地面三維激光掃描技術(shù)在寬淺河道整治工程測量中的應(yīng)用

曾 濤

（惠州水務(wù)集團(tuán)東江工程檢測有限公司，廣東 惠州 516000）

1 引言

測量河道是整治河流開發(fā)、河道水文數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，對以往的河道進(jìn)行測量時(shí)，工作效率低、工作量大，且采樣密度有限，對于河流信息的獲取來說，搜集數(shù)據(jù)信息的途徑、信息處理方法還有很多不足之處[1]。獲取河道的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)信息是河道的建設(shè)與治理的關(guān)鍵，在水資源利用、開發(fā)河流時(shí)起到關(guān)鍵的作用，能夠?qū)⒑芏鄿?zhǔn)確有用的數(shù)據(jù)信息傳送給設(shè)計(jì)部門和工程部。測量河道的工作有勘察沿河岸重要地物、測量并繪制河道的中線縱斷面與橫斷面、測量并繪制河道區(qū)域內(nèi)的地形圖等內(nèi)容。隨著三維激光掃描技術(shù)發(fā)展越來越快，收集數(shù)據(jù)信息的方法已逐漸使用高科技手段，使空間的數(shù)據(jù)信息通過高科技來捕捉，本文以某河道為研究對象，采用地面三維激光掃描技術(shù)獲取河道信息數(shù)據(jù)，對其在寬淺河道整治工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

2 地面三維激光掃描技術(shù)操作步驟

2.1 外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

云數(shù)據(jù)的外業(yè)采集主要工作有測量標(biāo)靶、數(shù)據(jù)掃描以及對控制點(diǎn)[3]。在測程上，地面三維激光掃描技術(shù)具有一定局限性，在采集外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，夾角不同時(shí)，掃描機(jī)器和掃描對象的空間分辨率具有差異性，掃描時(shí)的分辨率隨著夾角的變化而改變，夾角越小則分辨率越低。掃描距離不同對其所測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度存在影響。一般而言，工程測繪需對不同測站測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，使用標(biāo)靶整合，并將外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接制成三維空間結(jié)構(gòu)模型。在對數(shù)據(jù)掃描前，需進(jìn)行采樣間隔的設(shè)置，并確保間距合理性。若間隔較大，會(huì)對數(shù)據(jù)精確度造成影響；間距較小，則會(huì)影響數(shù)據(jù)傳輸、保存及后期處理工作。通常來說，若工程現(xiàn)場具有較好的通視條件，則每個(gè)測站掃描40 m 左右距離，確定各測站間的重疊區(qū)域；通視條件較差時(shí)，需選擇掃描測站進(jìn)行，直至所有測量目標(biāo)掃描完成。

2.2 內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

3 技術(shù)路線

使用三維激光掃描技術(shù)按照1∶2 000 的地圖搜索工程項(xiàng)目的數(shù)據(jù)信息，內(nèi)部管理編制三維空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)獲取的信息及時(shí)更正底圖數(shù)據(jù)，內(nèi)部組織通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的三維系統(tǒng)點(diǎn)云單元來獲取垂直于河道中心的橫斷面和縱斷面的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)對現(xiàn)有河道進(jìn)行勘察，了解道路橋梁、涵洞、揚(yáng)水站、閥門等具體參數(shù)，使用AutoCAD 系統(tǒng)制作出河道的橫斷面和縱斷面的底圖，根據(jù)斷面圖的信息來決定施工方案。圖1 是技術(shù)路線圖。參照1∶2 000的數(shù)據(jù)圖，使用三維激光掃描技術(shù)來勘察河道，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的信息隨時(shí)更新基礎(chǔ)底圖。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的內(nèi)業(yè)通過三維系統(tǒng)的點(diǎn)云環(huán)節(jié)，獲取河道中心斷面的高程。

圖1 技術(shù)路線

4 臺(tái)湖鎮(zhèn)河道測量

4.1 項(xiàng)目概況

測量某河道的目的是做好河道排污口的修繕與污水的合理排放，達(dá)到高效治理河流、橫縱斷面符合標(biāo)準(zhǔn)的效果。此施工項(xiàng)目的量尺比例是1∶2 000，測量范圍包括河道兩側(cè)外圍51.5 m 的平面位置以及斷面之間101 m 的距離。

河道斷面數(shù)為432 個(gè)，長為24.38 km。

4.2 三維激光掃描外業(yè)步驟

按照被測試河道的實(shí)際情況，在其周圍放置6個(gè)激光掃描儀，就可以掃描范圍內(nèi)的所有點(diǎn)，見圖2，可進(jìn)行架設(shè)測量、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換基站。在掃描進(jìn)行時(shí)可在信號強(qiáng)度高、周邊無障礙物且與河道距離短的A1 點(diǎn)架設(shè)基站。

