三維激光掃描測量技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用

李旻

【摘要】：隨著信息技術(shù)研究的深入水利水電工程地質(zhì)由二維平面、剖面圖向BIM三維模型的轉(zhuǎn)變，水利工程從業(yè)人員對(duì)獲取三維數(shù)據(jù)的需求更加迫切。現(xiàn)階段水利水電工程從業(yè)人員已熟練掌握傳統(tǒng)測量的方法，但它們在獲取信息數(shù)據(jù)的效率較低，多用于目標(biāo)點(diǎn)的測量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)為水利水電工程從業(yè)人員獲取三維數(shù)據(jù)提供了全新的技術(shù)手段。但是目前這項(xiàng)技術(shù)在水利水電行業(yè)中還未廣泛應(yīng)用。本文章主要講述了三維激光測量技術(shù)的概念、意義，技術(shù)特點(diǎn)，產(chǎn)品類型以及應(yīng)用方向。

【關(guān)鍵詞】水利水電；工程地質(zhì)；三維測繪；技術(shù)特點(diǎn)；產(chǎn)品構(gòu)成及類型；應(yīng)用方向

一、前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們國家的水利水電行業(yè)發(fā)展的也越來越快，開展了許多的戰(zhàn)略措施，例如南水北調(diào)等等。隨著我們國家科技的進(jìn)步，水利水電行業(yè)也在發(fā)生著巨大的改變，BIM工程地質(zhì)建模逐漸的被人們關(guān)注，并把這一項(xiàng)技術(shù)逐漸應(yīng)用在水利水電行業(yè)中，三維激光掃描測量技術(shù)在BIM中的應(yīng)用是最基礎(chǔ)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，但在水利水電勘察中應(yīng)用較少。

二、三維激光掃描測量技術(shù)的概念

三維激光掃描測量技術(shù)（實(shí)景復(fù)制技術(shù)）是20 世紀(jì)末開始出現(xiàn)的一種以非接觸主動(dòng)測量的方式獲取大量空間點(diǎn)數(shù)據(jù)的技術(shù)，是繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)飛躍，該技術(shù)主要利用激光掃描儀，去采集物體表面各個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率、顏色等數(shù)據(jù)信息，在水利水電工程中利用這些信息不僅可以快速建立BIM三維模型，也可以對(duì)后續(xù)水電工程施工測量、工程監(jiān)測等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息。

三、三維激光掃描測量技術(shù)的特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)，可以總結(jié)為高精度、高速度、高分辨率、非接觸式、優(yōu)良的兼容性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，相比以往的測量方式，可以極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便，其輸出格式可直接對(duì)接CAD、3DMAX等工具軟件，是為當(dāng)下水利水電工程設(shè)計(jì)逐漸立體化、信息化獲取工程地質(zhì)信息的一種新的技術(shù)手段，同時(shí)三維激光掃描測量還是一種集空間數(shù)據(jù)測量、影像測量于一身、從傳統(tǒng)單一的地面平面測量，轉(zhuǎn)變?yōu)槿S的空間測量，可以在更復(fù)雜，測量條件更糟惡劣的地點(diǎn)進(jìn)行測繪工作的高科技測量手段；并且測量數(shù)據(jù)的精度高，采集的數(shù)據(jù)量大，同時(shí)與計(jì)算機(jī)手段相結(jié)合，以達(dá)到更好的測量效果，對(duì)于數(shù)據(jù)處理也有著更快的效率；對(duì)于在水利水電BIM工程地質(zhì)建模工作，帶來了極大的便利性。

四、三維激光掃描測量產(chǎn)品類型及組成

現(xiàn)今三維激光掃描系統(tǒng)，按照測量方式可以分為脈沖式和相位式，脈沖式主要運(yùn)用與遠(yuǎn)距離測量中，國外最優(yōu)秀的機(jī)器最大測距可達(dá)6km，國內(nèi)同技術(shù)產(chǎn)品測距多在1.5km左右，相位式主要用于短距離測量中，其優(yōu)勢是價(jià)格較便宜，體積較小。按照操作平臺(tái)主要就是分為三大類：手持式、機(jī)載式和地面式三維激光掃描系統(tǒng)；

隨著科技的進(jìn)步，地面脈沖式三維激光掃描系統(tǒng)的體積逐漸縮小、價(jià)格逐漸下降、精度不斷提高、測量范圍大，成為最適合在水利水電工程領(lǐng)域中使用的系統(tǒng)，地面脈沖式掃描儀中最有名的是瑞士Leica公司，其他的還有美國Trimble公司等。隨著我國科技的進(jìn)步近年來也有企業(yè)生產(chǎn)出這類產(chǎn)品，如武漢大學(xué)和北京天遠(yuǎn)三維科技有限公司的自主研發(fā)的三維掃描儀。

地面脈沖式三維激光掃描系統(tǒng)主要由掃面單元、控制單元、電源、三角架和標(biāo)靶五部分組成。

五、三維激光掃描在工程測量中的應(yīng)用步驟

1、現(xiàn)場踏勘布設(shè)控制點(diǎn)。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)階段新式的三維激光掃描儀已具有對(duì)中、平整功能，可像全站儀一樣設(shè)立在已知控制點(diǎn)上進(jìn)行掃面測量工作，在對(duì)控制網(wǎng)進(jìn)行布設(shè)過程前，需要根據(jù)擬定工程勘察范圍內(nèi)的地形、環(huán)境進(jìn)行簡單的勘察，選擇出適合控制點(diǎn)，由于控制點(diǎn)的精度會(huì)對(duì)三維激光掃描產(chǎn)生的點(diǎn)云坐標(biāo)精度存在一定的影響，所以需先用全站儀對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，同時(shí)用水準(zhǔn)儀測量控制點(diǎn)的高程信息，之后架設(shè)儀器開始測量。

2、采樣間隔的設(shè)定。采樣間隔過大，采集的點(diǎn)數(shù)據(jù)就較少，后期在處理數(shù)據(jù)時(shí)，精度就會(huì)受到影響，相反采樣間隔過小，采集的點(diǎn)數(shù)據(jù)就較多，后期在處理數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)量會(huì)比較大，影響工作效率。因此在比較通視的場景下，每個(gè)測站點(diǎn)的間距建議設(shè)在100m左右，最好相鄰測站見有一部分測量區(qū)重合。在不通視的測量區(qū)內(nèi)，適當(dāng)增加測站點(diǎn)，確保所有待測區(qū)均被儀器掃描到。

3、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理。經(jīng)過外業(yè)掃描工作得到的數(shù)據(jù)量非常龐大，其中含有有用的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息；也包含植被、風(fēng)沙等無用的數(shù)據(jù)信息點(diǎn)。因此這些點(diǎn)數(shù)據(jù)必須經(jīng)過處理才能更好的運(yùn)用，構(gòu)建BIM地質(zhì)模型。首先將位于不同控制點(diǎn)下測量的數(shù)據(jù)拼接在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)，其中Leica公司的掃描儀帶有Cyclone和I-Site軟件可以將所有測站點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后一次性放入需要的地理坐標(biāo)系中。同時(shí)掃描過程中無用的數(shù)據(jù)信息點(diǎn)也可以用Cyclone軟件手動(dòng)刪除，如果點(diǎn)數(shù)據(jù)信息過于龐大，則可以用軟件先進(jìn)行數(shù)據(jù)抽稀之后在將無用數(shù)據(jù)信息手動(dòng)刪除。

4、導(dǎo)入BIM軟件建立地質(zhì)模型。經(jīng)過處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由大量的離散點(diǎn)在空間中進(jìn)行排列，將這些點(diǎn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入BIM軟件中即可生成連續(xù)的不規(guī)則三角網(wǎng)，同時(shí)軟件還將對(duì)這些面進(jìn)行平滑優(yōu)化處理，相比較現(xiàn)在所使用的利用地形圖數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)化為三維模型的方法，利用點(diǎn)數(shù)據(jù)生成的模型有多種優(yōu)勢，其一就是精確度，現(xiàn)階段水利水電行業(yè)的BIM模型是由地形圖在轉(zhuǎn)化為三維模型，在轉(zhuǎn)化過程中不可避免的會(huì)丟失一些信息，同時(shí)BIM軟件對(duì)地形圖中有效的信息識(shí)別并不是那么智能化，因此轉(zhuǎn)化出的模型常常有許多部分與實(shí)際不符，所以利用地形圖轉(zhuǎn)化BIM模型的方法在前期有大量的優(yōu)化工作要做。其二是三維掃描系統(tǒng)除了點(diǎn)云數(shù)據(jù)外還有顏色、圖像和反射率等信息，在后續(xù)完善地質(zhì)模型的過程中三維影像、圖形資料和現(xiàn)場測繪資料的結(jié)合能大大提高模型資料的準(zhǔn)確度和真實(shí)度。

