三維激光掃描技術(shù)在溧陽抽水蓄能電站變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

周 振

(江蘇國(guó)信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽213334)

0 引 言

三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)，該技術(shù)通過高速激光掃描能夠高精度、大面積的獲取掃描物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，即點(diǎn)云數(shù)據(jù)，還可以通過內(nèi)置相機(jī)直接獲得目標(biāo)物的影像。相比于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描是由單點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的突破，具有采集數(shù)據(jù)精度高、數(shù)據(jù)更全面、速度更快的特點(diǎn)。目前該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)主要有近景攝影測(cè)量或者“GPS+全站儀”兩種方法。這兩種方法都需要在建筑物上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，數(shù)量有限，因此得到的信息也有限，不足以完全體現(xiàn)整個(gè)變形體的實(shí)際情況。而采用激光掃描技術(shù)可以方便地獲取高密度高精度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，且這些觀測(cè)數(shù)據(jù)可以完整地覆蓋整個(gè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象。

本次溧陽抽水蓄能電站利用一次上庫(kù)放空檢查的機(jī)會(huì)，首次使用了三維激光掃描技術(shù)對(duì)上庫(kù)部分區(qū)域進(jìn)行掃描測(cè)量，并建立了上庫(kù)的三維數(shù)據(jù)模型。

1 三維激光掃描儀器簡(jiǎn)介

三維激光掃描儀器的原理是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

按照測(cè)距原理，三維激光掃描儀器可分為相位式和脈沖式兩種類型。相位式測(cè)距原理是根據(jù)激光發(fā)射到接收間隔內(nèi)相位的變化來計(jì)算所測(cè)距離；脈沖式測(cè)距原理是通過激光從發(fā)射到接收之間的脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算距離。相位式儀器掃描速度快、高點(diǎn)云密度、高精度、掃描距離短；脈沖式儀器掃描距離遠(yuǎn)、應(yīng)用范圍廣。

本次溧陽抽水蓄能電站使用的是美國(guó)法如S350相位式三維掃描儀，測(cè)距精度可達(dá)1 mm；測(cè)距半徑350 m，10 m處最高點(diǎn)密度可達(dá)1.5 mm，測(cè)量速度為97萬點(diǎn)/s；主機(jī)內(nèi)置有高清HDR彩色相機(jī)，像素高達(dá)1.65億；主機(jī)同時(shí)還內(nèi)置了GPS、測(cè)高儀、指南針等傳感器。為配合掃描儀采集特征點(diǎn)坐標(biāo)，測(cè)量標(biāo)靶球的真實(shí)坐標(biāo)，本次觀測(cè)還使用了索佳NET1AX全站儀，為整個(gè)觀測(cè)精度提供保障。

2 實(shí)施方案

2.1 現(xiàn)場(chǎng)查勘

由于待測(cè)量的場(chǎng)地很大，測(cè)量精度要求較高，現(xiàn)場(chǎng)掃描時(shí)需要通過多個(gè)位置進(jìn)行掃描，所以現(xiàn)場(chǎng)合理布置架站位置極為重要。在進(jìn)行掃描作業(yè)前對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察，準(zhǔn)確設(shè)定掃描儀的架設(shè)位置、測(cè)量用標(biāo)靶球、測(cè)量標(biāo)志的布設(shè)等，確?？焖?、完整的掃描到所需數(shù)據(jù)。

2.2 掃描作業(yè)

以上水庫(kù)原施工控制網(wǎng)TN03、TN04兩個(gè)控制點(diǎn)作為初始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，平面坐標(biāo)采用電站獨(dú)立坐標(biāo)系(近似1954年北京坐標(biāo)系)，投影面高程180 ，高程采用1956年黃海高程系。掃描過程中全站儀配合三維激光掃描儀共同作業(yè)，整個(gè)區(qū)域掃描站點(diǎn)共155個(gè)，掃描組1人負(fù)責(zé)每站掃描儀的數(shù)據(jù)采集，1人負(fù)責(zé)擺放定位拼接的標(biāo)靶球，全站儀組則負(fù)責(zé)測(cè)量標(biāo)靶球的真實(shí)坐標(biāo)。當(dāng)天掃描結(jié)束后，需將設(shè)備內(nèi)數(shù)據(jù)拷貝到電腦中并檢查數(shù)據(jù)的完整性，確保采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入FARO三維激光掃描儀專用的后處理軟件Scene中，在軟件中進(jìn)行去噪、過濾、拼接、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等工作。具體為:

(1)噪聲去除。指除去點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描對(duì)象之外的數(shù)據(jù)。在掃描過程中，由于某些環(huán)境因素的影響，比如移動(dòng)的行人也會(huì)被掃描儀采集，這些數(shù)據(jù)就需要?jiǎng)h除。

(2)點(diǎn)云過濾。由于原始點(diǎn)云比較散亂，建模之前要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑，另外對(duì)于建模對(duì)象來說，原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度過大，增加了很大的數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)化也是必要的。

(3)點(diǎn)云拼接。該技術(shù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵技術(shù)，由于每個(gè)掃描位置都有自己的局部坐標(biāo)系，點(diǎn)云的拼接就是把各個(gè)局部坐標(biāo)系通過坐標(biāo)變換統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中，從而把多個(gè)角度的掃描數(shù)據(jù)合成完整的物體。

(4)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到全站儀所測(cè)的全局坐標(biāo)系中，即電站所采用的獨(dú)立坐標(biāo)系。

2.2.2 全景數(shù)據(jù)輸出及剖面成果生成

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完后可以輸出全角度的全景影像數(shù)據(jù)，全景數(shù)據(jù)含有坐標(biāo)及尺寸信息，同時(shí)也可以根據(jù)需要生成剖面圖以及提取需要位置的點(diǎn)位信息。

2.2.3 三維建模

將整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入專業(yè)建模軟件中，建成上水庫(kù)的三維模型，模型可以用于展示、尺寸量取，也可以用于作為后期變形監(jiān)測(cè)的基準(zhǔn)參考。

3 數(shù)據(jù)成果

通過本次測(cè)量，可以取得如下的數(shù)據(jù)成果。

(1)上水庫(kù)整體全景圖及上水庫(kù)整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1、2所示。在全景圖中可以量取面積及長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證，上庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)量取的某段距離與全景圖中量取的數(shù)據(jù)基本一致，但需要注意的是全景圖平面上的面積距離可直接量取，但在斜面上的面積距離需要點(diǎn)進(jìn)單站后在斜面上量取。

圖1 全景圖示意

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

(2)單站彩色點(diǎn)云。任意單站點(diǎn)進(jìn)去可以查看任意點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 單站彩色點(diǎn)云示意

(3)上水庫(kù)整體三維模型，如圖4所示。該模型可作為上庫(kù)變形監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本次測(cè)量利用全站儀對(duì)溧陽抽水蓄能電站的上庫(kù)部分點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量記錄，利用這些數(shù)據(jù)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精度驗(yàn)證，得出結(jié)論點(diǎn)云數(shù)據(jù)真實(shí)有效、精度可靠，數(shù)據(jù)可作為日后上庫(kù)變形監(jiān)測(cè)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖4 三維模型示意

隨著三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展，模型后期處理軟件的升級(jí)完善以及國(guó)家對(duì)三維激光掃描技術(shù)相關(guān)規(guī)范的制定和完善，相信三維激光掃描技術(shù)將在各個(gè)領(lǐng)域越來越普及，為廣大測(cè)量人員提供更方便快捷的測(cè)繪方法，同時(shí)大大提高測(cè)繪成果的質(zhì)量。