圖2 控制點(diǎn)分布圖

4.2.1 設(shè)備初始化

設(shè)備打開后，將其放置在平穩(wěn)位置，移動(dòng)背包啟動(dòng)初始化3 min 左右，隨后將相機(jī)分辨率、圖片效果設(shè)定好，沿直線快速行走，行走31 m 后，快速走方形邊長約11 m，2.5 min 后停止，不斷改變工作方向，如此持續(xù)2.5 min，激活慣導(dǎo)系統(tǒng)。

4.2.2 數(shù)據(jù)采集

又如學(xué)習(xí)二年級課文《鄧小平爺爺植樹》。研讀第二、三自然段之后，我讓學(xué)生畫出描寫鄧爺爺植樹的句子，并說說讀懂了什么？這一問題引出了智慧之花的綻放。

外部施工的數(shù)據(jù)信息由平板來設(shè)定，各種參數(shù)設(shè)置好之后可隨時(shí)觀察背包內(nèi)的每一坐標(biāo)點(diǎn)，共需4 人完成此工作，其中1 人帶著掃描機(jī)器變換位置，另外3 人一起進(jìn)行掃描，采集數(shù)據(jù)，根據(jù)規(guī)劃的路線，選擇GNSS 信號好的區(qū)域行走，避免數(shù)據(jù)缺失，在GNSS 信號較差時(shí)，定位定向使用SLAM 算法完成。2 人分別負(fù)責(zé)在基準(zhǔn)站周圍巡視以及打掃掃描區(qū)域的雜物。

4.2.3 數(shù)據(jù)拼接及數(shù)據(jù)過濾

拼接各站掃描數(shù)據(jù)，確保測繪成果一致性。本研究采用迭代最近點(diǎn)算法，該算法使用點(diǎn)集對點(diǎn)集，可將相匹配起伏曲面擬合出來。RISCAN PRO軟件對其進(jìn)行補(bǔ)充，原有數(shù)據(jù)差值越小時(shí)，則會(huì)有較好的拼接效果。根據(jù)測區(qū)實(shí)際，以相鄰兩測站間6 對以上同名點(diǎn)關(guān)聯(lián)拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)，結(jié)合補(bǔ)充測量特征數(shù)據(jù)，分區(qū)域拼接完成測區(qū)數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云比較密集，有大量冗余存在，可將多余點(diǎn)云消除，避免其影響計(jì)算結(jié)果，在整個(gè)數(shù)據(jù)編輯中數(shù)據(jù)過濾是重要環(huán)節(jié)。采用曲率采樣的方法過濾點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在曲率大的區(qū)域保留足夠多點(diǎn)，精確表示曲面特征，在平緩區(qū)域保留較少點(diǎn)，經(jīng)數(shù)據(jù)過濾后保存77 915 個(gè)點(diǎn)。

將搜集的信息組合在一起，保證繪制與測試結(jié)果相符。本次調(diào)查使用的計(jì)算方法是點(diǎn)集對點(diǎn)集的迭代最近點(diǎn)算法，這種計(jì)算方法的優(yōu)勢是能夠把適合的起伏曲面的總數(shù)模擬出來，再由RISCAN PRO系統(tǒng)完善其中的空缺。原始的數(shù)據(jù)誤差越小，則拼接出來的數(shù)據(jù)越準(zhǔn)確。按照被檢測區(qū)域的真實(shí)情況，距離最近的兩個(gè)站點(diǎn)超過6 組同名點(diǎn)與拼接點(diǎn)云數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，結(jié)合補(bǔ)充測量特征數(shù)據(jù)，每組負(fù)責(zé)1 個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)測試。三維激光掃描機(jī)器測試點(diǎn)云數(shù)據(jù)的能力較強(qiáng)，可以清除其中多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)的篩查是所有數(shù)據(jù)繪制過程中最重要的步驟，準(zhǔn)確地顯示出曲面的特點(diǎn)，篩查留下77 915 個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其余的全部廢棄。

4.2.4 生成地形圖

RISCAN PRO 系統(tǒng)把分析好的信息以DXF 的形式輸出，CASS 系統(tǒng)可打開此文件，并輸入有特點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)，補(bǔ)充數(shù)據(jù)以及線文件，建立三角格網(wǎng)，繪制高程形成河道地形基礎(chǔ)圖。

