三維激光掃描技術(shù)在水庫地形測量中的應(yīng)用

李曉娥

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030024）

0.引言

三維激光掃描技術(shù)是全新的測繪技術(shù)，是繼GPS之后測繪行業(yè)的一次技術(shù)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(diǎn)的三維坐標(biāo)、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(dòng)測量技術(shù)。該技術(shù)可以直接從實(shí)物進(jìn)行快速數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，將測繪作業(yè)方式由接觸式單點(diǎn)測量轉(zhuǎn)變成了非接觸式的三維立體數(shù)據(jù)的采集方式，縮短了觀測時(shí)間，降低了外業(yè)中的安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)具備精度高、非接觸式、兼容性好等優(yōu)勢。該技術(shù)已被大量應(yīng)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(yīng)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(gè)溢洪道，一個(gè)調(diào)節(jié)池，主要任務(wù)是為下游攔沙、防洪和防汛，同時(shí)還擔(dān)負(fù)著城市部分工業(yè)、生活用水及農(nóng)田灌溉，水庫經(jīng)過多年運(yùn)行使用，部分工程設(shè)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(xiǎn)水庫整治的力度，結(jié)合此契機(jī)，對水庫進(jìn)行除險(xiǎn)加固工作，具體內(nèi)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(cè)結(jié)構(gòu)上口外擴(kuò)100m，進(jìn)行1∶200地形圖測量，精確測量橋、閘尺寸及相關(guān)高程；

（3）公路縱、橫斷面測量。此次測量工作中，測區(qū)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(zhuǎn)點(diǎn)也較多，作業(yè)難度相對很大，溢洪道兩側(cè)均為陡峭山體，這種特殊復(fù)雜的地理環(huán)境給測量工作帶來巨大的挑戰(zhàn)。使用傳統(tǒng)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(shù)結(jié)合RTK作業(yè)方式，對該地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。激光掃描技術(shù)用于獲取整個(gè)測區(qū)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，RTK主要測量部分困難隱蔽地區(qū)，以及村莊、道路和水下地形，項(xiàng)目共投入3人，1臺(tái)萊卡P40三維激光掃描儀，3臺(tái)南方靈銳S86RTK。地面三維激光掃描技術(shù)結(jié)合RTK進(jìn)行測量，可充分利用三維激光掃描和RTK各自的優(yōu)點(diǎn)，有效降低了現(xiàn)場測量工作的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高外業(yè)測量工作的效率和精度，為工程設(shè)計(jì)和施工提供數(shù)據(jù)支撐。

2.技術(shù)路線

三維激光掃描儀大比例尺測圖技術(shù)流程（如圖1所示）:

圖1 技術(shù)流程

3.三維激光掃描測量

3.1 應(yīng)用設(shè)備及軟件

應(yīng)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(diǎn)是測量速度快、精度高、安全性好。采用全新激光LiDAR系統(tǒng)，Ⅰ級(jí)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(zhǔn)噪聲低，掃描速率高達(dá)1,000,000P/S；掃描細(xì)節(jié)更犀利，掃描距離可達(dá)270m；精密雙軸補(bǔ)償，精度高達(dá)1.5＂，點(diǎn)云精度有保障；特有的機(jī)載校準(zhǔn)功能，自行校準(zhǔn)，節(jié)省成本；標(biāo)靶獲取距離遠(yuǎn)精度高，減少設(shè)站次數(shù)；適用于工程測量、建筑和外立面測量、考古和文化遺產(chǎn)存檔、城市建模、土木工程等多領(lǐng)域的測量應(yīng)用。

配套的軟件是相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone。可以完成點(diǎn)云拼接、剔除噪點(diǎn)、植被過濾、數(shù)據(jù)抽稀、矢量數(shù)據(jù)創(chuàng)建以及計(jì)算添挖方量等相關(guān)功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到最后創(chuàng)建出的三維模型質(zhì)量。

