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]。
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
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]。
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。
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)。
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)
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。
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))
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。
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。