三維激光掃描技術在河道測量的應用

陳燕芬 李俊霞

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

進入21世紀,人與自然和諧、可持續發展成為時代主旋律,大江、大河、湖泊、河道的環境保護與疏通治理受到相關部門的高度重視,這也就促使了優化水資源配置和清淤措施的發布與不斷完善[1]。

精準的河道測量數據,是河道建設、治理的數據基礎,在河流開發和水資源利用中占有極其重要的地位,可以為規劃、施工部門提供精準的數據支持,河道測量的主要內容有：河道范圍內的地形圖測繪、河道中線縱斷面測繪、河道橫斷面測繪及沿河重要地物的調查等,其中河道橫斷包含水面以上部分和水下部分[2]。

傳統河道測量主要是通過外業人員到實地測繪河道范圍的地形圖獲取河道數據,但河道地形復雜性,考慮人員的安全性等因素,生產效率相對較低,隨著測量設備和測繪技術的發展和進步,三維激光掃描技術越來越多地被應用于測量工作中。三維激光掃描技術以其獲取點云快速、無接觸、安全等特點,使人們從傳統的人工單點數據獲取變為面狀獲取數據,提高了數據獲取的精度和速度,數據的處理向著智能化和自動化方向發展,在諸多領域都發揮了越來越重要的作用[3]。本文以北京市臺湖鎮地區河道測量為例,介紹了三維激光掃描技術在河道測量中的應用,為該地區清理河道提供了可靠數據基礎。

1 三維激光掃描技術的特點

1.1 三維激光掃描的原理

三維激光掃描儀是通過發射激光束來測定掃描儀與被測物體之間距離,從而確定被測物體與三維掃描儀的相對幾何關系,通過坐標配準,就可以求得點云中每個掃描點的三維坐標[4]。它實現了三維物體到三維數字化的直接轉化。掃描點坐標計算原理及其示意圖如圖1所示[5]。目標點P與掃描儀之間的距離為S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。由此可獲得P的坐標。

三維激光掃描儀按照測距原理的不同，可以分為脈沖式和相位式。脈沖式是利用脈沖激光發射器按照一定分辨率向被測物體發射近紅外波長的激光束,然后接收反射回來的信號,利用光速和信號傳播時間來計算掃描儀與被測物體之間的距離。脈沖式可以通過簡單的技術得到高峰值功率的脈沖,所以適用于長距離的觀測。相位式通過發射正弦波信號來獲取被測物體與掃描儀之間的距離。

(a)三維激光掃描點坐標計算 (b)三維激光掃描系統

兩種方式的點云數據精度都可達到毫米級別,在建筑變形監測、土方測算、大比例尺地形圖測繪、異形建筑物竣工測繪、文化保護領域有著廣闊的應用前景[6]。

1.2 傳統作業方式

傳統方法是用經緯儀、鋼尺、量角器等通過控制點逐點測量碎部點,然后手工計算碎部點的高程和角度,從而得出碎部點的三維坐標。或者用全站儀架設在斷面線的控制點上,儀器進行對中整平,設置后視方向及儀器參數即可進行斷面測量[7]。然后將測繪的數據導入軟件,手工編繪成圖。

河道測量中首先是中線定線測量,即將圖上設計好的中線位置測設于實地,用視線高的方法進行線路水準測量,測出線路中樁的地面高程,根據高程繪制縱斷面圖,再在起終轉交點上架設儀器測定中樁處垂直于中線方向上地面坡度變化點的高程和該點至中線樁的水平距離,繪制橫斷面圖。

1.3 三維激光掃描在河道測量當中的優勢

1.3.1測量方法靈活性

三維激光掃描與傳統測量相結合,能更快捷更精準地測量出碎部點的坐標,也能在控制點上架設掃描儀,進行靜態觀測。

1.3.2數據獲取方式具有優勢

三維激光掃描應用于河道測量中,不用測設中線樁,也不用在起終轉交點上架設儀器進行量測,只需外業通過三維掃描方式獲取河道周邊的點云,將經過預處理后的點云數據導入采編三維數據軟件中進行采集編繪,就可以直接獲得縱橫斷面高程。

1.3.3系統高度集成

集成的相機系統、掃描系統、慣導系統、衛星導航系統并有同步定位與地圖構建(simultaneous localization and mapping,SLAM)算法支持,整機輕便堅固,一次經過即可同時獲取現場照片和彩色點云數據[8]。

