全站式掃描儀在陡峻山區(qū)測繪中的應用

王 琦，杜全維

（1.四川電力設計咨詢有限責任公司，四川 成都 610061）

全站式掃描儀在陡峻山區(qū)測繪中的應用

王 琦1，杜全維1

（1.四川電力設計咨詢有限責任公司，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。采用全站掃描儀MS50來獲取陡峻山區(qū)的大比例尺地形圖，并應用于陡峻山區(qū)輸電線路勘測設計中，實驗表明該方法在工程中得到了較好的應用。

全站光掃描儀；陡峻山區(qū)；測繪

隨著測繪科學技術的不斷發(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)在的無人機技術、激光雷達技術以及衛(wèi)星遙感技術,已逐步應用到測繪工作中。這些技術都有各自的優(yōu)缺點，有些受到飛行條件的限制、有些成本高、有些花費時間長。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，激光雷達技術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，并應用到輸電線路的勘測設計中，可以在人員不用到達的情況下，快速準確地獲取陡峻地區(qū)的地形數(shù)據(jù)，對電力勘測設計有著重要的意義[1,2]。

1 選題意義與技術方法

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)，無法從測繪相關部門獲取大比例尺地形圖資料。為了做好設計工作，需要更精確的地形圖，傳統(tǒng)的獲取受控點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性。本文通過全站式三維激光掃描儀MS50自動掃描陡峻地區(qū)的地形信息，通過獲取的點云信息構建該地區(qū)高程模型，將高程模型和影像數(shù)據(jù)合成來進行輸電線路選線設計，如塔位選擇、受控點信息提取、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

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

1）快速性:激光掃描測量能夠快速獲取大面積目標空間信息。MS50點云掃描模式最快可實現(xiàn)1 000 點 / s，只要設置好點云格網(wǎng)間距和范圍，就可以實現(xiàn)自動掃描，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進行測量,可以實時獲取實體的三維坐標，對于一些陡峻山區(qū)或人無法到達的地方，該方法增加了測繪工作的安全性。

3）智能全站儀測量技術：MS50具有全站儀的所有功能，一測回水平和垂直角度標準差小于1'，免棱鏡測距最遠可以達到2 000 m（90%反射率）。此外，MS50具備馬達驅動（MOTOR）、自動目標識別（ATR）、鎖定跟蹤等功能，馬達采用壓電陶瓷技術進行驅動，其最大轉速可以達到180°/s，跟蹤測量的有效范圍達到800 m，ATR測角精度為1"，屬于高精度的測量機器人[2-6]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與建模

三維激光掃描測量技術的原理是無線電載波相位測距和精密測角技術的結合，本課題采用的技術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)。經過外業(yè)數(shù)據(jù)采集，通過infinity軟件進行點云數(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、高程點等信息。

2 實驗項目

選取色兒古～紅原220 kV輸電線路新建工程進行實驗。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云數(shù)據(jù)生成DEM模型，自動提取受控點、風偏點的三維坐標，自動提取陡峭塔位地形數(shù)據(jù)，將高程模型與影像圖疊加進行陡峭困難區(qū)域的選線設計。

2.1 陡峻地區(qū)輸電線路危險地方受控點、風偏點獲取

選取色兒古～紅原220 kV一段塔位的受控點自動掃描。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、峭壁等人無法到達的地方，通過該方法可以大大減輕測量工作的強度，增加野外工作的安全性。

圖2 MS5O自動掃描峭壁、受控點

圖3 3DReshaper中掃描點云數(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)強度，并且掃描的大量微地形點云數(shù)據(jù)能更好反映風偏實際情況，特別是一些人不容易到達的陡峭地方。

圖4 掃描模型切出風偏與GPS測對比（紅色為掃描儀測/黑色為GPS測）

2.2 MS50應用于輸電線路的選線設計

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，重新選線進行斷面測量，這樣會大大增加測量外業(yè)的工作量。而三維激光掃描儀的出現(xiàn)，可以設置掃描格網(wǎng)間隔，如設置1 m或者2 m間隔的格網(wǎng)，來獲取更高精度的DEM模型，從而更精細地反映陡峻地形中的細節(jié)情況。設計人員在內業(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范圍內設置更高分辨率的掃描點云，并保證精度。相比傳統(tǒng)航測10 m的格網(wǎng)高程模型，高密度點云能生成更高精度的高程模型。這樣，設計人員在室內選線時就能更好地看到陡峭地方的微地形情況，使設計方案更加合理，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掃描

傳統(tǒng)的塔基斷面測量都是采用全站儀或GPS逐個塔腿進行測量，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、耗費時間長等困難。如果采用MS50進行掃描，則可以大大減輕上述問題。只需在塔位附近找一個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，更好地為判斷虛點位置、基礎設計服務。如需特殊分坑等情況，也可以根據(jù)設計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 實驗結論

應用三維激光掃描儀MS50對色兒古～紅原220 kV輸電線路新建工程進行實驗，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用，特別是在一些植被稀少、懸崖峭壁、人不容易到達的地方，該方法可以對點云數(shù)據(jù)進行處理、濾波和三維建模，生成高程模型和影像模型，獲取受控點、風偏點信息、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。實驗表明，三維激光掃描儀可以較好地應用于陡峻地區(qū)的地形測量，大大減輕野外測繪人員工作量。該方法應用于輸電線路選線設計，可使線路設計方案更加合理，提高工作效率。

3 結 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行交互,可以進行陡峻地區(qū)、陡崖、峽谷等危險地形的精細測繪。該系統(tǒng)能獲得所測物體的絕對三維位置坐標和高分辨彩色紋理信息,應用配套的處理軟件可以使得用戶能夠在短時間內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用于輸電線路的勘測設計中，對在一些植被稀少的風電、光伏工程地形圖測繪中也可以很好地運用，對變電站、鐵塔的三維建模與變形分析也可以進一步探索。對于測繪學科來講,地面三維激光掃描技術的應用開辟了新的應用領域,與傳統(tǒng)的測繪技術的結合,拓展了測繪科學的研究和應用,對于促進現(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用 [J].測繪通報,2015(3):136-137

[2]張維.徠卡全站掃描儀MS50在變形監(jiān)測中的應用[J].測繪通報,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,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地形測繪[J].測繪通報,2010(1):53-56

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[6]徐進軍,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,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，主要研究方向為大地測量與測量工程。