3.2.1 準(zhǔn)備工作

了解測量儀器所處的自然環(huán)境、氣候條件、交通和通訊條件等，與業(yè)主單位進(jìn)行溝通，收集相關(guān)資料，制定方案。

3.2.2 掃描站布置

掃描站應(yīng)設(shè)置在視野開闊、地面穩(wěn)定的安全區(qū)域；充分考慮掃描效果，均勻布設(shè)，對測區(qū)進(jìn)行全面覆蓋，并確保相鄰測站之間存在一定的重疊區(qū)域，以便后期數(shù)據(jù)處理。地形復(fù)雜、通視困難或線路拐角較大的測區(qū)要增加掃描站次數(shù)；溢洪道兩側(cè)的密林、山洼等難以到達(dá)的地方，要在這些區(qū)域的正對面的較高位置架設(shè)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(shí)可搭設(shè)平臺(tái)架設(shè)掃描站。經(jīng)過初勘，在大壩上利用RTK布設(shè)4個(gè)控制點(diǎn)，以控制測區(qū)測量精度（如圖2所示）：

圖2 壩址局部圖

3.2.3 參數(shù)設(shè)置

角分辨率選用0.04，以獲得更精細(xì)的點(diǎn)云模型，這樣激光束就能更多地穿過植被，采集到地形點(diǎn)，為植被過濾運(yùn)算提供真實(shí)的地表高程，從而提高植被剔除率。姿態(tài)估計(jì)中，設(shè)站為已知點(diǎn)的選擇姿態(tài)估計(jì)模型（儀器內(nèi)置羅盤，可定位大致北方向，利于數(shù)據(jù)拼接）。

3.2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

地形點(diǎn)、地類界、山梁、山窩等特征點(diǎn)、特征線均采用三維激光掃描儀采集，先進(jìn)行目標(biāo)物預(yù)掃描，然后在每個(gè)測站進(jìn)行逐區(qū)域、逐幅面掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要滿足有效的點(diǎn)云重疊度在相鄰掃描站間不低于30%，困難區(qū)域重疊度不低于15%。同時(shí)現(xiàn)場測量中需要影像數(shù)據(jù)（影像圖片），影像數(shù)據(jù)不僅可以為點(diǎn)云數(shù)據(jù)解譯和物體辨別提供參考，提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯效率、配準(zhǔn)精度和拼接精度，還可以用于制作紋理模型，為建立虛擬現(xiàn)實(shí)的真彩色三維模型提供原始數(shù)據(jù)。掃描時(shí)如出現(xiàn)斷電、死機(jī)以及儀器位置異常等現(xiàn)象，應(yīng)初始化儀器，重新掃描。隱蔽地區(qū)、房屋道路、水下地形以及測量檢查點(diǎn)利用RTK進(jìn)行采集。最后匯總?cè)繙y量數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合檢查，確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。

3.3 掃描數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理流程包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、降噪和抽稀、圖像數(shù)據(jù)處理等。

3.3.1 點(diǎn)云配準(zhǔn)

對同一個(gè)物體進(jìn)行多次掃描，會(huì)有多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將兩組數(shù)據(jù)中同一點(diǎn)的點(diǎn)云進(jìn)行匹配，也是將點(diǎn)云從掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為外部坐標(biāo)的過程。結(jié)合重疊度、特征點(diǎn)、特征線等信息和影像數(shù)據(jù)，將不同掃描面、不同測站得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，得到測區(qū)坐標(biāo)統(tǒng)一的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3.3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

通過坐標(biāo)變換、旋轉(zhuǎn)和平移等技術(shù)，把掃描儀坐標(biāo)系下的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到工程坐標(biāo)系下，水利工程需要點(diǎn)云具有絕對坐標(biāo)來滿足工程需要。由于Cyclone軟件采集的數(shù)據(jù)過程中沒有賦予點(diǎn)云絕對坐標(biāo)，需要通過站點(diǎn)拼接轉(zhuǎn)換為絕對坐標(biāo)。此次工程是利用大壩上的控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(diǎn)云模型存在一些錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，也就是噪點(diǎn)。在導(dǎo)出地形點(diǎn)之前必須剔除非地形數(shù)據(jù)，如,植被、電線和房屋等。這就需要通過數(shù)據(jù)預(yù)處理來把這些數(shù)據(jù)解析出來剔除掉，方式有人工選取與刪除、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)縮減和數(shù)據(jù)分割等。比如，脫離掃描目標(biāo)物的異常點(diǎn)、孤立點(diǎn)，需采用濾波或人機(jī)交互的方式進(jìn)行降噪處理。通過預(yù)處理方式可以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量，降低模型重建的復(fù)雜度，并提高模型重構(gòu)的精確度和速度。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的抽稀應(yīng)不影響目標(biāo)物特征識(shí)別與提取，且抽稀后最大點(diǎn)間距應(yīng)滿足（如表1所示）:

