水利工程地形測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要：以某水利工程為例，探究了三維激光掃描技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用。在設(shè)定掃描站點(diǎn)及其后視點(diǎn)和檢核點(diǎn)后，首先，選用RIEGL"VZ-2000三維激光掃描儀進(jìn)行測區(qū)掃描，將獲取的外業(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到RiSCAN"PRO軟件中進(jìn)行噪點(diǎn)過濾處理；其次，提取地物和特征點(diǎn)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接、數(shù)據(jù)過濾；最后，將各項(xiàng)資料導(dǎo)入清華山維EPS軟件中，繪制1：500比例尺地形圖。精度檢測結(jié)果表明，繪制地形圖的平面誤差和高程誤差均符合《水利水電工程測量規(guī)范（SL"197-2013）》的精度要求。

關(guān)鍵詞：水利工程""地形測繪""三維激光掃描""內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)

Application"of"3D"Laser"Scanning"Technology"in"Topographic"Mapping"of"Water"Conservancy"Engineering

CHEN"Dongliang

Cangzhou"Water"Resources"Survey，"Planning"and"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Cangzhou，"Hebei"Province，"061003"China

Abstract："Taking"a"certain"water"conservancy"project"as"an"example，"this"paper"explores"the"application"of"3D"laser"scanning"technology"in"terrain"surveying"and"mapping."After"settingnbsp;scanning"stations"back"viewpoints"and"inspection"points，"the"RIEGL"VZ-2000"3D"laser"scanner"is"selected"for"scanning"the"survey"area."The"obtained"field"data"is"imported"into"the"RiSCAN"PRO"software"for"noise"filtering"processing，"and"then"the"ground"objects"and"feature"points"are"extracted"and"data"stitching"and"filtering"are"performed."The"processed"data"is"imported"into"Tsinghua"3D"（EPS）"software"to"draw"a"1：500"scale"topographic"map."Accuracy"tests"show"that"the"plane"error"and"elevation"error"of"the"topographic"map"comply"with"the"accuracy"requirements"of"the"\"Code"for"Surveying"of"Water"Resources"and"Hydropower"Engineering"（Sl197-2013）\".

KeyWords："Water"conservancy"engineering;"Topographic"mapping;"3D"laser"scanning;"Internal"data

三維激光掃描技術(shù)具有非接觸、高精度、全自動(dòng)化、超長測距等優(yōu)勢，在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、文物修復(fù)保護(hù)、地形圖測繪等領(lǐng)域均有良好的應(yīng)用表現(xiàn)。尤其是在地形復(fù)雜的山區(qū)水利工程地形測繪中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)測量存在的危險(xiǎn)性高、工作效率低、成圖精度差等一系列問題，為水利工程的建設(shè)、維護(hù)等提供了幫助。在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，除了要科學(xué)布置掃描站點(diǎn)、進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)降噪與拼接處理外，還要對照相關(guān)規(guī)范檢查成圖精度，確保最終生成的地形圖精度符合要求，保證地形測繪結(jié)果具有實(shí)用價(jià)值。

1"水利工程概況

某水庫壩址以上流域面積4.46"km2，總庫容89.5"萬m3，最大壩高43.1"m，屬小（2）型水庫。該工程所處位置地形復(fù)雜，地表植被較為茂盛，局部有巖石裸露，使控制點(diǎn)的布設(shè)難度較大，不利于外業(yè)工作開展。為提高水利工程地形測繪的精度與效率，本文提出了以三維激光掃描為主、配合使用全球定位系統(tǒng)-實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分技術(shù)（Global"Positioning"System-Real-Time"Kinematic，GPS-RTK）與全站儀的復(fù)合測繪方案。

2"三維激光掃描儀的選型

三維激光掃描技術(shù)是利用三維激光掃描儀獲得被測對象表面各點(diǎn)的空間坐標(biāo)，然后基于所得測量數(shù)據(jù)自動(dòng)生成被測對象三維模型的一種測量技術(shù)。從實(shí)際應(yīng)用效果來看，該技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、掃描速度快、支持超長測距等優(yōu)勢[1]。本次水利工程地形測繪中選用了RIEGL"VZ-2000三維激光掃描儀，可以在獲取數(shù)據(jù)的過程中同步完成點(diǎn)云拼接、添加地理參考等操作，具有較強(qiáng)的靈活性和便捷性；整機(jī)重量僅為9.8"kg，方便攜帶；防護(hù)等級(jí)為IP64，可適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境。