1.4 移動背包系統

徠卡Pegasus:Backpack移動掃描背包,主要由4部分組成,包括相機系統、三維激光掃描系統,全球衛星導航系統/全球定位系統(global navigation satellite system/ global positioning system，GNSS/GPS)及慣性導航系統(inertial measurement unit,IMU)。系統構成示意圖如圖2所示。

圖2 徠卡移動背包系統

2 移動背包作業流程

移動背包作業流程主要包括外業三維掃描和內業點云數據處理兩部分。外業三維掃描主要包括控制測量、區域劃分、路線規劃、數據采集四部分;內業點云處理包括數據導入、點云解算、坐標配準、點云分割、點云成果導出、依據點云繪制所需成果圖等環節。

2.1 外業作業流程

2.1.1控制測量

根據現場踏勘的實際情況,布設控制點應涵蓋整個測區,控制點密度根據測量精度適當調整。

2.1.2區域劃分

根據測區內交通狀況及商圈、生活圈的圍墻范圍等將測區進行劃分,并分別進行掃描。

2.1.3路線規劃

根據踏勘情況和區域的劃分,對行走路線進行合理設計,避免重復掃描,避免進入衛星信號不穩定的區域。

2.1.4數據采集

外業數據采集包括儀器初始化、數據采集、靜置結束采集。

2.2 內業作業流程

2.2.1數據處理

掃描完畢后,對掃描的數據進行解算,主要包括數據轉換、基準站數據合并、添加背包POS數據、軌跡解算、坐標系轉換、點云成果導出等。如果發現點云出現分層應重新解算,遇到內業無法處理的問題,應分析原因,必要時應重新掃描。

2.2.2地形圖繪制

將點云成果數據加載到清華山維軟件,通過二、三維視圖聯動,直接對點云進行采集編輯,實現了采編一體化。數據成果實現對象信息化與動態符號化要求。

3 技術路線

利用2019年1∶2 000基礎底圖數據,外業使用三維激光掃描技術進行數據采集,內業對點云數據進行編繪,更新為最新版的1∶2 000河道基礎地理底圖。內業采用清華三維軟件點云模塊在點云數據中采集已有的河道中心線的縱橫斷面高程,數據采集完成后。再到外業到實地核實并調查橋梁、涵洞、閘、揚水站、鐵路橋等屬性數據,并用AutoCAD軟件生成縱橫斷面圖與數據進行分析。技術路線如圖3所示。

圖3 技術路線

4 臺湖鎮河道測量

4.1 項目概況

通州區臺湖鎮政府為了更好地進行入河排污口長效管控機制和入河排污口整治工作,加快實現河流“長治久清”,切實實現斷面穩定達標,對臺湖鎮進行縱橫段面測量。

此項目以1∶2 000比例尺進行測量,主要測量河道左右兩側河道左右兩側上口線以外50 m的平面位置,縱斷面間距為100 m。整個河道長約25.56 km,斷面數為440個。

4.2 移動掃描背包外業作業過程

根據測區實際情況,在周邊布設5個可以覆蓋整個測圖區域坐標點(圖4),用于坐標轉換和架設測量基站。在移動背包作業過程中,選取離河道比較近,信號比較好,周圍沒有高層地物遮擋的J1點架設基站。

圖4 編號J1至J5控制點分布圖

(1)設備初始化。開機后,選擇開闊平坦的區域將移動背包靜態初始化2 min以上,設置相機參數和成像效果,然后背起掃描儀進行動態校準初始化,快速沿著直線行走,不要轉身,行走30 m后,快速走方形,方形邊長約10 m,2 min后停下來靜等10 s,然后變換行走方向,行走2 min,至此慣導系統激活成功。

(2)數據采集。外業通過平板電腦進行參數設置和背包掃描點云的實時監控。掃描工作由3人配合完成,一人負責背負移動背包掃描儀進行數據采集,操作平板電腦里的中國移動手機桌面助理采集軟件(mobile device assistant,MDA),測量時,按照提前規劃的路線,根據實際情況,盡量選擇GNSS信號好的區域行走,進入巷子或者穿過高大樹木、建筑物時,提前了解實際情況,避免數據缺失或冗余,在GNSS信號較差的環境下,使用SLAM算法輔助完成定位定向,在測量過程信號好時可隨時暫停。另外一人負責掃描線路上障礙清理和交通指揮等工作,第三人負責看守基準站電臺。數據采集完成后不能直接關閉儀器,要將掃描之前的步驟逆向再完成一遍,之后再靜態2 min完成靜態接收操作。