表1 點(diǎn)云精度與技術(shù)指標(biāo)

隨著數(shù)據(jù)預(yù)處理算法的不斷完善，其自動(dòng)化程度越來越高，在本項(xiàng)目中點(diǎn)云去噪和植被過濾工作基本由軟件自動(dòng)完成。

3.3.4 圖像數(shù)據(jù)處理

圖像數(shù)據(jù)處理包括圖像色彩調(diào)整、變形糾正、圖像配準(zhǔn)、格式轉(zhuǎn)換等。

3.4 成果制作

3.4.1 生成數(shù)字高程模型（DEM）

利用高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及在地形突變區(qū)增設(shè)的地物點(diǎn)提取采集特征點(diǎn)、特征線，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），進(jìn)行DEM內(nèi)插、DEM數(shù)據(jù)編輯、接邊、鑲嵌和裁切，生成最終的數(shù)字高程模型，點(diǎn)云可能存在漏洞，在建模過程中進(jìn)行修補(bǔ)和編輯。

3.4.2 生成數(shù)字線劃圖（DLG）

過濾后的點(diǎn)云模型可直接提取地類界、山梁和山窩等特征線，根據(jù)成圖比例尺和地形類別，確定等高距，利用地面點(diǎn)云提取地面高程，內(nèi)插生成等高線。根據(jù)影像數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集地形、地物特征點(diǎn)，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(jìn)行圖面整飾，對內(nèi)業(yè)無法判定的地物進(jìn)行外業(yè)核查和補(bǔ)測，圖幅整飾按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，最終生成DLG線劃圖:

3.4.3 斷面圖

拼接后的點(diǎn)云模型結(jié)構(gòu)很精細(xì)，能充分反映地形剖面的變化，可用于繪制斷面圖。將點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)按較小間隔抽稀、導(dǎo)出，在南方CASS軟件中生成斷面圖。

三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的斷面圖與RTK實(shí)測斷面圖進(jìn)行對比（如圖3所示），兩者形態(tài)非常接近，在地形變化明顯處略有差別，分析其原因?yàn)椋篟TK采集時(shí)注重整體地形的變化，根據(jù)地形測量有所取舍，生成的斷面圖較規(guī)則；三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，未做取舍，反映的剖面細(xì)節(jié)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(shí)地地形差別較少，因此，在對比圖中實(shí)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(yōu)勢，得到所需要的測繪資料。

圖3 三維激光掃描及RTK實(shí)測斷面圖比較

3.5 精度統(tǒng)計(jì)

地形圖按50cm×50cm分幅，共14幅圖，每幅圖選取15個(gè)點(diǎn)，共計(jì)210個(gè)檢查點(diǎn)，進(jìn)行三維激光掃描數(shù)據(jù)和RTK數(shù)據(jù)比較，通過GPS-RTK實(shí)測，選取多個(gè)特征點(diǎn)（電桿、房角、臺(tái)階角），在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取同名點(diǎn)，計(jì)算出地物點(diǎn)平面位置中誤差和高程注記點(diǎn)中誤差（如表2所示）：

表2 三維激光掃描點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)

地物點(diǎn)平面位置中誤差為±28.9mm，小于限差±400mm，高程注記點(diǎn)中誤差為±22.3mm，小于規(guī)范規(guī)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(jì)算模型、參數(shù)設(shè)置偏差和點(diǎn)云同名點(diǎn)選取誤差等。測量成果精度滿足要求，可供工程設(shè)計(jì)使用。

4.結(jié)束語

地面激光掃描技術(shù)已經(jīng)逐漸成為測繪發(fā)展的趨勢。其數(shù)據(jù)采集簡單快捷，信息量豐富、效率高，關(guān)鍵技術(shù)也逐漸成熟，近幾年已逐漸應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但也存在一些局限性，儀器價(jià)格昂貴、作業(yè)成本較高，從數(shù)據(jù)采集到建模如何實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化和高效化，以及各站數(shù)據(jù)的無縫拼接，是值得不斷探討的課題。