地面三維激光掃描技術(shù)及其在水利工程中的應(yīng)用

徐云乾，袁明道，劉建文，楊文濱

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635）

地面三維激光掃描技術(shù)及其在水利工程中的應(yīng)用

徐云乾1,2，袁明道1,2，劉建文1,2，楊文濱1,2

（1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣東 廣州 510635；2.廣東省山洪災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510635）

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)以激光掃描的非接觸方式快速、高效、高密度獲取被測(cè)物的真空間三維坐標(biāo)的較新的測(cè)量技術(shù)，通過后處理軟件對(duì)真空間三維坐標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行三維測(cè)量、分析和建模仿真等。介紹了三維激光掃描技術(shù)的原理和特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。最后以水庫庫容測(cè)量、潰口尺寸測(cè)量和水工建筑物斷面測(cè)量三個(gè)實(shí)例，闡述了三維激光掃描技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用。

三維激光掃描；三維測(cè)量；水利工程

水利工程具有建筑物體量大，工程區(qū)范圍廣、地形復(fù)雜危險(xiǎn)的特點(diǎn)，在勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)中進(jìn)行地形等高線測(cè)繪和長(zhǎng)度、面積、體積等三維尺寸測(cè)量時(shí)，傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量工作量大，周期長(zhǎng)，特別在針對(duì)陡崖、高邊坡測(cè)量時(shí)危險(xiǎn)性高。

在我國一批建成于50~80年代的水利工程中，有很大一部分的工程圖紙由于各種原因已經(jīng)散佚，需要對(duì)其重新測(cè)繪，以規(guī)范工程管理，并為后期的安全鑒定和除險(xiǎn)加固提供詳細(xì)的工程資料。在應(yīng)對(duì)水利工程建設(shè)過程中快速開挖形成的高陡邊坡，必須快速準(zhǔn)確編錄[1]。在水利工程出險(xiǎn)如建筑物出現(xiàn)安全隱患、邊坡失穩(wěn)和潰壩時(shí)需要測(cè)量建筑物傾斜度和裂縫統(tǒng)計(jì)，測(cè)量滑坡土方量以及潰口大小和潰壩后壩體三維尺寸。完成以上工作，一方面需要投入大量的人力物力，一方面給作業(yè)人員帶來了安全問題。

針對(duì)上述問題，也可通過常規(guī)全站儀測(cè)量、數(shù)字投影測(cè)量等方法解決，這些技術(shù)方法的應(yīng)用需要配合大量的外業(yè)測(cè)量工作和數(shù)據(jù)整理、影像畸變校正等復(fù)雜的內(nèi)業(yè)工作。而三維激光掃描技術(shù)為解決上述問題提供了實(shí)用、快速、準(zhǔn)確的技術(shù)解決方案。

1 三維激光掃描技術(shù)原理及特點(diǎn)

三維激光掃描系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，通過硬件系統(tǒng)發(fā)射的脈沖激光信號(hào)對(duì)被測(cè)物的掃描，由接收器和記錄器分別接收和記錄物體反射回的信號(hào)經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成數(shù)字化的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，這些真空間三維坐標(biāo)點(diǎn)的集合稱為真點(diǎn)云，真點(diǎn)云忠實(shí)地反映物體三維輪廓特征，通過三維點(diǎn)云處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維測(cè)量、分析和建模仿真等。因此，三維激光掃描作為一種現(xiàn)代新興測(cè)量技術(shù)，在“5·12”汶川大地震造成的安縣肖家橋、罐灘堰塞湖[2]、在溫泉水電站大比例尺地形圖測(cè)量中[3]，清涼寺滑坡監(jiān)測(cè)[4]以及隋唐洛陽城定鼎門遺址唐代道路遺址保護(hù)[5]取得了良好的應(yīng)用效果，在水利、地質(zhì)、古建等眾多領(lǐng)域中有巨大的潛力和市場(chǎng)需求[6]。

三維激光掃描技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）高效：激光掃描測(cè)量能夠快速獲取大范圍目標(biāo)空間信息。

（2）高精度：全站儀典型的測(cè)量精度一般為1~2mm，目前大部分激光掃描設(shè)備的單點(diǎn)精度大概是1~3mm，而使用多點(diǎn)測(cè)量模型化單點(diǎn)則可以顯著的提高數(shù)據(jù)的精度。