4.3 三維激光掃描內業數據處理方法

外業點云數據采集完畢后,使用移動背包掃描配套的軟件進行點云數據,軟件集成度高,人工干預少,只需要幾個簡單的設置即可完成掛機處理,最后導出LAS格式點云成果。主要步驟如下：

(1)先用InertialExplorer軟件后差分方式解算軌跡,生成軌跡解算 *.cts文件。

(2)用徠卡Infinity軟件建立坐標系,通過已知點求解七參數完成點云的坐標轉換。

(3)用徠卡Pegasus Manager軟件進行自動掛機處理數據,自動生成彩色三維LAS點云、全景照片、內外方位元素。經過內業處理完成后的點云數據如圖5所示。

圖5 掃描點云

4.4 地形圖繪制

在清華山維三維測圖軟件中將LAS數據轉換成點云數據(point cloud data,PCD)格式,然后加載PCD格式的點云數據,設置點云著色方式,可以根據需求將點云色彩設置成：“真彩色”“循環著色”“按高程著色”“按強度著色”等7種類型,在地物繪制時我們通常設置成“循環著色”。符號化時我們會根據地物要素的不同賦予不同的要素編碼。提取高程點時我們根據實際情況設置網格間距,既要保證高程密度又要保證高程注記的位置合理。局部河道地形圖，如圖6所示。

圖6 河道地形

4.5 河道斷面信息提取

本工程中用AutoCAD中測繪工具自動生成河道斷面,主要是根據河道主流線(中心線),從河道上游起始點位置開始,在最新更新的1∶2 000地形圖數據采集河道中心線,提取的特征點(起終折交)盡量保證在河中心,并在河與河的交接處加交點,兩河之間的中間要完全相交,不出懸掛點。畫完中線后,在計算機輔助設計(computer aided design,CAD)中計算生成中線樁號及點(起終折交)的坐標,以備用。然后在中心線上加特征點(橋、涵、閘、揚水站、鐵路橋)并增加柱號。

依據河流中心線,從河道測區范圍起始點位置每隔100 m的距離生成等距離垂直于河道主流線的斷面。

將點云數據與河道中心線,疊加提取河道縱斷面,垂直于河道中心線的斷面提取橫斷面。

斷面提取精度與點云數據的密度有很大的相關性,點云密度越大,提取的特征點越多,提取的斷面越準確。

在內業處理時,主要是結合了點云數據和地形圖數據,每當斷面線與地形圖中地物相交的位置,如入房、出房、路邊、坡上、坡角、水涯線、坡底等變坡位置都需要采集點云高程數據,高程數據采集越詳細越豐富,為河道測量提供的數據越可靠。

為了更好地研究得到斷面的效果,將斷面中的斷面數據導出。導出的斷面數據中包含每條斷面線中特征點的坐標信息以及中心線的信息。這里選取其中一條斷面線中所含有的特征點的信息進行分析。如圖7(a)所示,直觀地反映了水平方向上的高程值的變化,可以看出河道地表的階地特征,通過點云數據采集的連續的三維斷面圖,如圖7(b)所示。

(a)AutoCAD軟件導出的橫斷面

(b)連續三維橫斷面

5 作業方法優勢分析

背包式移動三維激光掃描方案,外業采集非常簡單,耗時少、負擔小。外業采集僅需一人即可,人工量小、成本低,采集效率高,最大化項目收益率[9]。

提供內外業一體化的作業流程,省時省力,較傳統方案提高至少4～5倍。

同時采集三維點云和全景影像數據,真實還原現場實景,內業繪圖和檢查一目了然。并且三維數據可以長期保存以及廣泛重復應用增加數據收益.

地面三維激光掃描技術與以往的人工測量方法相比,具有測量誤差小的優點[10]。在三維激光掃描用于河道測量存在的另一個問題是水下地形的獲取。由于三維激光掃描儀無法穿透水體,不能有效獲取水下地形,可以采用其他手段補充獲取[11]。

6 結束語

傳統的河道測量工作量大、效率低、采樣密度有限,其數據獲取方式和數據處理模式已經不能滿足河道信息化的需要。三維激光掃描技術為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段。利用地面三維激光掃描技術快速獲取高密度的河道點云數據,降低了外業作業所需時間和人員投入,提高了外業工作效率和成果可靠性,但是因掃描點云帶來的海量數據,對數據處理的計算機硬件提出了更高的要求,相對傳統方式增加了內業處理時間,作業流程還需要進一步的優化。三維激光掃描的應用領域將會越來越多,三維掃描數據也將會得到更多的推廣與運用。