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3"三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1"掃描站點(diǎn)的選擇

在現(xiàn)場踏勘后，挑選視野開闊、地面結(jié)實(shí)的地方作為掃描站點(diǎn)，共選取11個(gè)掃描站點(diǎn)。在距離200"m處布置1個(gè)后視點(diǎn)，另選1個(gè)合適位置布設(shè)檢核點(diǎn)，保證檢核點(diǎn)與基站點(diǎn)之間良好通視。盡量使每個(gè)掃描站點(diǎn)的掃描視角覆蓋全部的地形地貌特征點(diǎn)，任意兩個(gè)相鄰掃描站點(diǎn)之間的掃描范圍保持至少20%的重疊率，防止出現(xiàn)“漏掃”情況。利用GPS-RT，K以導(dǎo)線點(diǎn)測量方法，得到每個(gè)掃描站點(diǎn)及其相應(yīng)后視點(diǎn)、檢核點(diǎn)的地理坐標(biāo)。

3.2"掃描作業(yè)與數(shù)據(jù)初查

一名測繪人員把三維激光掃描儀平穩(wěn)放置在已經(jīng)確定的掃描站點(diǎn)上，另外兩名測繪人員分別在后視點(diǎn)、檢核點(diǎn)上放置反射標(biāo)靶，合作完成對中工作，以便于在下一步掃描作業(yè)中獲取精細(xì)數(shù)據(jù)。完成準(zhǔn)備工作后，設(shè)置好視場角、激光脈沖發(fā)射頻率、測量速率等重要參數(shù)后，將三維激光掃描儀與計(jì)算機(jī)連接，開始進(jìn)行掃描。掃描所得數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中保存，在掃描完成后，測繪人員對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查[2]。依次打開各個(gè)站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)，判斷掃描視角是否完全覆蓋目標(biāo)地形范圍，如果未能完全覆蓋，則需要進(jìn)行補(bǔ)充掃描。本次外業(yè)掃描共獲取58"G原始數(shù)據(jù)。

3.3"內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

啟動(dòng)計(jì)算機(jī)中安裝的RiSCAN"PRO軟件，對外業(yè)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。首先，再次檢查站點(diǎn)坐標(biāo)和后視坐標(biāo)，確認(rèn)坐標(biāo)無誤后，導(dǎo)入GPR"RTK測量的特征點(diǎn)坐標(biāo)，通過對比，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到正確位置。另外，考慮到外業(yè)掃描數(shù)據(jù)受到外界環(huán)境變化（如光照）和儀器設(shè)備自身因素影響容易出現(xiàn)不同數(shù)量的噪點(diǎn)，直接使用這些數(shù)據(jù)繪制地形圖會(huì)影響結(jié)果精度，因此還需要使用孤點(diǎn)過濾、拓?fù)溥^濾等技術(shù)，從原始數(shù)據(jù)中提出噪點(diǎn)。為了使點(diǎn)云模型更加接近于真實(shí)場景，以及方便下一步的特征點(diǎn)提取，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，還需要使用三維激光掃描儀的外置數(shù)碼相機(jī)拍攝的相片對點(diǎn)云進(jìn)行上彩著色[3]。

3.4"地物和特征點(diǎn)的提取

RiSACN"PRO軟件支持從不同視角呈現(xiàn)掃描所獲得的地物，讓測繪人員更加全面地掌握被測對象的地形地貌、植被分布等重要信息，這就為地物與特征點(diǎn)的準(zhǔn)確提取創(chuàng)造了有利條件。需要注意的是，由于測區(qū)植被茂密，使用該軟件不能完全剔除植被，因此，軟件自動(dòng)采集高程點(diǎn)時(shí)會(huì)存在粗差。針對這一情況，采取了人工采集水利工程高程點(diǎn)的方式，并將采集的高程點(diǎn)保存在.dxf格式文件中，以滿足下一步編輯出圖的需要。本工程中提取的特征點(diǎn)有溝、梁、坎、路、高程點(diǎn)等。

