基于三維激光掃描技術(shù)的高陡邊坡計量方法

韓 艷 歷從實(shí) 皇甫澤華 王四巍

（1 河南省水利第一工程局；2 河南省前坪水庫建設(shè)管理局；3 華北水利水電大學(xué)）

0 引言

隨著我國綜合國力的提高，水利工程建設(shè)技術(shù)也日新月異、蓬勃發(fā)展，超百米級高壩層出不窮，水利水電樞紐工程的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，施工過程中遇到的問題也逐漸加劇，特別是高陡工程邊坡，給工程測量和地質(zhì)調(diào)查帶來諸多困難。例如在深切峽谷地貌地形中，高陡邊坡地質(zhì)、地形，采用傳統(tǒng)接觸式、單點(diǎn)測量巖體產(chǎn)狀和工程量，效力低、耗時長。三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，可以遠(yuǎn)距離、短時間、高精度地獲得目標(biāo)表面的特征點(diǎn)，通過對掃描獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析分析，進(jìn)而可快速、方便、準(zhǔn)確地建立靜態(tài)物體的線、面、體各種制圖數(shù)據(jù)及空間3D 模型和等高線圖，并可通過獲取出露巖石表面產(chǎn)狀要素，對巖石結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀等地質(zhì)特征進(jìn)行識別。

近年來，國內(nèi)不同建設(shè)領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者對不同平臺下的三維激光掃描技術(shù)在礦山、公路、港口、林業(yè)等行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用和研究。但是，關(guān)于水利工程高陡邊坡的測量和計量尚未有公開報道，由于水利工程具有典型行業(yè)特色，文章開展了三維激光掃描技術(shù)在水利工程高陡邊坡的應(yīng)用研究。前坪水庫工程右壩肩邊坡高陡，平均坡度70°以上，局部反傾，原始地形基巖裸露，無植被，開挖高度近百米，常規(guī)的原始地形測量方法，測量人員無法達(dá)到高陡的巖體表面，且危險性大，測量效率低，精度差。

1 三維激光掃描技術(shù)簡介

1.1 基本原理

通過激光器發(fā)射紅外線光束，然后光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭的中心，激光接觸到物體后，光束沿著相同的路徑，反射回掃描儀接收器，紅外線之軌跡和時間等參數(shù)便得以測量，進(jìn)而測出與物體之間的距離。然后用編碼器測量激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度與透鏡的旋轉(zhuǎn)角度，便可測得每一個點(diǎn)的三維坐標(biāo)值x，y，z。

1.2 所用掃描儀簡介

測量采用美國公司FAROFocus3DX330 三維激光掃描儀，它具有高速和超長距離掃描的特點(diǎn)。它適應(yīng)于對復(fù)雜地貌地形、坑道隧道、不易靠近的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)筑物進(jìn)行測量，可廣泛應(yīng)用于隧道、礦山、公路、水利工程、文物測繪等領(lǐng)域。它擁有以下特點(diǎn)：

掃描儀的視場角為360×300，幾乎沒有限制，能真正的實(shí)現(xiàn)和達(dá)到“所見即所得”的效果；它具有集成式GPS接收器和分辨率達(dá)到7 000萬像素的內(nèi)置相機(jī)，能夠使每一次掃描的數(shù)據(jù)與后處理程序相互關(guān)聯(lián)，數(shù)據(jù)后處理起來更加方便和快捷；體積小，重量輕，只有5.20 kg，方便攜帶；觸屏操作，連續(xù)掃描時間可達(dá)4.50 h，掃描點(diǎn)速最快達(dá)976 000 點(diǎn)/s；能達(dá)到測量級的點(diǎn)位精度，模型表面的精度±2 mm/10 m（90%）。

2 三維激光掃描儀測量方法

2.1 測量準(zhǔn)備工作

掃描測量前，詳細(xì)踏勘和了解周邊地形地貌等條件；架機(jī)點(diǎn)要架在穩(wěn)固安全地帶，防止翻落，以保證掃描到物體完整的三維數(shù)據(jù)；避免在陰雨和高溫天氣情況下工作；掃描時，不在同一條直線上的目標(biāo)點(diǎn)，最少布置三個。為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)拼接和不同坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，在兩次相鄰掃描數(shù)據(jù)中，至少應(yīng)有3個重合點(diǎn)。

2.2 掃描測量

根據(jù)前坪水庫大壩右岸邊坡現(xiàn)場地質(zhì)地貌，為最大限度獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)，在整個右岸邊坡沿河床從下游到上游共布置了14 個測點(diǎn)站，在坡體公路上設(shè)置2 個測點(diǎn)站。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用SCENE 程序預(yù)處理，點(diǎn)云的拼接對齊在SCENE 中完成。拼接、對齊后，得到前坪水庫右岸邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖1 所示。