六、三維激光掃描測量在水利水電工程中的應(yīng)用

三維激光掃描測量技術(shù)在水利水電工程中除了可以采集三維信息建立BIM模型外。還可以貫穿整個(gè)工程建設(shè)周期，主要有以下六個(gè)方面：

1、地質(zhì)測繪。三維激光掃描測量是工程測量的一種，其在多方面可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量手段，而且相比傳統(tǒng)測量手段，三維激光掃描測量同時(shí)采集三維影像和顏色數(shù)據(jù)，結(jié)合勘探資料，在BIM模型中建立的地層接觸面、不良結(jié)構(gòu)面等更加準(zhǔn)確。

2、滑坡監(jiān)測。利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)滑坡體的測量，可以準(zhǔn)確判斷滑坡體是否發(fā)生滑動(dòng)，滑坡體的穩(wěn)定性如何，滑坡體體積大小，以及滑動(dòng)后原始地貌和現(xiàn)狀地貌的區(qū)別準(zhǔn)確判斷滑坡發(fā)生量。

3、大壩監(jiān)測。現(xiàn)階段利用傳統(tǒng)手段在大壩運(yùn)行過程中難以發(fā)現(xiàn)大壩細(xì)微的變化，通常是在發(fā)生明顯滲漏，沉降裂縫和變形裂縫時(shí)在利用探查手法尋找原因，而通過三維激光掃描測量，可以建立不同時(shí)刻的大壩模型，（下轉(zhuǎn)第頁）

（上接第頁）

以用來時(shí)刻監(jiān)測大壩是否發(fā)生變形、沉降、滲漏等。

4、變形監(jiān)測。同大壩監(jiān)測，傳統(tǒng)變形監(jiān)測過程復(fù)雜，在施工過程中小的變形常常被施工單位忽視，等發(fā)生明顯形變時(shí)在尋找補(bǔ)救措施，而三維激光掃描測量的便利性和快速性使得變形監(jiān)測過程簡單化、準(zhǔn)確化。

5、開挖量的計(jì)算。現(xiàn)階段工程隧洞、渠線工程開挖量的結(jié)算多是采用連續(xù)斷面求平均結(jié)合隧洞、渠線長度求得開挖量，這種方法在實(shí)際生產(chǎn)過程中有很多問題，一是工程較大需要很多的開挖斷面，二是測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因?yàn)楣こ坦て诘南拗坪捅O(jiān)理人員的短缺，測量數(shù)據(jù)常常有很多問題，在單一斷面中看影響不大，但是在系統(tǒng)工程里總量的差別是距大的，而三維激光掃描技術(shù)對(duì)于實(shí)際開挖發(fā)生量的計(jì)算提供了簡單、準(zhǔn)確、快捷的手段。

6、病險(xiǎn)水庫的加固。通過三維激光掃描技術(shù)監(jiān)測大壩，可以準(zhǔn)確、清楚的標(biāo)出水庫發(fā)生問題的具體發(fā)生部位，結(jié)合一定的勘探手段可以使病險(xiǎn)水庫的加固更加可靠、穩(wěn)定。

七、結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)早已誕生，隨著科技進(jìn)步，先已逐漸進(jìn)入工程建設(shè)領(lǐng)域，目前在主要應(yīng)用在建筑領(lǐng)域，水利水電工程中的應(yīng)用較少，但是隨著BIM系統(tǒng)工程在水利水電行業(yè)中的興起，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于BIM系統(tǒng)工程的建立有著巨大的作用，我們應(yīng)當(dāng)積極引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，與水利水電工程勘察、施工、設(shè)計(jì)結(jié)合成為一種新的系統(tǒng)體系，為水利水電行業(yè)的發(fā)展起到幫助和促進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱磊 王健 畢京. 三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用. 山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院.2014（05）：6

[2] 學(xué)趙偉 周林清.地面三維激光掃描技術(shù)在工程測繪中的應(yīng)用思考.2015（24）

[3] 花向紅.地面三維激光掃描技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)研究.武漢大學(xué)測繪學(xué)院.2014

[4] 姜如波.基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型重建.蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院.2013（03）：113