gè)微米；三是效率高，最高能達(dá)到每秒一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，大大降低了野外數(shù)據(jù)采集強(qiáng)度，能有力保障其時(shí)效性。在努力實(shí)現(xiàn)智能化水利的進(jìn)程中，把三維測(cè)繪技術(shù)運(yùn)用到水利建設(shè)與管理中來(lái)將成為不可或缺的技術(shù)手段，尤其是對(duì)坐落在地形變化劇烈的深山峽谷中進(jìn)行水庫(kù)、水電站壩址區(qū)的大比例尺測(cè)圖顯得更具優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用三維測(cè)繪技術(shù)對(duì)水庫(kù)大壩及其他防洪工程進(jìn)行精準(zhǔn)的變形監(jiān)測(cè)、汛情監(jiān)測(cè)，所完成的信息統(tǒng)計(jì)分析和虛擬，形成準(zhǔn)確、詳實(shí)的技術(shù)成果，可為決策者提供無(wú)可置疑的科學(xué)依據(jù)，必將大大提高防洪保安能力。由于這項(xiàng)技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，為此，筆者對(duì)三維測(cè)繪技術(shù)中的幾個(gè)要點(diǎn)作簡(jiǎn)要闡述，以期與同仁們一起探討、創(chuàng)新。

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)繪，其內(nèi)容主要包括：三維精細(xì)掃描、三維數(shù)據(jù)處理、圖件制作三個(gè)方面：一是精細(xì)掃描：利用現(xiàn)有三維激光掃描，對(duì)掃描對(duì)象進(jìn)行三維精細(xì)數(shù)據(jù)采集，作為資料永久存檔；二是三維數(shù)據(jù)處理：對(duì)原始掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理加工，為后續(xù)工作提供分析依據(jù)；三是圖件制作：用三維點(diǎn)云模型，制作平立剖面圖、特征部位剖面圖等，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)圖件。

1 三維掃描數(shù)據(jù)獲取

1.1 現(xiàn)場(chǎng)踏勘

為能夠更好地了解掃描目標(biāo)的實(shí)際情況，需要親自去現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行踏勘，確定掃描目標(biāo)物的具體位置，然后根據(jù)掃描目標(biāo)物的空間分布、外部形態(tài)、內(nèi)部架構(gòu)，繪制現(xiàn)場(chǎng)草圖，結(jié)合需要掃描的精度和分辨率，大概確定一下掃描站的站數(shù)和位置，畫(huà)出控制網(wǎng)草圖。

1.2 儀器準(zhǔn)備

針對(duì)所要掃描的目標(biāo)對(duì)象，選用合適的三維激光掃描儀，例如RIEGL VZ-1000。

1.3 儀器安置

儀器應(yīng)盡量安置在平坦處，并做固定處理，確保在掃描時(shí)不會(huì)出現(xiàn)震蕩偏移，以保證儀器的安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了能夠得到要掃描的目標(biāo)對(duì)象的完整空間信息，儀器的安置應(yīng)盡量避開(kāi)遮擋物，并使相鄰兩次掃描站的掃描區(qū)域有重疊部分，站點(diǎn)不能設(shè)置太遠(yuǎn)，必須在掃描儀的有效掃描距離內(nèi)，還必須設(shè)置合理的站數(shù)，站數(shù)如果選擇少了，就會(huì)出現(xiàn)掃描盲區(qū)，拼接后的數(shù)據(jù)有黑洞，如果站數(shù)過(guò)多，就會(huì)降低掃描效率，增加掃描時(shí)間，也會(huì)積累拼接的誤差，所以應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置盡量少且合理的站數(shù)，獲得最佳的掃描結(jié)果。

1.4 標(biāo)靶布設(shè)

為了將多個(gè)測(cè)站掃描獲取的不同坐標(biāo)系的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系中，以求獲得目標(biāo)對(duì)象表面完整的形狀信息，合理地布置標(biāo)靶尤為重要?；痉椒ㄅc原則：一是每?jī)蓚€(gè)測(cè)站之間至少應(yīng)放置3個(gè)不在同一直線上的標(biāo)靶；二是測(cè)量標(biāo)靶的位置要遵循“為下一個(gè)測(cè)站服務(wù)”的原則，盡量做到“多站式兼顧”，即將標(biāo)靶設(shè)置在盡可能多的測(cè)站都能掃描得到的位置，以減少標(biāo)靶數(shù)量和點(diǎn)云數(shù)據(jù)在多站點(diǎn)拼接處理的誤差；三是避免遺漏設(shè)置標(biāo)靶。