圖1 測試點(diǎn)云圖

2.3 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在掃描獲取對象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時，不可避免含有噪點(diǎn)，包括地表植物、樹木和覆蓋物等，因此需要對點(diǎn)云去噪，如圖2 所示。測試點(diǎn)云中包含的部分噪點(diǎn)，去噪后點(diǎn)云圖如圖3所示。

2.4 不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

掃描后對點(diǎn)云圖像進(jìn)行剪輯拼接，首次剪輯拼接的圖像，僅是物體以第一幅點(diǎn)云圖為參考系的空間模型，要使整個三維模型具有工程研究意義，還要利用儀器自帶的差分GPS接收器或者全站儀將三維模型轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系或工程坐標(biāo)系中。為提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，在控制點(diǎn)選取時要盡量的多和準(zhǔn)。在掃描中，對5 個坐標(biāo)控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換精度分析見表1。由表1可知，5個控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)值誤差最大量值為1.20×10-2m，經(jīng)5個坐標(biāo)點(diǎn)綜合控制校正點(diǎn)云圖像后，在水平坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度上達(dá)到了4.00×10-3m，高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到1.20×10-2m，該精度可滿足工程計量和巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查的要求。

圖2 點(diǎn)云噪點(diǎn)圖

圖3 拼接去噪后的點(diǎn)云圖

表1 控制坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度表

2.4 轉(zhuǎn)換成等高線圖

將去噪處理后的掃描點(diǎn)云圖用系統(tǒng)自帶軟件生成等高線圖，如圖4所示。白線為等高線，綠線為開挖界線。

3 工程量計算

3.1 計算原理

計算基于掃描處理后生成的等高線、開挖線、和開挖邊坡進(jìn)行計算。計算參考圖5，需要計算開挖體積C，但C的體積不容易計算，需要算出總體積A，再算出B，進(jìn)而得到開挖體積C的體積。

圖4 生成的等高線圖

圖5 計算原理示意圖

3.2 計算步驟

3.2.1 第一步：計算總體積A的體積

計算的范圍為樁號0+740～0+818段。在已知的等高線上按坐標(biāo)畫出開挖的范圍，然后只保留開挖界線以內(nèi)的等高線，其他全刪掉，如圖6。

圖6 開挖界內(nèi)的等高線圖

將開挖開口線垂直引向地面，與設(shè)計高程面相交，再把新的等高線處理并且連起來，這樣由垂直面、設(shè)計高程水平面和等高線所圍成的體積就是總體積A的方量。

現(xiàn)在計算A，在CAD中記錄每一層等高線的面積如表2。

表2 每層等高線面積及體積一覽表

等高線之間的高程距離為2 m，每段等高線的面積已知，可以用體積微分的方法，把面積疊加起來可以估算出總體積A的體積。

由表2知，求得總體積A的方量為688 222 m3。

3.2.2 第二步：計算B的體積

將開挖開口線垂直引向地面，與設(shè)計高程面相交，再將開挖坡比線連起來。由垂直面、設(shè)計高程水平面和開挖坡比線所圍成的體積就是B體積的方量。設(shè)計開挖坡比是1：0.75，所形成B的體積比較規(guī)則。

經(jīng)計算，B的體積為598 682 m3。

3.2.3 第三步：計算C的體積

用總體積A的體積減去B的體積得出C的體積。

C＝A-B＝688222—598682=89540 m3

得出開挖方量為89540 m3。

4 不同計算方法的對比

4.1 斷面法計算方量

用斷面法計算的方量見表3。

表3 右壩肩斷面法石方開挖工程量計算表

由表3可知，計算方量為86 163.12 m3。與三維激光掃描法相比，工程量少3.77%。

4.2 臺階法計算方量

前坪水庫右壩肩開挖從上到下共分17 層臺階進(jìn)行開挖，每階開挖高度約5 m，用臺階法計算的方量為91 500 m3。與三維激光掃描法相比，工程量多2.19%。

5 結(jié) 論

前坪水庫在建設(shè)過程中，針對右壩肩高陡邊坡測量時存在效率低下、人員無法靠近高陡的巖體表面、難以到達(dá)所需測量區(qū)域，且危險性大等問題，采用激光三維掃描技術(shù)，對岸坡進(jìn)行三維掃描，然后對云點(diǎn)圖進(jìn)行去噪、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、等高線轉(zhuǎn)換等處理，之后用等高線法進(jìn)行計算，并與傳統(tǒng)的斷面法、臺階法計算結(jié)果進(jìn)行比較。得出結(jié)論如下：一是采用激光三維掃描技術(shù)對高陡岸坡開挖進(jìn)行測量計量，計算結(jié)果正確。該辦法在高陡邊坡及類似人工不能到達(dá)工作面的困難條件下進(jìn)行測量具有安全、高效、精度高等優(yōu)點(diǎn)。二是采用激光三維掃描技術(shù)對高陡岸坡開挖測量計量結(jié)果與采用斷面法、臺階法計算結(jié)果基本吻合，可以作為工程計量的參考依據(jù)。