三維激光掃描技術在水庫地形測量中的應用

李曉娥

（山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030024）

0.引言

三維激光掃描技術是全新的測繪技術，是繼GPS之后測繪行業的一次技術革命，它是利用激光測距原理，記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，是一種大面積高密度的非接觸式主動測量技術。該技術可以直接從實物進行快速數據采集及模型重構，將測繪作業方式由接觸式單點測量轉變成了非接觸式的三維立體數據的采集方式，縮短了觀測時間，降低了外業中的安全風險，同時具備精度高、非接觸式、兼容性好等優勢。該技術已被大量應用于地形圖測繪，此次工程就是三維激光掃描在大壩地形測量中的應用。

1.工程概述

某水庫距縣城約50km，水庫主要建筑物包括主壩，左岸一個溢洪道，一個調節池，主要任務是為下游攔沙、防洪和防汛，同時還擔負著城市部分工業、生活用水及農田灌溉，水庫經過多年運行使用，部分工程設施老化、損壞，存在很大的安全隱患，近年來，國家加大了對中、小型病險水庫整治的力度，結合此契機，對水庫進行除險加固工作，具體內容有:

（1）水庫下游蓄水壩局部1∶1000地形圖測量；

（2）溢洪道上游引渠至下游坎壩兩側結構上口外擴100m，進行1∶200地形圖測量，精確測量橋、閘尺寸及相關高程；

（3）公路縱、橫斷面測量。此次測量工作中，測區兩岸山體雄厚、地勢陡峭，屬高山地貌，氣候寒冷干燥，通行、通訊條件非常差，高差較大，轉點也較多，作業難度相對很大，溢洪道兩側均為陡峭山體，這種特殊復雜的地理環境給測量工作帶來巨大的挑戰。使用傳統測量方式，工作量大且精度不均勻，采用高精度的三維激光掃描技術結合RTK作業方式，對該地區進行數據采集。激光掃描技術用于獲取整個測區的點云數據，RTK主要測量部分困難隱蔽地區，以及村莊、道路和水下地形，項目共投入3人，1臺萊卡P40三維激光掃描儀，3臺南方靈銳S86RTK。地面三維激光掃描技術結合RTK進行測量，可充分利用三維激光掃描和RTK各自的優點，有效降低了現場測量工作的安全風險，提高外業測量工作的效率和精度，為工程設計和施工提供數據支撐。

2.技術路線

三維激光掃描儀大比例尺測圖技術流程（如圖1所示）:

圖1 技術流程

3.三維激光掃描測量

3.1 應用設備及軟件

應用于本工程的激光三維掃描儀為萊卡P40三維激光掃描儀，其特點是測量速度快、精度高、安全性好。采用全新激光LiDAR系統，Ⅰ級安全激光，對人眼無害；測角精度8"，測距精度1.2mm+10ppm；掃描精準噪聲低，掃描速率高達1,000,000P/S；掃描細節更犀利，掃描距離可達270m；精密雙軸補償，精度高達1.5＂，點云精度有保障；特有的機載校準功能，自行校準，節省成本；標靶獲取距離遠精度高，減少設站次數；適用于工程測量、建筑和外立面測量、考古和文化遺產存檔、城市建模、土木工程等多領域的測量應用。

配套的軟件是相應的點云數據處理軟件Cyclone。可以完成點云拼接、剔除噪點、植被過濾、數據抽稀、矢量數據創建以及計算添挖方量等相關功能。

3.2 數據采集

數據采集是一個很重要的環節，它直接關系到最后創建出的三維模型質量。

3.2.1 準備工作

了解測量儀器所處的自然環境、氣候條件、交通和通訊條件等，與業主單位進行溝通，收集相關資料，制定方案。

3.2.2 掃描站布置

掃描站應設置在視野開闊、地面穩定的安全區域；充分考慮掃描效果，均勻布設，對測區進行全面覆蓋，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。地形復雜、通視困難或線路拐角較大的測區要增加掃描站次數；溢洪道兩側的密林、山洼等難以到達的地方，要在這些區域的正對面的較高位置架設儀器，（使掃描光線和地面的交角增大，從而提高儀器的掃描能力并減少掃描漏洞），必要時可搭設平臺架設掃描站。經過初勘，在大壩上利用RTK布設4個控制點，以控制測區測量精度（如圖2所示）：

圖2 壩址局部圖

3.2.3 參數設置

角分辨率選用0.04，以獲得更精細的點云模型，這樣激光束就能更多地穿過植被，采集到地形點，為植被過濾運算提供真實的地表高程，從而提高植被剔除率。姿態估計中，設站為已知點的選擇姿態估計模型（儀器內置羅盤，可定位大致北方向，利于數據拼接）。

3.2.4 點云數據采集

地形點、地類界、山梁、山窩等特征點、特征線均采用三維激光掃描儀采集，先進行目標物預掃描，然后在每個測站進行逐區域、逐幅面掃描，獲取點云數據，要滿足有效的點云重疊度在相鄰掃描站間不低于30%，困難區域重疊度不低于15%。同時現場測量中需要影像數據（影像圖片），影像數據不僅可以為點云數據解譯和物體辨別提供參考，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。掃描時如出現斷電、死機以及儀器位置異常等現象，應初始化儀器，重新掃描。隱蔽地區、房屋道路、水下地形以及測量檢查點利用RTK進行采集。最后匯總全部測量數據，進行綜合檢查，確保數據的完整性和可用性。

