三維激光掃描技術(shù)在河道測(cè)量中的應(yīng)用

胡江，宋小燕

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局長(zhǎng)江上游水文水資源勘測(cè)局，四川 攀枝花 617000）

1 三維激光掃描原理

這項(xiàng)技術(shù)主要使用專用設(shè)備發(fā)出激光束實(shí)現(xiàn)與被掃描物體之間距離的測(cè)量工作，這樣能夠精準(zhǔn)地測(cè)量目標(biāo)物體的相對(duì)集合關(guān)系，在坐標(biāo)系中，直接獲得點(diǎn)云掃描點(diǎn)的三維左邊數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)⑷S物體轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字，然后對(duì)掃描點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。通常，將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為P，目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離設(shè)為S，使用編碼器同時(shí)測(cè)量不同激光脈沖的橫向以及縱向掃描角度觀測(cè)值，將其分別設(shè)置為α 與β，而三維激光掃描坐標(biāo)系通常為自定義模式，橫向掃描面為X軸，縱向掃描面為Y軸，通過(guò)坐標(biāo)系的形式獲得P點(diǎn)坐標(biāo)值。

2 三維激光掃描技術(shù)在河道測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

2.1 靈活性高

將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量方法有機(jī)結(jié)合，可以更加高效、精準(zhǔn)地進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)位測(cè)量工作，或是直接在控制點(diǎn)上設(shè)置掃描儀，靜態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測(cè)作業(yè)，具有較高的靈活性。

2.2 數(shù)據(jù)獲取效率高

在河道測(cè)量工作中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能夠簡(jiǎn)化中線樁的測(cè)量流程，還可以簡(jiǎn)化在起點(diǎn)與重點(diǎn)交接位置的掃描測(cè)量工作，數(shù)據(jù)測(cè)量工作人員僅需要通過(guò)三維激光掃描的方式即可獲得河道周邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，將其進(jìn)行預(yù)處理后，直接導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的編制，即可獲得準(zhǔn)確的縱橫截面高程值信息。

2.3 系統(tǒng)集成度較高

在相機(jī)、掃描、慣導(dǎo)等集成系統(tǒng)及地圖構(gòu)建算法的支持下，能夠降低掃描設(shè)備的重量，并增強(qiáng)整體設(shè)備的強(qiáng)度，只需要進(jìn)行一次測(cè)量工作即可獲取精準(zhǔn)的河道現(xiàn)場(chǎng)照片及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在河道測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息獲取的完整性，需要在不同的站點(diǎn)以及角度對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測(cè)量，將所有三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化后導(dǎo)入至統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。將系統(tǒng)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用專門的軟件中的拼接功能進(jìn)行拼接處理。選取三個(gè)以上的公共標(biāo)靶，將其設(shè)置為同名點(diǎn)，利用RTK對(duì)標(biāo)靶的大地坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，使用同名點(diǎn)進(jìn)行變換參數(shù)的計(jì)算，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波分類

點(diǎn)云期間經(jīng)常出現(xiàn)各種誤差現(xiàn)象，主要由系統(tǒng)、目標(biāo)物體表層特征以及人工隨機(jī)等各種因素引起，其導(dǎo)致的噪音和植被信息等，都需要對(duì)其濾波進(jìn)行分類處理，消除其中的誤差數(shù)據(jù)。