（3）高采樣率：三維激光掃描的采樣速率是傳統(tǒng)測(cè)量方式難以比擬的。采用脈沖激光三維激光掃描儀采樣點(diǎn)速率可達(dá)到數(shù)萬點(diǎn)/秒，采用相位激光三維激光掃描儀可以達(dá)到數(shù)十萬點(diǎn)/秒。

（4）非接觸式：三維激光掃描技術(shù)直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠，可以用于解決危險(xiǎn)環(huán)境及人員難以企及的情況。

（5）全數(shù)字化：三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字特征，易于后期處理及輸出。

目前三維激光掃描儀根據(jù)載體分為三種(1)機(jī)載式（2）地面式（3）手持式，地面式三維激光掃描系統(tǒng)在市場(chǎng)上較為常見，目前市場(chǎng)上主流的地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)對(duì)比如表1。

地面式三維激光掃描技術(shù)工作流程如圖1。

表1 主流地面三維激光掃描儀參數(shù)對(duì)比

圖1 三維激光掃描技術(shù)工作流程

2 地面三維激光掃描技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用

瑞士徠卡(Leica)生產(chǎn)的Scan Station C10三維激光掃描系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1，已在湛江市徐聞縣7宗水庫擋水土壩斷面測(cè)量、茂名市名湖水庫引水渡槽和郁南縣河田渡槽及枧峽渡槽三維尺寸測(cè)量、高州市某水庫庫容復(fù)核測(cè)量、清遠(yuǎn)市飛來峽廣東省河口水利工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)挖填土方量測(cè)量、從化白水帶重力壩三維尺寸測(cè)量和龍?zhí)端畮鞊跛翂我艹U(xiǎn)加固等多宗工程中應(yīng)用，分別涉及到水利工程當(dāng)中三維尺寸測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、地形測(cè)量、工程開挖、減災(zāi)防害等方面，取得了理想的技術(shù)成果。

2.1 某水庫水位庫容曲線和三維尺寸測(cè)量

某水庫位于高州市東北部山區(qū)大坡鎮(zhèn)格蒼村境內(nèi)，2013年8月14日受臺(tái)風(fēng)“尤特”帶來的強(qiáng)降雨影響，擋水拱壩左壩肩穿孔破壞，利用三維激光掃描技術(shù)，為確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確詳實(shí)，共設(shè)置了10個(gè)測(cè)站，獲取到8.32GB的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2）。經(jīng)過后處理，完成測(cè)量了該水庫的水位庫容曲線，擋水壩高以及詳細(xì)潰口尺寸。

（1）水位庫容曲線測(cè)量

假定參考水平面為山塘蓄水水面，高程每升高1m計(jì)算一次參考平面及其以下點(diǎn)云所構(gòu)成的幾何體的體積（即相應(yīng)高程水位的庫容），直到21m高程（圖3），填挖土方的計(jì)算也采用相同的計(jì)算方法。所得水位庫容關(guān)系如表2所示。

（2）潰口尺寸測(cè)量

沿潰口邊緣選取40個(gè)點(diǎn)，獲取40個(gè)點(diǎn)的空間XYZ坐標(biāo)，將點(diǎn)坐標(biāo)輸入到CAD中，可得到直觀的潰口尺寸圖（見圖4）。

本次測(cè)量不僅對(duì)水位庫容關(guān)系和潰口尺寸做了測(cè)量，還結(jié)合三維拍攝照片和點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析了拱壩上游面的裂縫并對(duì)壩頂高程做了測(cè)量，這些成果為工程搶險(xiǎn)和事故分析提供了全方位的數(shù)據(jù)支持。

圖2 電站拱壩照片（左）和掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)（右）

2.2 上坑水庫斷面測(cè)量

上坑水庫位于湛江市徐聞縣下洋鎮(zhèn)，工程1973年竣工投入使用，壩長(zhǎng)300m，最大壩高6m，庫容810萬m3，是一宗以灌溉為主，結(jié)合防洪、養(yǎng)殖的?。?）型水庫。

