三維激光在水庫庫容面積計算方面的應用

王鵬飛石磊

（1.廣州市中海達測繪儀器有限公司烏魯木齊分公司 2.新疆工程學院）

三維激光掃描技術(shù)（laserscanningtechnology3D）是一種全自動高精度三維掃描技術(shù)。別稱“實景復制技術(shù)”，它的優(yōu)點是：地形空間數(shù)據(jù)復制測量、非接觸、速度快、體積大、精度高、實時性強、自動化程度高；突破傳統(tǒng)測量儀器的限制，得到的數(shù)據(jù)，直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)的目標，三維可視化重建。這不僅可以降低測量成本，而且還可以縮短采集時間，方便操作和使用。廣泛應用于水庫邊坡穩(wěn)定性研究、地質(zhì)勘探的高陡邊坡，采集數(shù)據(jù)、水利地形運輸、線路選擇、虛擬技術(shù)的逆向建模、交通、醫(yī)療、古代工程修復和保護、變形觀測，森林和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。本文重點介紹了海達數(shù)云公司生產(chǎn)的hs1200三維激光掃描儀，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)的工作和操作原理，探討從數(shù)據(jù)獲取到計算水庫庫容面積的整個流程。通過對水庫的掃描、數(shù)據(jù)處理、快速生成地形圖，從而進行水庫庫容分析的研究。

1 工作原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀和軟件系統(tǒng)，電源及配套設(shè)備組成。主機主要由激光發(fā)射器，接收器，計時器，微電腦組成。一臺高速精密激光測距儀，配上一組引導激光器和均等角速掃描反射棱鏡是三維激光掃描儀的主要部件。激光測距儀是發(fā)射激光激光并接收由自然物體出現(xiàn)的反射信號得到斜距（站到掃描點的距離），水平和垂直方向的掃描角度，精確計算每個掃描點和測站空間相對坐標。如果測站的空間坐標已知，則可以用它來計算每個掃描點的三維坐標。

在儀器中，兩個同步鏡快速、有序地旋轉(zhuǎn)后，將一束窄束的激光脈沖發(fā)射體激光脈沖逐行掃掠面積進行測量，用每個激光脈沖的分析物從表面背面儀器的時間（或相位）來計算間距，同時內(nèi)置精密時鐘控制編碼器，同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，故任意一個被測云點P的三維坐標為：

2 設(shè)備介紹

海達數(shù)云HS1200三維激光掃描系統(tǒng)采用最先進的高性能近紅外激光技術(shù)，結(jié)合高速掃描儀提供了每秒發(fā)射500000激光脈沖的非接觸數(shù)據(jù)采集功能?；诨夭〝?shù)字和在線回波波形處理功能實現(xiàn)了高精度測距，即使在惡劣的環(huán)境下也能實現(xiàn)高精度多目標回波的測量和識別。產(chǎn)品特點是：高精度、高頻率、全自主、易擴展、自動化、全流程、超遠距離可達1200m。

3 水庫測量實例

本文選擇要測量的區(qū)域為烏魯木齊某水庫，外業(yè)共采集六站數(shù)據(jù)，用時約1h完成整個采集過程。采集數(shù)據(jù)過程中會有噪點數(shù)據(jù)包括空氣中灰塵、人員、過往車輛、地表植被，除此之外被稱為有用數(shù)據(jù)。而這些噪點數(shù)據(jù)要進行剔除和處理，之后輸出成果。實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)到合格適用數(shù)據(jù)的順序依次是：掃描數(shù)據(jù)分區(qū)-標志物選取-掃描點云數(shù)據(jù)模型-拼接-坐標變換-數(shù)據(jù)提取處理（抽隙、去噪）-格式轉(zhuǎn)換-南方CASS坐標數(shù)據(jù)文件的生產(chǎn)。

3.1 外業(yè)流程

3.1.1 現(xiàn)場踏勘

為到達縮小水汽、揚塵雜質(zhì)對激光傳輸路徑和時間的影響，應選擇天氣良好無風的環(huán)境穩(wěn)定、空氣質(zhì)量高的適宜環(huán)境下進行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇架站位置。為防止信號損失、弱激光信號損失和其他非靜態(tài)因素的影響要對傳輸?shù)溺R面反射面目標對象進行處理。

3.1.2 架站設(shè)置檔位并采集數(shù)據(jù)

每次架站調(diào)平后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)置檔位（由于水庫面積較需要采集的點密度不大，因而采用掃描頻率10萬點/s，掃描時間6分35秒）。每站掃描后設(shè)備必須裝箱搬運到下一站位置繼續(xù)架站采集數(shù)據(jù)。

3.2 內(nèi)業(yè)流程

（1）點云數(shù)據(jù)拼接：主要有標靶（球）拼接、控制點拼接、同特征點拼接。本次數(shù)據(jù)使用控制點拼接的方式將各站數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系，整體拼接效果滿足測量需求。

（2）點云數(shù)據(jù)預處理：去噪，抽稀、壓縮等。這些過程都需要HDSCENE和CASS軟件的幫助。

拼接后的數(shù)據(jù)

（3）量取水域面積：按照水庫堤岸下沿為范圍確定水域面積：經(jīng)過實際量測為 155，612.666m2。

（4）通過去噪和抽稀的數(shù)據(jù)輸入CASS里，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立DTM模型并生成地形圖。通過采用三維激光掃描儀能夠高效的完成對水庫地形的測量。

地形圖

4 行業(yè)應用優(yōu)勢

利用常規(guī)測量手段獲取測區(qū)的地形數(shù)據(jù)，其結(jié)果是較少的特征地物和地形數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描設(shè)備進行采集時，特別是復雜地形、水系、陡峭山區(qū)，采集的數(shù)據(jù)量大、實際地形特征“真實”。兩者相比就能反映出三維激光掃描儀的優(yōu)越性能，而通過采樣點的量級和精度，只有達到目標就能為設(shè)計和規(guī)劃建設(shè)人員提供可靠精確的數(shù)據(jù)。

5 總結(jié)

通過結(jié)果表明，常規(guī)傳統(tǒng)的測量方式的缺點在三維激光掃描技術(shù)上得到避免，對舊的測繪方法進行了改革創(chuàng)新，已經(jīng)有足夠的能力取代之，這在很大程度上提高了測繪的可靠性，確保了測繪所得數(shù)據(jù)的準確性。因此，在今后的測量過程中，要不斷地創(chuàng)新發(fā)展，積極的將新技術(shù)與舊技術(shù)合二為一，取其精華棄其糟粕，提高測量的精確性和地形數(shù)據(jù)采集工作的效率，并促進測繪行業(yè)的更迭發(fā)展。

對大面積、快速的獲取空間信息數(shù)據(jù)就可以采用三維激光掃描技術(shù)進行作業(yè)。它在滿足測量精度的條件下可以很大程度上節(jié)省人力，并能以自動化、操作簡單、數(shù)據(jù)易管理的特點來替代舊有的測量手段，而且可以提供實際對象的各種細節(jié)信息、紋理信息等，特別是特種作業(yè)也能滿足。在本次水庫地形測量結(jié)果滿足的可靠性就能證明這些。

基金項目：校級科研基金（2015xgy36171）。

參考文獻

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