首先，將數(shù)據(jù)信息中的過(guò)低點(diǎn)、高點(diǎn)以及孤立點(diǎn)去除，使用在不規(guī)則三角網(wǎng)基礎(chǔ)下的漸進(jìn)加密算法處理非地面點(diǎn)的濾波信息。這種方式需要先將原始數(shù)據(jù)劃分為網(wǎng)格狀，將每個(gè)網(wǎng)格中的最低點(diǎn)標(biāo)記出來(lái)，然后以標(biāo)記的最低點(diǎn)為初始點(diǎn)，建設(shè)新的原始表面模型，然后通過(guò)其他方式對(duì)不同點(diǎn)位信息進(jìn)行判斷。這樣判斷需要著重關(guān)注濾波閾值的選擇，參考地形坡度角度、迭代角以及迭代距離等信息，主要結(jié)合測(cè)量區(qū)域的實(shí)際特征進(jìn)行參考值的選取。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠最大化地保留地形的變化情況，對(duì)大量不連續(xù)的曲面地形工程測(cè)量中具有較好的測(cè)量效果。而數(shù)據(jù)中無(wú)法完全去除的非地面點(diǎn)以及噪音點(diǎn)等，可以使用人工的形式進(jìn)行去除，確保數(shù)據(jù)的有效性以及精準(zhǔn)性。

通過(guò)三維激光掃描的形式測(cè)量的數(shù)據(jù)在測(cè)距的影響下，將會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度情況變化相對(duì)較大，因此，對(duì)于掃描測(cè)距相對(duì)較近，而具有高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要受到稀疏化處理，即在點(diǎn)云的離散度基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3.3 DEM差值與河道斷面提取

DEM差值理論主要來(lái)源于施工區(qū)域的空間異質(zhì)性以及空間相關(guān)性，以空間相關(guān)性為主。DEM差值算法主要是在地理學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上得來(lái)，對(duì)已經(jīng)獲取的采樣信息影響未知差值點(diǎn)的影響程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，二者之間的關(guān)系能夠直接地體現(xiàn)相鄰空間對(duì)象間的空間關(guān)系。常見的差值算法有反距離加權(quán)差值算法、謝別德差值算法、徑向基函數(shù)差值算法、克里金差值算法以及三角網(wǎng)差值算法等不同的方式，通過(guò)差值實(shí)驗(yàn)，能夠有效明確不同方式下差值的計(jì)算效果以及誤差信息，并針對(duì)誤差情況進(jìn)行深入分析。

在DEM下自動(dòng)形成河道斷面信息對(duì)傳統(tǒng)方式提取河道斷面效率低下的問(wèn)題有著巨大的改善。

斷面數(shù)據(jù)的提取步驟如下：第一，確定河道斷面位置。通常會(huì)將河道斷面中心處的水平坐標(biāo)用來(lái)代表河道斷面位置，在遙感影像技術(shù)的幫助下，首先采集河流中心線的位置，在距離中心線一定范圍內(nèi)進(jìn)行河道斷面中心點(diǎn)位信息的采集工作。第二，確定河道斷面方向。采集河流中心線時(shí)，通常會(huì)以從上到下的方向展開采集作業(yè)，而中心點(diǎn)位對(duì)河道斷面的采集主要以垂直的方向展開。第三，提取河道斷面點(diǎn)云信息。在河道斷面位置，將固定點(diǎn)位作為起點(diǎn)，向兩側(cè)進(jìn)行延伸，相隔固定水平距離后，進(jìn)行點(diǎn)位的采樣工作，并計(jì)算該點(diǎn)位在坐標(biāo)軸上的位置信息，結(jié)合坐標(biāo)值在DEM數(shù)據(jù)中進(jìn)行高程值信息的查詢。第四，采樣點(diǎn)差值提取河道斷面。將在相對(duì)離散的數(shù)據(jù)中獲取的斷面信息，首先進(jìn)行差值處理，便于獲取相對(duì)連續(xù)的斷面數(shù)據(jù)信息。具體操作時(shí)，可以使用三次樣條函數(shù)差值或是線性差值處理離散點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。

4 應(yīng)用分析

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

首先，使用專業(yè)軟件對(duì)站點(diǎn)測(cè)量信息進(jìn)行拼接處理，將濾波進(jìn)行分類，去除數(shù)據(jù)中的噪音成分。在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)是由于水面鏡面反射而形成的，但是這部分點(diǎn)云位置信息通常處于最低點(diǎn)，因此，可以通過(guò)設(shè)置高程閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的控制掌控。

