三維激光掃描技術(shù)在水利工程地形測繪中的應(yīng)用

劉曉芳++田蘭芬

摘 要：隨著科技的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)在水利工程地形測繪工作中的應(yīng)用越來越廣泛。文章簡單介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理，對該技術(shù)在地形測繪中的應(yīng)用做了細(xì)致的分析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；水利工程；地形測繪；應(yīng)用

中圖分類號：P258 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0141-02

地形測繪作為水利工程建設(shè)的基礎(chǔ)性工作，有效提升其工作效率是測繪人員的重點(diǎn)研究方向。三維激光掃描技術(shù)憑借其優(yōu)越性在水利工程的開展中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，本文對三維激光掃描技術(shù)在水利工程地形測繪中的應(yīng)用展開了探討。

1 三維激光掃描技術(shù)的工作原理

將激光作為測距載體使用，其單色性、相干性、高亮度、方向性等特性可以極大的提升測量的精度、效率以及可操作性。隨著傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)的速度、精確度和抗干擾能力也得到了進(jìn)一步的提升，有助于實(shí)現(xiàn)更長距離的作業(yè)。三維激光掃描技術(shù)的操作難度和作業(yè)成本的下降，使得該技術(shù)擁有了更大的應(yīng)用范圍。

三維激光掃描技術(shù)最主要的設(shè)備是三維激光掃描儀，該設(shè)備根據(jù)測距方式的不同可以分為三角式、相位式和脈沖式三種，其中三角式和相位式的測量范圍比較小，脈沖式的測量范圍比較大，因此實(shí)際的測距工作一般采用脈沖式掃描儀。脈沖式三維激光掃描儀的測量方法是非接觸式的高速激光測量，可以通過點(diǎn)云形式細(xì)致展現(xiàn)出所測物體的幾何特征，其工作原理是激光發(fā)射器發(fā)射出激光脈沖投射至被測物體，反射光由接收器接受，然后根據(jù)高精度的鐘表對激光脈沖往返時(shí)間差進(jìn)行測量與記錄[1]。測距儀與被測物體間的距離是光速和時(shí)間差乘積的二分之一，光速精度可以通過提升影響大氣折射率的氣溫氣壓等因素的測量精度來控制，時(shí)間精度可以通過合理的判別技術(shù)來控制。測距時(shí)，掃描儀可以通過內(nèi)置的角度測量系統(tǒng)來對激光束的水平角和垂直角進(jìn)行測量，從而得到掃描點(diǎn)在掃描儀定義的坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，同時(shí)掃描儀可以記錄激光點(diǎn)位置物體的反射強(qiáng)度并將其定義為反射率，測量原理可以由圖1表示。

2 三維激光掃描技術(shù)在水利工程地形測繪中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 工程實(shí)例

本文以位于青海省的某一個(gè)水壩工程為例，該工程涉及到一個(gè)全長達(dá)400千米的內(nèi)陸河流，流域面積約為21000平方公里，在洪水期其流量可達(dá)到414m3/s。該水壩工程主要功能是發(fā)電和引水，水壩的設(shè)計(jì)高度為120米，周圍主要為沒有植被覆蓋的無人區(qū)，由于此區(qū)域內(nèi)的環(huán)境不利于航空攝影技術(shù)進(jìn)行地圖測繪工作，而投資方的時(shí)間要求比較緊迫，施工方采用了優(yōu)越性顯著的三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行相關(guān)工程的開展。

2.2 外部作業(yè)

（1）架站位置的選擇

為了保證可以較為全面的觀測地面信息，工作人員應(yīng)該遵循保存方便的原則選擇架站方式，科學(xué)合理的架站位置的視線寬闊，在使用一些測繪輔助手段時(shí)也比較方便。本工程在經(jīng)過實(shí)際的勘測之后，選擇了8個(gè)架站位置。

（2）掃描作業(yè)

工作人員可以在架設(shè)好的測量站配置掃描儀，工程開展過程中使用的掃描儀將空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為發(fā)射器，然后進(jìn)行空間極坐標(biāo)系的自定義。工作人員可以利用操作手簿輸入測站的坐標(biāo)和后視點(diǎn)的坐標(biāo)，之后利用專業(yè)的軟件（RiSCAN PRO）進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)參數(shù)的求取[2]，在將空間極坐標(biāo)系的原點(diǎn)定義了X、Y、Z坐標(biāo)和正北方向后，對后視標(biāo)靶進(jìn)行瞄準(zhǔn)從而確定方向。因?yàn)楣こ虆^(qū)域的地形有一定的起伏，工作人員應(yīng)記錄后視點(diǎn)坐標(biāo)與已知數(shù)據(jù)之差，進(jìn)行相應(yīng)的掃描工作，掃描過程還應(yīng)對溝、坎、梁等數(shù)據(jù)不易掃描完整的點(diǎn)進(jìn)行局部精掃，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)補(bǔ)充測量。工作人員對每個(gè)站點(diǎn)的測量都應(yīng)遵循上述原則，在掃描作業(yè)完成后再次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)以保證后續(xù)工作的順利進(jìn)行，按要求不同區(qū)域間的掃描重合率至少應(yīng)達(dá)到30%。

2.3 數(shù)據(jù)編輯工作

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理工作

工作人員應(yīng)利用RiSCAN PRO軟件對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理工作，具體操作方式是將測站的信息和后視坐標(biāo)信息輸入軟件，然后與GPS系統(tǒng)測量的實(shí)際點(diǎn)進(jìn)行比對，保證云數(shù)據(jù)與正確位置匹配成功。工作人員還應(yīng)注意，掃描數(shù)據(jù)可能因?yàn)楦鞣N因素的影響出現(xiàn)一些噪點(diǎn)，需要在后期進(jìn)行數(shù)據(jù)的平滑處理。

（2）數(shù)據(jù)特征提取

RiSCANPRO軟件的視圖模式比較多，不同的點(diǎn)有著不同的對應(yīng)顏色，工作人員可以在軟件中直觀的得到地物形狀，可以將特點(diǎn)鮮明的特征線進(jìn)行標(biāo)記并建立dxf格式的相應(yīng)文件，從而補(bǔ)充完成特征數(shù)據(jù)完成地形編輯工作。

（3）數(shù)據(jù)拼接工作

實(shí)現(xiàn)不同測站掃面信息的拼接，工作人員可以使用迭帶點(diǎn)算法，利用點(diǎn)集之間對接方式完成拼接工作，擬合起伏曲面。拼接使用RiSCAN PRO軟件，差值越小表明拼接效果越好。為了有效減小誤差，工作人員需要在兩個(gè)較為接近的測站進(jìn)行6對以上同名點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)。

2.4 地形圖的生成

生成地形圖的具體步驟如下：第一步要利用RiSCANPRO軟件將處理完成的數(shù)據(jù)以dxf格式文件導(dǎo)出，第二步利用CASS軟件打開文件實(shí)現(xiàn)測量特征數(shù)據(jù)的補(bǔ)充測量并編輯，第三步是生成地形圖并以dwg格式保存。

2.5 精度分析

激光掃描技術(shù)的精度分析有一定不足之處，在直觀生成掃描數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)對測站中的重合區(qū)域進(jìn)行高差起伏方面的比較。工作人員還應(yīng)根據(jù)測繪完成結(jié)果進(jìn)行測量精度方面的檢驗(yàn)以保證其精度符合要求。

3 三維激光掃描技術(shù)的注意事項(xiàng)

工作人員應(yīng)嚴(yán)格按照要求對三維激光掃描儀進(jìn)行操作，從而提升儀器的工作效率和結(jié)果的精度，具體注意事項(xiàng)如下：

（1）掃描儀自身有著測距和測量角度精度方面的限制，因此被測點(diǎn)精度會(huì)隨著掃描距離的增加而降低[3]。工作人員在實(shí)際工作的開展時(shí)，按照不同的比例尺完成測繪工作，從而保證掃描范圍的科學(xué)合理性，這樣實(shí)際測量完成后設(shè)計(jì)的架設(shè)點(diǎn)可以與測區(qū)相匹配。

（2）測繪常用的掃描儀是RIEGLVZ-1000三維激光掃描儀，該儀器實(shí)現(xiàn)工程坐標(biāo)系和其本身坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換是通過后視標(biāo)靶中的儀器實(shí)現(xiàn)的。儀器測點(diǎn)的云數(shù)據(jù)受到標(biāo)靶掃描精度和標(biāo)靶后視點(diǎn)地面實(shí)測精度兩方面的影響比較大，因此工作人員提升標(biāo)靶坐標(biāo)精度時(shí)需根據(jù)標(biāo)靶大小確定掃描距離，最大程度上保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）數(shù)據(jù)編輯期間點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接工作的順利完成需要保

證鄰站之間掃描范圍的重合率。如果重合率小就會(huì)對拼接精度產(chǎn)生極大的影響，如果重合率大就會(huì)導(dǎo)致外業(yè)工作量的增加。

（4）現(xiàn)階段考慮到地形圖測繪軟件對測繪結(jié)果的影響，工作人員在進(jìn)行外業(yè)掃描時(shí)應(yīng)注重后期的數(shù)據(jù)編輯工作。對于一些擁有特點(diǎn)的區(qū)域，工作人員應(yīng)利用其他測量手段除去云數(shù)據(jù)中與地貌無關(guān)的數(shù)據(jù)，最后需要驗(yàn)證其精度。

4 結(jié)束語

我國的大型水利工程的施工地點(diǎn)主要位于比較偏僻的地區(qū)，建設(shè)區(qū)域的地形一般比較復(fù)雜且具有多變特征。三維激光掃描技術(shù)具備測繪效率高、速度快、實(shí)用性強(qiáng)、數(shù)字化程度高的特點(diǎn)，且可以憑借其非接觸主動(dòng)測量的方式獲得較大范圍內(nèi)測得的三維空間數(shù)據(jù)，因此該技術(shù)在水利工程地形測繪方面的優(yōu)越性十分顯著。三維激光掃描技術(shù)可以極大提升測量效率和測量結(jié)果的精度，極大減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了施工企業(yè)單位的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。相關(guān)單位應(yīng)提高對三維激光掃描技術(shù)的重視程度，加強(qiáng)該方面的研究，為水利工程的順利開展提供技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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