3.5"數(shù)據(jù)拼接與過濾

要想使最終的測繪成果具備一致性，在內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理中，需要對11個(gè)站點(diǎn)掃描所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。現(xiàn)階段，常用的數(shù)據(jù)拼接方法有Excel函數(shù)拼接、Pandas拼接等。本文選擇了“迭代最近點(diǎn)”拼接技術(shù)。其實(shí)現(xiàn)方法是采用點(diǎn)集對點(diǎn)集的迭代算法擬合出相匹配的起伏曲面[4]，在原始數(shù)據(jù)差值越小的情況下，得到的拼接效果越理想。另外，由于本次外業(yè)測量中三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云密度較大，加上掃描范圍的重疊率較高，因此不可避免地會(huì)存在數(shù)據(jù)冗余的情況。為了減輕編輯出圖的工作量，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的過濾處理。本文使用曲率采樣方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾。其實(shí)現(xiàn)方法是：在曲率較大的區(qū)域，盡可能留下更多的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以便于精確反應(yīng)曲面特征；在曲率較小的區(qū)域，只保留少部分點(diǎn)。這樣既可以滿足制圖的精度要求，又能達(dá)到數(shù)據(jù)過濾目的，過濾后僅保留69"500個(gè)點(diǎn)。

3.6"編輯出圖

將.dxf文件、GPS-RTK和全站儀補(bǔ)充測量文件等全部導(dǎo)入到清華山維EPS軟件中，根據(jù)相關(guān)圖示圖例標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行編輯處理，構(gòu)建三角網(wǎng)、繪制等高線，得到最終的地形圖，并且以.dwg格式保存。

3.7"精度分析

本次測繪區(qū)域?qū)儆谏降兀矫嫣卣鼽c(diǎn)相對較少，因此，在精度分析環(huán)節(jié)，從平面上挑選了10檢查點(diǎn)（A1～A10）。對比RTK檢查數(shù)據(jù)和圖解數(shù)據(jù)的差值，誤差要求參照《水利水電工程測量規(guī)范（SL"197-2013）》（以下簡稱“規(guī)范”）中的相關(guān)規(guī)定，精度分析結(jié)果見表2。

式（3）、式（4）中：ΔX、ΔY、ΔH見表2，將表2數(shù)據(jù)帶入式（3）、式（4）后，可以求得測區(qū)平面誤差M1值為±0.154"m、高程誤差M2值為±0.142"m。根據(jù)“規(guī)范”要求，對于山地1：500比例尺地形圖，地物點(diǎn)平面位置允許最大誤差為±0.4"m，高程允許最大誤差為±0.667"m。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)，本文繪制地形圖的平面誤差和高程誤差均在“規(guī)范”要求范圍以內(nèi)，說明測繪成果精度較高。

4"結(jié)語

在水利工程的建設(shè)、維護(hù)中，需要參考地形圖，因此，保證地形圖中地物信息的豐富性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要。采用三維激光掃描儀獲取掃描數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)拼接等一系列處理，配合專業(yè)軟件生成相應(yīng)的地形圖，在保證出圖精度符合相關(guān)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，可以將其應(yīng)用在水利工程建設(shè)、維護(hù)中，對發(fā)揮水利工程價(jià)值和維護(hù)水利工程安全起到了積極作用。

參考文獻(xiàn)

[1]王振立，繆鵬飛，余建軍.基于三維激光掃描、無人機(jī)航測的三維地形測繪技術(shù)融合研究[J].測繪與空間地理信息，2022，45（10）：196-197，200.

[2]趙帥華.無人機(jī)航測技術(shù)及其在地形測繪工作中的應(yīng)用探討[J].工程技術(shù)研究，2020，5（3）：41-42.

[3]路曉峰，鄒仁均，尚金光.手持式移動(dòng)三維激光掃描儀在大比例尺地形圖測繪中的應(yīng)用[J].測繪，2023，46（4）：158-162.

[4]趙米傲.基于雙目線激光掃描的三維點(diǎn)云真實(shí)紋理生成系統(tǒng)[D].天津：天津工業(yè)大學(xué)，2022.

[5]陳昌文.基于三維激光掃描技術(shù)的隧道滲漏水檢測及裂縫識(shí)別[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2023.