其次，結(jié)合A河段的地理特征，可以設(shè)置尺寸60最大坡度88 迭代角為6 迭代距離為1.4 的網(wǎng)格，對(duì)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。使用人工判斷以及機(jī)械設(shè)備判斷共行的方式能夠直觀地獲取一類誤差、二類誤差以及總誤差信息。其中，一類誤差主要是非地面點(diǎn)個(gè)數(shù)在整體地面總數(shù)中的占比，二類誤差則主要是非地面點(diǎn)在參考地面點(diǎn)位總數(shù)中的占比；最后總誤差指的是錯(cuò)誤點(diǎn)在總點(diǎn)云數(shù)量中的占比情況，結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)可知其誤差情況依次為3.60%、6.30%以及4.60%。

4.2 插值計(jì)算

對(duì)河道掃描后，使用五種插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析工作，網(wǎng)格大小不超過(guò)10 cm，依據(jù)實(shí)際目視效果而言，SPD算法插值效果最差，不僅對(duì)空洞的填補(bǔ)效果不佳，而且掃描數(shù)據(jù)還會(huì)與實(shí)際地形之間出現(xiàn)較大的差異；而RBF算法最終形成的網(wǎng)格平滑性較差，而且細(xì)節(jié)位置會(huì)出現(xiàn)相對(duì)明顯的凸起情況。TIN插值算法具有明顯的三角面特征，同時(shí)平滑效果相對(duì)較差，網(wǎng)格狀態(tài)稍顯粗糙。最后，IDW以及Kriging插值算法生成的網(wǎng)格與實(shí)際地形之間的相似性較高，前者的效果更加真實(shí)，后者的平滑效果相對(duì)較好，各有優(yōu)勢(shì)。在不同插值算法之間，其平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差以及計(jì)算時(shí)間之間都有所區(qū)別，具體表現(xiàn)如表1。依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果而言，雖然插值算法都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但是誤差影響程度相對(duì)較小，而且不同算法的誤差值較為接近，沒(méi)有產(chǎn)生較為明顯的差異。依據(jù)計(jì)算時(shí)間來(lái)看，TIN算法的效率相對(duì)更高，然后是SPD算法；而依據(jù)計(jì)算速度而言，IDW最快，RBF最慢。鑒于此，工程在進(jìn)行差值計(jì)算工作時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際需求選用適宜的算法。

表1 不同算法之間的誤差表

4.3 斷面數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析

為保障提取斷面的精準(zhǔn)度，可以將實(shí)測(cè)地面店以及斷面信息之間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其中的誤差情況進(jìn)行對(duì)比分析，通常會(huì)選用200 個(gè)左右的實(shí)測(cè)點(diǎn)與斷面特征點(diǎn)進(jìn)行高差的計(jì)算，結(jié)合σ=±［ΔΔ］/n的誤差公式進(jìn)行高差計(jì)算。計(jì)算結(jié)果高差誤差為0.069 m，結(jié)合相關(guān)規(guī)范表明，誤差值能夠符合斷面測(cè)量高程精準(zhǔn)度要求。會(huì)造成誤差的原因較多，包括地表植被對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響以及點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等。

在河道測(cè)量工作中應(yīng)用三維激光掃描還會(huì)由于水下地形原因而出現(xiàn)一定的困難，主要是由于三維激光掃描儀通常無(wú)法穿過(guò)水體，以至于水下地形的獲取不準(zhǔn)確，還需要使用其他方式進(jìn)行采集。

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)形式的河道測(cè)量工作效率低，工作量大的同時(shí)密度不足，無(wú)法滿足信息化河道測(cè)量需求，施工三維激光掃描技術(shù)能夠獲取較高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有效減少工作時(shí)間以及人力成本，增強(qiáng)了測(cè)量作業(yè)的可靠性，但是海量的數(shù)據(jù)處理工作也對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求有所提升。在信息化社會(huì)背景下，三維激光掃描技術(shù)水平將會(huì)不斷提升，應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣泛。