全站式掃描儀在陡峻山區(qū)測繪中的應(yīng)用

王 琦，杜全維

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610061）

全站式掃描儀在陡峻山區(qū)測繪中的應(yīng)用

王 琦1，杜全維1

（1.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610061）

川西山區(qū)海拔一般在1 000～5 000 m之間，地勢陡峻、相對高差大，山體切割深。傳統(tǒng)航測或遙感技術(shù)不能更好反映陡峻山區(qū)的微地形情況，如何快速獲取陡峻地區(qū)的大比例尺地形資料一直存在難點(diǎn)。采用全站掃描儀MS50來獲取陡峻山區(qū)的大比例尺地形圖，并應(yīng)用于陡峻山區(qū)輸電線路勘測設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)表明該方法在工程中得到了較好的應(yīng)用。

全站光掃描儀；陡峻山區(qū)；測繪

隨著測繪科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，獲取測繪信息的手段越來越多樣化，從傳統(tǒng)的人工測繪，到現(xiàn)在的無人機(jī)技術(shù)、激光雷達(dá)技術(shù)以及衛(wèi)星遙感技術(shù),已逐步應(yīng)用到測繪工作中。這些技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，有些受到飛行條件的限制、有些成本高、有些花費(fèi)時(shí)間長。特別是對于四川很多高山陡峻的地形來說，由于陡峻地區(qū)高差大、地勢起伏大，地形多變，航測及衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取地形圖無法反映微地形，往往出現(xiàn)失真的情況，激光雷達(dá)技術(shù)也存在成本較高問題，如何快速精確獲取陡峻地區(qū)的地形資料一直存在困難。本文采用萊卡MS50全站式三維激光掃描儀獲取陡峻地區(qū)的地形信息，并應(yīng)用到輸電線路的勘測設(shè)計(jì)中，可以在人員不用到達(dá)的情況下，快速準(zhǔn)確地獲取陡峻地區(qū)的地形數(shù)據(jù)，對電力勘測設(shè)計(jì)有著重要的意義[1,2]。

1 選題意義與技術(shù)方法

1.1 選題意義

目前四川很多輸電線路受到通道限制，多沿著河谷地帶走線，高差特別大，并且地勢陡峭，路徑通道狹窄，線路水平檔距、垂直檔距極不均勻，如北川、汶川這些地區(qū)多地震斷裂帶和山體滑坡帶，地勢陡峭；川西高原河谷地帶山體切割深，高差大。這些地方往往屬少數(shù)民族居住區(qū)或者無人區(qū)，無法從測繪相關(guān)部門獲取大比例尺地形圖資料。為了做好設(shè)計(jì)工作，需要更精確的地形圖，傳統(tǒng)的獲取受控點(diǎn)信息的方式是人工測量，不僅工作效率低，而且陡峭地形測量帶來很大的危險(xiǎn)性。本文通過全站式三維激光掃描儀MS50自動(dòng)掃描陡峻地區(qū)的地形信息，通過獲取的點(diǎn)云信息構(gòu)建該地區(qū)高程模型，將高程模型和影像數(shù)據(jù)合成來進(jìn)行輸電線路選線設(shè)計(jì)，如塔位選擇、受控點(diǎn)信息提取、塔基斷面獲取等。

圖1 川西地區(qū)陡峭地形情況

1.2 MS50全站式掃描儀的特點(diǎn)

MS50可以快速進(jìn)行高精度、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，改變了傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模式，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）快速性:激光掃描測量能夠快速獲取大面積目標(biāo)空間信息。MS50點(diǎn)云掃描模式最快可實(shí)現(xiàn)1 000 點(diǎn) / s，只要設(shè)置好點(diǎn)云格網(wǎng)間距和范圍，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描，大大提高了測繪工作的速度。

2）非接觸性:地面三維激光掃描系統(tǒng)采用完全非接觸的方式對目標(biāo)進(jìn)行測量,可以實(shí)時(shí)獲取實(shí)體的三維坐標(biāo)，對于一些陡峻山區(qū)或人無法到達(dá)的地方，該方法增加了測繪工作的安全性。

3）智能全站儀測量技術(shù)：MS50具有全站儀的所有功能，一測回水平和垂直角度標(biāo)準(zhǔn)差小于1'，免棱鏡測距最遠(yuǎn)可以達(dá)到2 000 m（90%反射率）。此外，MS50具備馬達(dá)驅(qū)動(dòng)（MOTOR）、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別（ATR）、鎖定跟蹤等功能，馬達(dá)采用壓電陶瓷技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到180°/s，跟蹤測量的有效范圍達(dá)到800 m，ATR測角精度為1"，屬于高精度的測量機(jī)器人[2-6]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與建模

三維激光掃描測量技術(shù)的原理是無線電載波相位測距和精密測角技術(shù)的結(jié)合，本課題采用的技術(shù)線路是在滿足掃描縱距、重疊度等條件下，從不同位置獲取陡峭地區(qū)的三維激光掃描數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。經(jīng)過外業(yè)數(shù)據(jù)采集，通過infinity軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，包括粗差數(shù)據(jù)剔除、數(shù)據(jù)分層、數(shù)據(jù)拼接等過程之后，在利用3Dshaper后處理軟件完成點(diǎn)云立體模型的建立并生成DEM和DOM模型。最后，可以根據(jù)高程模型和影像模型獲取需要的信息，如等高線、斷面線、高程點(diǎn)等信息。

2 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

選取色兒古～紅原220 kV輸電線路新建工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該工程色兒古段地勢陡峭、植被稀少，比較適合MS50掃描。通過三維激光掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成DEM模型，自動(dòng)提取受控點(diǎn)、風(fēng)偏點(diǎn)的三維坐標(biāo)，自動(dòng)提取陡峭塔位地形數(shù)據(jù)，將高程模型與影像圖疊加進(jìn)行陡峭困難區(qū)域的選線設(shè)計(jì)。

2.1 陡峻地區(qū)輸電線路危險(xiǎn)地方受控點(diǎn)、風(fēng)偏點(diǎn)獲取

選取色兒古～紅原220 kV一段塔位的受控點(diǎn)自動(dòng)掃描。MS50掃描距離是1 000 m，免棱鏡距離2 000 m，大大超越了普通全站儀的測量范圍，在一些線路受控地勢陡峭的山脊、峭壁等人無法到達(dá)的地方，通過該方法可以大大減輕測量工作的強(qiáng)度，增加野外工作的安全性。

圖2 MS5O自動(dòng)掃描峭壁、受控點(diǎn)

圖3 3DReshaper中掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的格網(wǎng)模型

通過圖2可以看出，MS50可以快速掃描面狀山脊風(fēng)偏數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)的人工測量模式，減輕了外業(yè)強(qiáng)度，并且掃描的大量微地形點(diǎn)云數(shù)據(jù)能更好反映風(fēng)偏實(shí)際情況，特別是一些人不容易到達(dá)的陡峭地方。

圖4 掃描模型切出風(fēng)偏與GPS測對比（紅色為掃描儀測/黑色為GPS測）

2.2 MS50應(yīng)用于輸電線路的選線設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的高壓輸電線路施工圖終勘中，一般采用航片或者衛(wèi)星影像生成的立體模型或者正攝影像進(jìn)行選線，然后在外業(yè)施工圖中定位。但在一些特殊的地勢陡峭區(qū)域，由于地形突變較大區(qū)域的航測或者衛(wèi)星影像DEM模型的精度較差，往往現(xiàn)場地形與模型的差別較大，這就需要測量人員現(xiàn)場改線，重新選線進(jìn)行斷面測量，這樣會(huì)大大增加測量外業(yè)的工作量。而三維激光掃描儀的出現(xiàn)，可以設(shè)置掃描格網(wǎng)間隔，如設(shè)置1 m或者2 m間隔的格網(wǎng)，來獲取更高精度的DEM模型，從而更精細(xì)地反映陡峻地形中的細(xì)節(jié)情況。設(shè)計(jì)人員在內(nèi)業(yè)選線中，能更好地判斷是否立塔，斷面是否能通過，減少外業(yè)的改線工作量，減輕外業(yè)勘測人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。如圖5、6。

圖5 色兒古～紅原220KV輸電線路新建工程地形情況

圖6 掃描點(diǎn)云渲染后的格網(wǎng)高程模型

MS50可以根據(jù)需要在1 km范圍內(nèi)設(shè)置更高分辨率的掃描點(diǎn)云，并保證精度。相比傳統(tǒng)航測10 m的格網(wǎng)高程模型，高密度點(diǎn)云能生成更高精度的高程模型。這樣，設(shè)計(jì)人員在室內(nèi)選線時(shí)就能更好地看到陡峭地方的微地形情況，使設(shè)計(jì)方案更加合理，從而減少外業(yè)的改線工作量。

2.3 陡峭地形塔位中塔基斷面自動(dòng)掃描

傳統(tǒng)的塔基斷面測量都是采用全站儀或GPS逐個(gè)塔腿進(jìn)行測量，在一些地勢陡峭的地形特別是坡度在45°或以上的地形中，陡峭的地形給全站儀架設(shè)帶來一定的困難，并且測量過程中仰角或俯角比較大等有許多不便。采用GPS測量也同樣存在行走不便、耗費(fèi)時(shí)間長等困難。如果采用MS50進(jìn)行掃描，則可以大大減輕上述問題。只需在塔位附近找一個(gè)地形緩和通視的地方，架好儀器后MS50儀器2 min不到就可以全部測完塔位全部地形，測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以生成三維模型，精確反映塔位地形情況，更好地為判斷虛點(diǎn)位置、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)服務(wù)。如需特殊分坑等情況，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要切出任意需要方向的塔基斷面[7]，如圖7～9。

圖7 MS50掃描陡峻地區(qū)塔基地形

圖8 掃描點(diǎn)云生成的等高線

圖9 掃描數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)生成塔基斷面對比（紅線為掃描數(shù)據(jù)/黑線為全站儀數(shù)據(jù)）

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

應(yīng)用三維激光掃描儀MS50對色兒古～紅原220 kV輸電線路新建工程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以看出，三維激光掃描儀對四川陡峻地區(qū)的輸電線路工程有著較好的應(yīng)用，特別是在一些植被稀少、懸崖峭壁、人不容易到達(dá)的地方，該方法可以對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、濾波和三維建模，生成高程模型和影像模型，獲取受控點(diǎn)、風(fēng)偏點(diǎn)信息、陡峭塔位地形等情況，還可以用于困難地區(qū)的輸電線路選線以及地址危巖評估。實(shí)驗(yàn)表明，三維激光掃描儀可以較好地應(yīng)用于陡峻地區(qū)的地形測量，大大減輕野外測繪人員工作量。該方法應(yīng)用于輸電線路選線設(shè)計(jì)，可使線路設(shè)計(jì)方案更加合理，提高工作效率。

3 結(jié) 語

地面三維激光掃描測量系統(tǒng)不需要與被測物體接觸,其數(shù)據(jù)可以方便地與其他軟件進(jìn)行交互,可以進(jìn)行陡峻地區(qū)、陡崖、峽谷等危險(xiǎn)地形的精細(xì)測繪。該系統(tǒng)能獲得所測物體的絕對三維位置坐標(biāo)和高分辨彩色紋理信息,應(yīng)用配套的處理軟件可以使得用戶能夠在短時(shí)間內(nèi)獲取高精度的三維立體影像數(shù)據(jù),也可根據(jù)用戶的需要提供極為豐富的三維立體空間模型、立體影像等成果。該方法可以很好地應(yīng)用于輸電線路的勘測設(shè)計(jì)中，對在一些植被稀少的風(fēng)電、光伏工程地形圖測繪中也可以很好地運(yùn)用，對變電站、鐵塔的三維建模與變形分析也可以進(jìn)一步探索。對于測繪學(xué)科來講,地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域,與傳統(tǒng)的測繪技術(shù)的結(jié)合,拓展了測繪科學(xué)的研究和應(yīng)用,對于促進(jìn)現(xiàn)行地理空間信息獲取方式的發(fā)展和革新具有重要意義。

[1]吳列,黃偉. 徠卡NovaMS50全站掃描儀在地形測量中的應(yīng)用 [J].測繪通報(bào),2015(3):136-137

[2]張維.徠卡全站掃描儀MS50在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].測繪通報(bào),2014(6):131-132

[3]李東敏,范白興. 全站式掃描儀測量原理及精度分析[J].測繪通報(bào),2014 (8):131-133

[4]梅文勝,周燕芳,周俊,等. 基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測繪[J].測繪通報(bào),2010(1):53-56

[5]謝雄耀,盧曉智,田海洋,等. 基于地面三維激光掃描技術(shù)的隧道全斷面變形測量方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013(11):2 215-2 223

[6]徐進(jìn)軍,王海城,羅喻真. 基于三維激光掃描的滑坡變形監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理[J].巖土力學(xué),2010(7):2 188-2 192

[7]GB 50548-2010. 330kV～750kV架空輸電線路勘測規(guī)范[S].

P258

B

1672-4623（2017）12-0102-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.033

2016-02-25。

王琦，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榇蟮販y量與測量工程。