地面三維激光雷達在壩區地形測量中的應用

盧勤秀，龍超，曾飛翔，付文博

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.電金沙江上游開發有限公司葉巴灘分公司，四川 成都 610041)

1 引 言

三維激光雷達[1]是一種集成多種高新技術的新型測繪技術，采用非接觸高速激光測量方式，通過點云的形式獲取地形和復雜物體三維表面陣列式幾何圖形數據。三維激光雷達包括機載三維激光雷達和地面三維激光雷達，機載三維激光雷達數據采集速度快，數據處理高效，非常適合具有大面積、長距離特性的工程測量，主要應用在數字城市[2]、氣象與環境監測[3]、高速公路[4]、農林牧業[5]、國土資源、輸電線路[6]等測繪領域。地面三維激光雷達具有采集精度高、應用靈活、能夠實現細節特征自動化提取等特點，在文物保護[7]、三維建筑建模、地形勘測[8]、變形監測[9]等領域得到廣泛的應用。

水電站壩區地形往往比較陡峭，地質地貌復雜，人工測量具有較大的施工風險，采用航空測量雖然效率極高，但不能有效解決斷層、倒懸崖、植被重疊覆蓋等具體問題，因此，地面三維激光雷達成為水電站壩區地形測量的優先選擇。

2 項目概況

葉巴灘水電站位于金沙江上游河段上，系金沙江上游13個梯級水電站的第7級，其上游是波羅水電站，下游是拉哇水電站；壩址位于金沙江支流降曲河口下游 600 m處，左岸屬四川甘孜藏族自治州白玉縣，右岸屬西藏自治區昌都地區貢覺縣。測區兩岸山體雄厚、地勢陡峭，山頂高程大于 4 000 m，最大相對高差超過 1 000 m，屬高山地貌，氣候寒冷而干燥，通行條件、通訊條件非常差，作業難度極大；壩址所在區域河谷狹窄、谷坡陡峻，屬深“V”型峽谷，存在大量倒懸崖地貌。這種特殊復雜地理環境對測量工作帶來巨大挑戰。葉巴灘水電站壩區實景圖如圖1所示。

圖1 葉巴灘水電站壩區實景圖

結合壩區地形地貌特點，為有效降低現場測量工作的安全風險，提升外業測量效率和數據精度，同時避免留下測量死角，采用地面三維激光雷達技術對葉巴灘水電站進行地形測量，通過細節特征自動化提取，生成 1∶1 000、 1∶500大比例尺地形圖和數字高程模型，為工程設計和施工提供數據支撐。

3 現場數據采集

項目采用RIEGL VZ-4000地面三維激光掃描儀進行現場點云數據采集，采用GPS-RTK獲取每個測站和測區內主要/重要地物特征點的坐標值和高程值。主要流程為：

(1)準備工作

接到項目測量任務后，就測量地所處自然環境、氣候條件、交通和通訊條件等與業主單位進行充分溝通，并進行相關資料收集，制定現場工作方案。

(2)測站布置

經過現場初勘，合理確定測站架設位置，需充分考慮掃描效果，對測區進行全面覆蓋，保證測區數據的完整性，并確保相鄰測站之間存在一定的重疊區域，以便后期數據處理。本次測量充分考慮測區大落差、倒懸崖、深“V”峽谷地形地貌特征，兩岸分層架設，沿江共布置46個測站，確保對測區的全覆蓋，并保證任意相鄰測區存在重疊區域，如圖2所示。

圖2 測站布置圖

(3)參數設置

RIEGL VZ4000掃描儀的詳細參數如表1所示。在實際應用中，應結合測量精度要求和實際需要進行掃描密度等參數設置。

RIEGL VZ4000掃描儀詳細參數 表1

(4)目標物預掃描

選擇測站位置后，需要對測區進行預掃描，以進一步確定測站位置的合理性和可用性，預判測量效果及覆蓋范圍是否能夠達到預期要求。

(5)逐區域掃描

對每一個測站進行逐區域、逐幅面掃描，直到全部測站掃描結束。需要注意的是，單個測站掃描結束后，需要對測量數據進行初步檢查，確保該站數據已經全部獲取完畢。

(6)影像數據采集

在現場測量中，需要獲取必要的影像數據。影像數據不僅可以為點云數據解譯和點云數據物體辨識提供參考，提高點云數據的編輯效率、配準精度和拼接精度，還可以用于制作紋理模型，為建立虛擬現實的真彩色三維模型提供原始數據。

(7)特征點數據獲取

進一步對測區范圍內的主要/重要地物特征點、檢查點的坐標及高程數據進行采集，以便后期數據處理和精度校驗。

(8)數據完整性檢查

數據采集的最后一步是對全部測量數據進行綜合檢查，確保數據的完整性和可用性。如果數據完整性不足，則需進行補測，直到數據完整可用為止。

4 數據處理

地面三維激光雷達數據處理主要包括數據預處理、點云數據拼接、點云數據分類和生成數字成果等[10]。本項目中，數字成果主要是數字高程模型(DEM)和數字線劃圖(DLG)，數據處理流程如圖3所示。

圖3 地面激光雷達數據處理流程圖

(1)數據預處理

由于大氣折光、水面折射等原因，通過地面激光雷達掃描得到的點云數據往往存在一些錯誤的數據，也就是常說的噪點，必須通過數據預處理把這部分數據剔除掉，以提高數據質量，降低建模的復雜度，并提高模型重構的精確度和速度。數據預處理的方法包括人工選取與刪除、數據濾波、數據平滑、數據縮減和數據分割等，隨著數據預處理算法的不斷完善，數據預處理自動化程度越來越高。在本項目中，數據預處理工作基本由軟件自動完成。

(2)點云數據拼接

所謂點云數據拼接，即是定義工程坐標系下每個測站SOP矩陣的過程，也就是通過坐標變換、旋轉和平移等技術，把掃描儀坐標系下的點云轉換到工程坐標系下，結合重疊區、特征點、特征線等信息和影像數據，將不同掃描面、不同測站得到的數據進行配準拼接。常用的拼接方法有基于標靶點的自動拼接和手動拼接。由于峽谷兩岸架設測量站點相距較遠，標靶點布置困難，識別率較差，定位精度低，故本項目主要采用后視定向和MSA多站平差相結合的拼接方式。

(3)點云數據分類

使用專業的數據分類軟件，完成對細節特征自動化提取和數據分類、過濾，通過人機交互對自動化分類后的點云數據進行檢查和進一步修正，進而得到趨于真實地面的純地表三維激光點云數據。

(4)生成數字高程模型(DEM)

根據分類得到的高精度點云數據，以及為提高精度在地形突變區提取的特征點數據，構建不規則三角網，生成體現倒懸崖實體的曲面模型；基于不規則三角網內插生成最終的數字高程模型(DEM)，如圖4所示。

(5)生成數字線劃圖(DLG)

根據影像數據、激光點云、數字高程模型，按照國家圖式規范和工程應用對于精度的要求，制作相應的數字線劃圖(DLG)，如圖4所示。

圖4 數據處理成果

5 應用效果

5.1 精度校驗

由于測量儀器自身存在誤差、測量過程存在人為誤差、拼接過程存在誤差以及控制點坐標存在測量誤差等因素，最終成果能否滿足精度要求，需要通過精度校驗來確認。本項目共557個檢查點，覆蓋整個測區，顧及不同地形類別，在地形變化劇烈區域適當增加檢查點分布密度，并兼具代表性和可操作性，抽取其中35個檢查點進行地物特征點位平面精度校驗(表2)，平面位置中誤差為 ±0.157 m，滿足《水利水電工程工程測量規范》對于 1∶500地形測量成果精度要求。

地物特征點平面精度校驗表 表2

抽取28個檢查點與激光點云模型進行高程校驗(表3)，高程中誤差為 ±0.155 m，滿足《水利水電工程工程測量規范》對于 1∶500地形測量成果精度要求。

激光點云模型高程精度校驗表 表3

5.2 倒懸崖地形測量成果

倒懸崖地形具有通達性差、容易形成測量死角等特征，傳統測量方法很難得到精確的地形數據，項目采用地面三維激光雷達進行測量，不僅能夠克服這些問題，而且能夠高效獲取數據，并利用數據處理軟件獲取不同需求情景的測量成果(圖5)，具有獨特的優勢。

圖5 倒懸崖地形測量成果

5.3 土石方量計算

激光點云數據精度高，利用其所生成的大比例尺數字高程模型(DEM)完成土石方量計算得到的結果精準度高，通過優化設計方案，減少挖、填方量和棄土，為實現填挖平衡提供可能性，節約項目實施成本，擁有傳統測量所無法比擬的優勢[11]。項目以設計斷面圖和數字高程模型為依據，采用內業復核計算方式對進場公路交通工程土石方設計工程量進行計算和復核。結果表明，采用激光點云數據生成的斷面圖和數字高程模型計算得到的土石方量更加接近項目審定數值，相對誤差明顯小于用傳統方法計算得到的施工圖工程量。

進場公路土石方量計算復核結果 表4

6 結 論

葉巴灘水電站測區范圍大，地形復雜，采用地面三維激光雷達技術進行地形測量，最終生成合格的 1∶1 000、1∶500大比例尺地形圖和數字高程模型，為項目實施提供高質量的基礎數據。應用表明，地面三維激光雷達測量精度高、速度快，并有效降低野外作業工作強度和危險性，實現一次外業作業可為多種比例尺地形成果提供基礎數據，測量結果能夠滿足不同用戶的諸多需求，是倒懸崖等特殊復雜條件壩區地形測量的理想選擇。