三維激光掃描技術在水利工程地形測繪中的應用

劉曉芳++田蘭芬

摘 要：隨著科技的發展，三維激光掃描技術在水利工程地形測繪工作中的應用越來越廣泛。文章簡單介紹了三維激光掃描技術的工作原理，對該技術在地形測繪中的應用做了細致的分析。

關鍵詞：三維激光掃描技術；水利工程；地形測繪；應用

中圖分類號：P258 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0141-02

地形測繪作為水利工程建設的基礎性工作，有效提升其工作效率是測繪人員的重點研究方向。三維激光掃描技術憑借其優越性在水利工程的開展中得到了越來越廣泛的應用，本文對三維激光掃描技術在水利工程地形測繪中的應用展開了探討。

1 三維激光掃描技術的工作原理

將激光作為測距載體使用，其單色性、相干性、高亮度、方向性等特性可以極大的提升測量的精度、效率以及可操作性。隨著傳感器和計算機技術的快速發展，三維激光掃描技術的速度、精確度和抗干擾能力也得到了進一步的提升，有助于實現更長距離的作業。三維激光掃描技術的操作難度和作業成本的下降，使得該技術擁有了更大的應用范圍。

三維激光掃描技術最主要的設備是三維激光掃描儀，該設備根據測距方式的不同可以分為三角式、相位式和脈沖式三種，其中三角式和相位式的測量范圍比較小，脈沖式的測量范圍比較大，因此實際的測距工作一般采用脈沖式掃描儀。脈沖式三維激光掃描儀的測量方法是非接觸式的高速激光測量，可以通過點云形式細致展現出所測物體的幾何特征，其工作原理是激光發射器發射出激光脈沖投射至被測物體，反射光由接收器接受，然后根據高精度的鐘表對激光脈沖往返時間差進行測量與記錄[1]。測距儀與被測物體間的距離是光速和時間差乘積的二分之一，光速精度可以通過提升影響大氣折射率的氣溫氣壓等因素的測量精度來控制，時間精度可以通過合理的判別技術來控制。測距時，掃描儀可以通過內置的角度測量系統來對激光束的水平角和垂直角進行測量，從而得到掃描點在掃描儀定義的坐標系中的坐標值，同時掃描儀可以記錄激光點位置物體的反射強度并將其定義為反射率，測量原理可以由圖1表示。

2 三維激光掃描技術在水利工程地形測繪中的實際應用

2.1 工程實例

本文以位于青海省的某一個水壩工程為例，該工程涉及到一個全長達400千米的內陸河流，流域面積約為21000平方公里，在洪水期其流量可達到414m3/s。該水壩工程主要功能是發電和引水，水壩的設計高度為120米，周圍主要為沒有植被覆蓋的無人區，由于此區域內的環境不利于航空攝影技術進行地圖測繪工作，而投資方的時間要求比較緊迫，施工方采用了優越性顯著的三維激光掃描技術進行相關工程的開展。

2.2 外部作業

（1）架站位置的選擇

為了保證可以較為全面的觀測地面信息，工作人員應該遵循保存方便的原則選擇架站方式，科學合理的架站位置的視線寬闊，在使用一些測繪輔助手段時也比較方便。本工程在經過實際的勘測之后，選擇了8個架站位置。

（2）掃描作業

工作人員可以在架設好的測量站配置掃描儀，工程開展過程中使用的掃描儀將空間點云數據作為發射器，然后進行空間極坐標系的自定義。工作人員可以利用操作手簿輸入測站的坐標和后視點的坐標，之后利用專業的軟件（RiSCAN PRO）進行平移和旋轉參數的求取[2]，在將空間極坐標系的原點定義了X、Y、Z坐標和正北方向后，對后視標靶進行瞄準從而確定方向。因為工程區域的地形有一定的起伏，工作人員應記錄后視點坐標與已知數據之差，進行相應的掃描工作，掃描過程還應對溝、坎、梁等數據不易掃描完整的點進行局部精掃，實現定點補充測量。工作人員對每個站點的測量都應遵循上述原則，在掃描作業完成后再次檢驗數據以保證后續工作的順利進行，按要求不同區域間的掃描重合率至少應達到30%。

2.3 數據編輯工作

（1）數據預處理工作

工作人員應利用RiSCAN PRO軟件對采集的數據進行預處理工作，具體操作方式是將測站的信息和后視坐標信息輸入軟件，然后與GPS系統測量的實際點進行比對，保證云數據與正確位置匹配成功。工作人員還應注意，掃描數據可能因為各種因素的影響出現一些噪點，需要在后期進行數據的平滑處理。

（2）數據特征提取

RiSCANPRO軟件的視圖模式比較多，不同的點有著不同的對應顏色，工作人員可以在軟件中直觀的得到地物形狀，可以將特點鮮明的特征線進行標記并建立dxf格式的相應文件，從而補充完成特征數據完成地形編輯工作。

（3）數據拼接工作

實現不同測站掃面信息的拼接，工作人員可以使用迭帶點算法，利用點集之間對接方式完成拼接工作，擬合起伏曲面。拼接使用RiSCAN PRO軟件，差值越小表明拼接效果越好。為了有效減小誤差，工作人員需要在兩個較為接近的測站進行6對以上同名點間的關聯。

2.4 地形圖的生成

生成地形圖的具體步驟如下：第一步要利用RiSCANPRO軟件將處理完成的數據以dxf格式文件導出，第二步利用CASS軟件打開文件實現測量特征數據的補充測量并編輯，第三步是生成地形圖并以dwg格式保存。

2.5 精度分析

激光掃描技術的精度分析有一定不足之處，在直觀生成掃描數據時應對測站中的重合區域進行高差起伏方面的比較。工作人員還應根據測繪完成結果進行測量精度方面的檢驗以保證其精度符合要求。

3 三維激光掃描技術的注意事項

工作人員應嚴格按照要求對三維激光掃描儀進行操作，從而提升儀器的工作效率和結果的精度，具體注意事項如下：

（1）掃描儀自身有著測距和測量角度精度方面的限制，因此被測點精度會隨著掃描距離的增加而降低[3]。工作人員在實際工作的開展時，按照不同的比例尺完成測繪工作，從而保證掃描范圍的科學合理性，這樣實際測量完成后設計的架設點可以與測區相匹配。

（2）測繪常用的掃描儀是RIEGLVZ-1000三維激光掃描儀，該儀器實現工程坐標系和其本身坐標系的轉換是通過后視標靶中的儀器實現的。儀器測點的云數據受到標靶掃描精度和標靶后視點地面實測精度兩方面的影響比較大，因此工作人員提升標靶坐標精度時需根據標靶大小確定掃描距離，最大程度上保證結果的準確性。

（3）數據編輯期間點云數據拼接工作的順利完成需要保

證鄰站之間掃描范圍的重合率。如果重合率小就會對拼接精度產生極大的影響，如果重合率大就會導致外業工作量的增加。

（4）現階段考慮到地形圖測繪軟件對測繪結果的影響，工作人員在進行外業掃描時應注重后期的數據編輯工作。對于一些擁有特點的區域，工作人員應利用其他測量手段除去云數據中與地貌無關的數據，最后需要驗證其精度。

4 結束語

我國的大型水利工程的施工地點主要位于比較偏僻的地區，建設區域的地形一般比較復雜且具有多變特征。三維激光掃描技術具備測繪效率高、速度快、實用性強、數字化程度高的特點，且可以憑借其非接觸主動測量的方式獲得較大范圍內測得的三維空間數據，因此該技術在水利工程地形測繪方面的優越性十分顯著。三維激光掃描技術可以極大提升測量效率和測量結果的精度，極大減少了工作人員的勞動強度，保證了施工企業單位的社會和經濟效益。相關單位應提高對三維激光掃描技術的重視程度，加強該方面的研究，為水利工程的順利開展提供技術支持。

參考文獻：

[1]崔亦芳，丁雙林，施攀.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]楊明珠，董燕.三維激光掃描點云數據處理及建模研究[J].價值工程，2017（12）：117-119.

[3]徐進軍，張毅，王海成.基于地面三維激光掃描技術的路面測量與數據處理[J].測繪通報，2011（11）：34-36.

[4]張元，高峰.三維激光掃描技術在地質測繪和工程測量中的綜合應用分析[J].科技創新與應用，2017（08）：291.endprint