三維激光掃描技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用

（河南省水利信息中心）

三維激光掃描技術(shù)在水利測繪中的應(yīng)用

□韓慧穎（河南省水利信息中心）

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以極大地提高測繪的精度和效率，降低野外數(shù)據(jù)采集強度，更能保障數(shù)據(jù)的實效性。其具有突出優(yōu)勢的測繪手段為實現(xiàn)智能化水利，尤其是對坐落在地形變化劇烈的深山峽谷中進行水庫、水電站壩址區(qū)等水利工程的大比例尺測圖顯得更具優(yōu)勢；應(yīng)用三維測繪技術(shù)可以對水利工程進行精準的變形監(jiān)測、汛情監(jiān)測，可為決策者提供科學依據(jù)。通過對三維激光掃描技術(shù)的分析，以期在更廣闊的領(lǐng)域中得到應(yīng)用和拓展。

三維數(shù)據(jù)采集；高精度；高效率；水庫水電站；精準監(jiān)測

0 引言

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning）是測繪與信息領(lǐng)域中的創(chuàng)新性技術(shù)，被稱為繼GPS技術(shù)之后的里程碑式的革新，已經(jīng)在地形測繪、文物保護、城市建筑及工業(yè)等多領(lǐng)域中成功地應(yīng)用，并日漸拓展。

實踐表明，三維激光掃描技術(shù)是精細化測繪中的最佳技術(shù)手段，其具有三大突出優(yōu)勢：一是非接觸、無損方式，對掃描對象能實現(xiàn)不可達目標的遙測；二是精度高，能獲取掃描對象真實現(xiàn)狀的三維數(shù)據(jù)，尤其是不規(guī)則幾何外形目標，最高精度能達到幾十個微米；三是效率高，最高能達到每秒一百萬個點，大大降低了野外數(shù)據(jù)采集強度，能有力保障其時效性。在努力實現(xiàn)智能化水利的進程中，把三維測繪技術(shù)運用到水利建設(shè)與管理中來將成為不可或缺的技術(shù)手段，尤其是對坐落在地形變化劇烈的深山峽谷中進行水庫、水電站壩址區(qū)的大比例尺測圖顯得更具優(yōu)勢。應(yīng)用三維測繪技術(shù)對水庫大壩及其他防洪工程進行精準的變形監(jiān)測、汛情監(jiān)測，所完成的信息統(tǒng)計分析和虛擬，形成準確、詳實的技術(shù)成果，可為決策者提供無可置疑的科學依據(jù)，必將大大提高防洪保安能力。由于這項技術(shù)在水利行業(yè)中的應(yīng)用還處于初級階段，為此，筆者對三維測繪技術(shù)中的幾個要點作簡要闡述，以期與同仁們一起探討、創(chuàng)新。

利用三維激光掃描技術(shù)進行測繪，其內(nèi)容主要包括：三維精細掃描、三維數(shù)據(jù)處理、圖件制作三個方面：一是精細掃描：利用現(xiàn)有三維激光掃描，對掃描對象進行三維精細數(shù)據(jù)采集，作為資料永久存檔；二是三維數(shù)據(jù)處理：對原始掃描數(shù)據(jù)進行處理加工，為后續(xù)工作提供分析依據(jù)；三是圖件制作：用三維點云模型，制作平立剖面圖、特征部位剖面圖等，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)圖件。

1 三維掃描數(shù)據(jù)獲取

1.1 現(xiàn)場踏勘

為能夠更好地了解掃描目標的實際情況，需要親自去現(xiàn)場進行踏勘，確定掃描目標物的具體位置，然后根據(jù)掃描目標物的空間分布、外部形態(tài)、內(nèi)部架構(gòu)，繪制現(xiàn)場草圖，結(jié)合需要掃描的精度和分辨率，大概確定一下掃描站的站數(shù)和位置，畫出控制網(wǎng)草圖。

1.2 儀器準備

針對所要掃描的目標對象，選用合適的三維激光掃描儀，例如RIEGL VZ-1000。

1.3 儀器安置

儀器應(yīng)盡量安置在平坦處，并做固定處理，確保在掃描時不會出現(xiàn)震蕩偏移，以保證儀器的安全和數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了能夠得到要掃描的目標對象的完整空間信息，儀器的安置應(yīng)盡量避開遮擋物，并使相鄰兩次掃描站的掃描區(qū)域有重疊部分，站點不能設(shè)置太遠，必須在掃描儀的有效掃描距離內(nèi)，還必須設(shè)置合理的站數(shù)，站數(shù)如果選擇少了，就會出現(xiàn)掃描盲區(qū)，拼接后的數(shù)據(jù)有黑洞，如果站數(shù)過多，就會降低掃描效率，增加掃描時間，也會積累拼接的誤差，所以應(yīng)該根據(jù)實際情況，設(shè)置盡量少且合理的站數(shù)，獲得最佳的掃描結(jié)果。

1.4 標靶布設(shè)