該土壩外業(yè)共測(cè)量5站，外業(yè)單站的測(cè)量時(shí)間約15min，內(nèi)業(yè)整理1h。掃描多站獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過拼接得到整體點(diǎn)云圖（見圖5）。由于掃描得到的點(diǎn)云為三維坐標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)過三維坐標(biāo)校正，每間隔1m甚至10cm利用工作平面對(duì)壩體點(diǎn)云進(jìn)行一次縱向切割，可得到壩體縱剖面點(diǎn)云，導(dǎo)入到CAD中可以直接測(cè)量壩體剖面各部位的尺寸（見圖6上）。三維激光掃描技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水工建筑物斷面高效高密度高精度測(cè)量。

圖3 工作平面水平切割庫區(qū)點(diǎn)云圖

3 結(jié)論

三維激光掃描能獲取真實(shí)反映物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)云，因此，后處理中可對(duì)被測(cè)物進(jìn)行任何方式的三維測(cè)量（地形、體積、角度、長(zhǎng)度、高程等）。其高效、高精度、高采樣率的特點(diǎn)可以減輕作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率和測(cè)繪精度。本文結(jié)合工程實(shí)例介紹了三維激光掃描技術(shù)在水利工程中常見的水位庫容和三維尺寸測(cè)量，總結(jié)了三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)和使用時(shí)應(yīng)注意的問題。與傳統(tǒng)測(cè)繪結(jié)果相對(duì)比，三維激光掃描技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

圖4 潰口尺寸圖（單位：m）

表2 水位庫容關(guān)系表

但經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描技術(shù)仍存在以下不足：

(1)激光掃描有效距離有限，在大范圍、長(zhǎng)距離掃描時(shí)需要多站掃描；(2)激光光斑隨距離延長(zhǎng)而增大，影響了測(cè)繪精度；(3)激光對(duì)一些介質(zhì)如水等反射性差，測(cè)量結(jié)果會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)；（4）遇到雨雪等不利天氣時(shí)，點(diǎn)云噪點(diǎn)明顯增多。

目前三維激光掃描技術(shù)正處于發(fā)展更新階段，盡管存在以上局限性，但是應(yīng)用前景仍然十分廣闊。

圖5 壩體點(diǎn)云俯視圖

圖6 大壩0+80剖面三維掃描儀成果（上圖）與全站儀測(cè)量成果（下圖）對(duì)比（單位：mm）

[1] 董秀軍，黃潤(rùn)秋.三維激光掃描技術(shù)在高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(2).

[2] 何秉順，趙進(jìn)勇，王力，等.三維激光掃描技術(shù)在堰塞湖地形快速測(cè)量中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2008，28(3)：394-398.

[3] 許映林.3維激光掃描技術(shù)在溫泉水電站大比例尺地形圖測(cè)量中的應(yīng)用[J].測(cè)繪通報(bào)，2007，(6)：40-42.

[4] 劉錦程.三維激光掃描技術(shù)在滑坡監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[5] 楊蔚青，李永強(qiáng)，王閣，等.三維激光掃描技術(shù)在土遺址保護(hù)中的應(yīng)用——以隋唐洛陽城定鼎門遺址唐代道路遺址保護(hù)為例[J].中原文物，2012，(4)：98-101.

[6] 孫瑜，嚴(yán)明，覃秀玲.HDS4500三維激光掃描儀的地質(zhì)工程應(yīng)用[J]河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，25（4）：86-88.

Terrestrial 3D Laser Scanning Technology and Its Application in Hydraulic

Engineering
XU Yun-qian1,2, YUAN Ming-dao1,2, LIU Jian-wen1,2, YANG Wen-bin1,2(1 Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635, China; 2 Emergency Technology Research Center of Guangdong Mountain Torrents Disaster Emergencies, Guangzhou 510635, China)

3D laser scanning technology is a new measurement technique of non-contact laser scanning, which can obtain the real 3D coordinates of the measured object's space efficiently and with high density, and thereafter use post processing software to conduct the measurement, analysis, modeling and simulation of real 3D coordinate of real 3D coordinate of the point cloud. This paper introduces the principle and characteristics of 3D laser scanning technology,compares it with traditional measurement techniques, and discusses the application of 3D laser scanning technology in water conservancy project with 3 examples, including the reservoir capacity measurement, burst size measurement and hydraulic structures section measurement.

3D laser scanning; 3D measurement; water conservancy project

P234.4/TV52

B

1672-2841（2016）01-0013-04

2016-02-25

徐云乾，男，工程師，碩士，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)。