1.5 掃描目標(biāo)

在掃描目標(biāo)對(duì)象之前，需要設(shè)定分辨率，掃描儀自動(dòng)掃描，掃描完后自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，然后移動(dòng)至下一站，按照作業(yè)流程進(jìn)行下一站的掃描，直至完整獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.6 數(shù)據(jù)檢查與保存

掃描完成后用圖形工作站對(duì)掃描數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，檢查合格數(shù)據(jù)及時(shí)保存。若有區(qū)域漏掃，則需加站掃描，直至數(shù)據(jù)完整可用。

1.7 成果形式及精度要求

近景三維數(shù)據(jù)獲取對(duì)應(yīng)的成果為原始三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；精度為無(wú)損方式，獲取目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有完整性。

2 三維數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云預(yù)處理、點(diǎn)云拼接、整體點(diǎn)云處理、圖件制作等。

2.1 精度要求及控制

一是三維整體點(diǎn)云模型精度與原始點(diǎn)云精度一致；二是在三維點(diǎn)云模型建立各步驟中，通過(guò)改進(jìn)點(diǎn)云簡(jiǎn)化、三角網(wǎng)建立算法，確保整體三維點(diǎn)云模型精度符合要求。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理是三維激光掃描數(shù)據(jù)處理中必不可少的步驟，點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型是后續(xù)內(nèi)業(yè)處理工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)果直接影響到后續(xù)模型建立的質(zhì)量，及利用點(diǎn)云模型進(jìn)行分析、正射影像圖及相關(guān)圖件制作效果。預(yù)處理流程如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云預(yù)處理流程圖

2.2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備三維點(diǎn)云原始數(shù)據(jù)。

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢核

掃描過(guò)程中，由于被掃描物體之間的相互遮擋，難免會(huì)引起數(shù)據(jù)的缺失。同時(shí)，掃描外界條件因素也可能引起數(shù)據(jù)的分層。所以，點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢核是點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理中必不可少的一步。若分層嚴(yán)重，則視該數(shù)據(jù)為不合格數(shù)據(jù)；若分層較少或不存在分層現(xiàn)象，視該數(shù)據(jù)合格，少量分層可通過(guò)后續(xù)點(diǎn)云粗差剔除及去噪操作處理。

2.2.3 點(diǎn)間距量取

點(diǎn)間距量取是指使用三維軟件手動(dòng)抽樣進(jìn)行點(diǎn)云中相鄰兩點(diǎn)之間空間最短距離的量取。通過(guò)點(diǎn)間距量取操作，可檢查所獲取點(diǎn)云密度是否滿足精度要求，并為后續(xù)三維模型建立時(shí)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化步驟提供幫助。點(diǎn)間距應(yīng)滿足精度要求。

2.2.4 粗差剔除

由于測(cè)量過(guò)程中難免儀器出現(xiàn)一些異常振動(dòng)、以及鏡面反射等原因，在真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)中往往混有不合理的噪聲點(diǎn)，包含大量的粗差、錯(cuò)誤和無(wú)關(guān)信息，所以有必要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪和平滑濾波的處理。

2.2.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

運(yùn)用專業(yè)軟件，自動(dòng)將各站三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，并檢查測(cè)站與測(cè)站拼接精度，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。提取目標(biāo)點(diǎn)云，將多余點(diǎn)云刪除，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊導(dǎo)出。

2.2.6 參考系統(tǒng)一

由于激光測(cè)量機(jī)或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)自身結(jié)構(gòu)的不足，以及數(shù)據(jù)處理過(guò)程的需要，在某些情況下需要對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行坐標(biāo)變換，將所有測(cè)站數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸并到獨(dú)立坐標(biāo)系。根據(jù)外業(yè)所測(cè)得標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)正，便于后續(xù)處理。

3 圖件制作

主要是通過(guò)三維點(diǎn)云模型，按照測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)制作立面圖、剖面圖、正射圖等圖件，表現(xiàn)掃描對(duì)象的特征，從而直觀反映相關(guān)信息，并進(jìn)行存檔分析。

利用AutoCAD軟件繪制圖件時(shí)需包括圖廓、圖名、文字標(biāo)注、比例尺等內(nèi)容，各項(xiàng)要求應(yīng)符合工程相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用提供了更為豐富的成果圖件和可視化顯示方法，大大減少了前期的數(shù)據(jù)提取和分析工作，能夠深入理解掃描對(duì)象的現(xiàn)狀信息并且更加有效地管理和保護(hù)。

編輯：左英勇

TP206

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：1673-8853（2017）05-0089-02

2017-04-17