3.3 掃描數據處理

數據預處理流程包括點云數據配準、坐標系轉換、降噪和抽稀、圖像數據處理等。

3.3.1 點云配準

對同一個物體進行多次掃描，會有多個點云數據，將兩組數據中同一點的點云進行匹配，也是將點云從掃描儀內部坐標轉換為外部坐標的過程。結合重疊度、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，得到測區坐標統一的點云數據。

3.3.2 坐標轉換

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，水利工程需要點云具有絕對坐標來滿足工程需要。由于Cyclone軟件采集的數據過程中沒有賦予點云絕對坐標，需要通過站點拼接轉換為絕對坐標。此次工程是利用大壩上的控制點進行坐標轉換。

3.3.3 降噪與抽稀

由于大氣折光、水面折射等原因，地面激光掃描所得到的點云模型存在一些錯誤的數據，也就是噪點。在導出地形點之前必須剔除非地形數據，如,植被、電線和房屋等。這就需要通過數據預處理來把這些數據解析出來剔除掉，方式有人工選取與刪除、數據濾波、數據平滑、數據縮減和數據分割等。比如，脫離掃描目標物的異常點、孤立點，需采用濾波或人機交互的方式進行降噪處理。通過預處理方式可以提高數據的質量，降低模型重建的復雜度，并提高模型重構的精確度和速度。點云數據的抽稀應不影響目標物特征識別與提取，且抽稀后最大點間距應滿足（如表1所示）:

表1 點云精度與技術指標

隨著數據預處理算法的不斷完善，其自動化程度越來越高，在本項目中點云去噪和植被過濾工作基本由軟件自動完成。

3.3.4 圖像數據處理

圖像數據處理包括圖像色彩調整、變形糾正、圖像配準、格式轉換等。

3.4 成果制作

3.4.1 生成數字高程模型（DEM）

利用高精度點云數據以及在地形突變區增設的地物點提取采集特征點、特征線，構建不規則三角網（TIN），進行DEM內插、DEM數據編輯、接邊、鑲嵌和裁切，生成最終的數字高程模型，點云可能存在漏洞，在建模過程中進行修補和編輯。

3.4.2 生成數字線劃圖（DLG）

過濾后的點云模型可直接提取地類界、山梁和山窩等特征線，根據成圖比例尺和地形類別，確定等高距，利用地面點云提取地面高程，內插生成等高線。根據影像數據、激光點云數據采集地形、地物特征點，把橋、壩址、溢洪道、道路、房屋、水系、電力線、管線井、植被等地物在CASS9.2軟件中繪制，把等高線和地物拼接在一起，進行圖面整飾，對內業無法判定的地物進行外業核查和補測，圖幅整飾按相關規范進行，最終生成DLG線劃圖:

3.4.3 斷面圖

拼接后的點云模型結構很精細，能充分反映地形剖面的變化，可用于繪制斷面圖。將點云模型數據按較小間隔抽稀、導出，在南方CASS軟件中生成斷面圖。

三維激光點云數據生成的斷面圖與RTK實測斷面圖進行對比（如圖3所示），兩者形態非常接近，在地形變化明顯處略有差別，分析其原因為：RTK采集時注重整體地形的變化，根據地形測量有所取舍，生成的斷面圖較規則；三維激光掃描點云數據，未做取舍，反映的剖面細節更加多樣性。在地形平緩地段、地形變化不明顯處，人為取舍的圖形和實地地形差別較少，因此，在對比圖中實地地形平緩處兩條斷面圖形基本重合，這就可以利用激光掃描的非接觸式采集優勢，得到所需要的測繪資料。

圖3 三維激光掃描及RTK實測斷面圖比較

3.5 精度統計

地形圖按50cm×50cm分幅，共14幅圖，每幅圖選取15個點，共計210個檢查點，進行三維激光掃描數據和RTK數據比較，通過GPS-RTK實測，選取多個特征點（電桿、房角、臺階角），在點云數據中提取同名點，計算出地物點平面位置中誤差和高程注記點中誤差（如表2所示）：

表2 三維激光掃描點云精度統計

地物點平面位置中誤差為±28.9mm，小于限差±400mm，高程注記點中誤差為±22.3mm，小于規范規定的1/3等高距（1∶500地形圖等高距0.5m，限差167mm）。誤差包括測量誤差、計算模型、參數設置偏差和點云同名點選取誤差等。測量成果精度滿足要求，可供工程設計使用。

4.結束語

地面激光掃描技術已經逐漸成為測繪發展的趨勢。其數據采集簡單快捷，信息量豐富、效率高，關鍵技術也逐漸成熟，近幾年已逐漸應用于多個領域，但也存在一些局限性，儀器價格昂貴、作業成本較高，從數據采集到建模如何實現全程自動化和高效化，以及各站數據的無縫拼接，是值得不斷探討的課題。