為了將多個測站掃描獲取的不同坐標系的點云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標系中，以求獲得目標對象表面完整的形狀信息，合理地布置標靶尤為重要?；痉椒ㄅc原則：一是每兩個測站之間至少應(yīng)放置3個不在同一直線上的標靶；二是測量標靶的位置要遵循“為下一個測站服務(wù)”的原則，盡量做到“多站式兼顧”，即將標靶設(shè)置在盡可能多的測站都能掃描得到的位置，以減少標靶數(shù)量和點云數(shù)據(jù)在多站點拼接處理的誤差；三是避免遺漏設(shè)置標靶。

1.5 掃描目標

在掃描目標對象之前，需要設(shè)定分辨率，掃描儀自動掃描，掃描完后自動存儲數(shù)據(jù)，然后移動至下一站，按照作業(yè)流程進行下一站的掃描，直至完整獲得點云數(shù)據(jù)。

1.6 數(shù)據(jù)檢查與保存

掃描完成后用圖形工作站對掃描數(shù)據(jù)的完整性進行現(xiàn)場檢查，檢查合格數(shù)據(jù)及時保存。若有區(qū)域漏掃，則需加站掃描，直至數(shù)據(jù)完整可用。

1.7 成果形式及精度要求

近景三維數(shù)據(jù)獲取對應(yīng)的成果為原始三維點云數(shù)據(jù)；精度為無損方式，獲取目標對象的點云數(shù)據(jù)具有完整性。

2 三維數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點云預(yù)處理、點云拼接、整體點云處理、圖件制作等。

2.1 精度要求及控制

一是三維整體點云模型精度與原始點云精度一致；二是在三維點云模型建立各步驟中，通過改進點云簡化、三角網(wǎng)建立算法，確保整體三維點云模型精度符合要求。

2.2 點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理是三維激光掃描數(shù)據(jù)處理中必不可少的步驟，點云數(shù)據(jù)模型是后續(xù)內(nèi)業(yè)處理工作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)結(jié)果直接影響到后續(xù)模型建立的質(zhì)量，及利用點云模型進行分析、正射影像圖及相關(guān)圖件制作效果。預(yù)處理流程如圖1所示。

圖1 點云預(yù)處理流程圖

2.2.1 數(shù)據(jù)準備

準備三維點云原始數(shù)據(jù)。

2.2.2 點云數(shù)據(jù)檢核

掃描過程中，由于被掃描物體之間的相互遮擋，難免會引起數(shù)據(jù)的缺失。同時，掃描外界條件因素也可能引起數(shù)據(jù)的分層。所以，點云數(shù)據(jù)檢核是點云數(shù)據(jù)預(yù)處理中必不可少的一步。若分層嚴重，則視該數(shù)據(jù)為不合格數(shù)據(jù)；若分層較少或不存在分層現(xiàn)象，視該數(shù)據(jù)合格，少量分層可通過后續(xù)點云粗差剔除及去噪操作處理。

2.2.3 點間距量取

點間距量取是指使用三維軟件手動抽樣進行點云中相鄰兩點之間空間最短距離的量取。通過點間距量取操作，可檢查所獲取點云密度是否滿足精度要求，并為后續(xù)三維模型建立時數(shù)據(jù)簡化步驟提供幫助。點間距應(yīng)滿足精度要求。

2.2.4 粗差剔除

由于測量過程中難免儀器出現(xiàn)一些異常振動、以及鏡面反射等原因，在真實數(shù)據(jù)點中往往混有不合理的噪聲點，包含大量的粗差、錯誤和無關(guān)信息，所以有必要對數(shù)據(jù)進行去噪和平滑濾波的處理。

2.2.5 點云數(shù)據(jù)拼接

運用專業(yè)軟件，自動將各站三維點云數(shù)據(jù)拼接，并檢查測站與測站拼接精度，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。提取目標點云，將多余點云刪除，將點云數(shù)據(jù)分塊導(dǎo)出。

2.2.6 參考系統(tǒng)一

由于激光測量機或三坐標測量機自身結(jié)構(gòu)的不足，以及數(shù)據(jù)處理過程的需要，在某些情況下需要對數(shù)據(jù)點云進行坐標變換，將所有測站數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸并到獨立坐標系。根據(jù)外業(yè)所測得標靶點坐標，可實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)正，便于后續(xù)處理。

3 圖件制作

主要是通過三維點云模型，按照測量標準制作立面圖、剖面圖、正射圖等圖件，表現(xiàn)掃描對象的特征，從而直觀反映相關(guān)信息，并進行存檔分析。

利用AutoCAD軟件繪制圖件時需包括圖廓、圖名、文字標注、比例尺等內(nèi)容，各項要求應(yīng)符合工程相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用提供了更為豐富的成果圖件和可視化顯示方法，大大減少了前期的數(shù)據(jù)提取和分析工作，能夠深入理解掃描對象的現(xiàn)狀信息并且更加有效地管理和保護。

編輯：左英勇

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2017-04-17