4.3 河道斷面信息提取

在本次的研究中，AutoCAD 軟件通過掃描的信息自動(dòng)繪制出河道的斷面，利用1∶2 000 的地形圖在河道主流線的上游開始的地方獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，要確保在河中心提取特征點(diǎn)，在中線畫完后，通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)生成中線樁號、點(diǎn)坐標(biāo)。在中心線上進(jìn)行特征點(diǎn)的添加，并添加樁號。以河流中心為準(zhǔn)，在測試區(qū)域最初的地點(diǎn)，每102 m 生成一個(gè)斷面與河道主流呈垂直狀。把河道中心的線面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)依次組合在一起，從而選取河道的縱斷面，橫斷面由與河道中心垂直的斷面中選取。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密度受選取斷面的準(zhǔn)確性的影響，點(diǎn)云密度越密集，獲取的特征點(diǎn)的準(zhǔn)確性就越高且數(shù)量多。內(nèi)業(yè)處理結(jié)合地形圖數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)匦螆D中地物、中心線與橫縱斷面相交等位置要掃描出點(diǎn)云高程數(shù)據(jù)，獲取數(shù)量越多，提供數(shù)據(jù)越可靠[6]。圖3 為1∶2 000 成果圖。

圖3 1∶2 000 成果圖

5 試驗(yàn)分析

5.1 DEM 插值分析

利用地形空間三維的異質(zhì)性和相關(guān)的性質(zhì)是DEM 插值理論的依據(jù)。地理學(xué)為這種算法提供了基礎(chǔ)條件，能夠及時(shí)調(diào)整影響插值點(diǎn)與已有采樣點(diǎn)的權(quán)重，它可以反映出距離最近兩個(gè)空間之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過RBF、SPD、KRIGING、TIN 和IDW 這五個(gè)插值計(jì)算方式來分析，把DEM 格網(wǎng)設(shè)為0.15 m。目前我們?nèi)庋鬯?，SPD 的插值效果最弱，SPD 插值依舊有空洞，與河道的真實(shí)地形存在明顯誤差；RBF 的缺點(diǎn)是格網(wǎng)不夠凹凸不平；由于TIN插值呈三角形，所以形成的格網(wǎng)也不夠平滑；河道地形與另外兩個(gè)插值形成的格網(wǎng)比較匹配，KRIGING形成的格網(wǎng)比較平滑，IDW 與河道實(shí)際地形更相似。不同的插值法的誤差我們可以通過表1 來了解。

表1 不同內(nèi)插算法的誤差

表1 顯示，不同插值方法的DEM 誤差均較小，差異不明顯，誤差值接近。就計(jì)算效率而言，TIN 插值方法速度最快，其次依次為SPD、IDW、RBF 算法。本文選取生成DEM 格網(wǎng)效果較優(yōu)、誤差小、計(jì)算效率較高的IDW 算法。

5.2 河道斷面信息及高程值的變化

本研究采用基于DEM 生成河道斷面，可快速解決傳統(tǒng)河床斷面測量效率低的問題。根據(jù)河道主流線，從上游起始點(diǎn)開始，每隔一定距離生成等距離河道斷面。根據(jù)河流中心線，從起始點(diǎn)位置每隔2.5 m距離生成等距離與河道主流線垂直的斷面。在斷面生成中，可編輯、修改斷面線。圖4 為斷面線上的特征點(diǎn)，由圖4 知，每條斷面線均由特征點(diǎn)構(gòu)成，且特征點(diǎn)都較密集。本文通過DEM 生成河道斷面，在很大程度上改善了以往測量河床的困難之處。河道斷面是在河道主流上游的起點(diǎn)每隔一段相同距離而形成的。在河流中的起點(diǎn)位置開始，生成一個(gè)垂直于河道主流線的斷面。在形成斷面的過程中，可對其進(jìn)行改善或補(bǔ)充。在圖4 中我們可以看出一些特征點(diǎn)，從中可以發(fā)現(xiàn)有很多個(gè)特征點(diǎn)，它們組成一個(gè)斷面線，這說明斷面具有較好的提取效果。

圖4 斷面線上的特征點(diǎn)

分析斷面內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，獲得斷面獲取的結(jié)果。將里面的數(shù)據(jù)全部導(dǎo)出包括中心線信息、斷面線的特征點(diǎn)的位置。選擇1 個(gè)帶有特征點(diǎn)的斷面線開始研究。圖5 是水平方向上升狀態(tài)時(shí)高程值的改變，通過這個(gè)圖我們可以看出高程值隨著水平方向變化而改變，且河道地表的特點(diǎn)也可以在圖中反映出來。

圖5 水平方向上的高程值的變化

5.3 精度分析

本文選擇的實(shí)測點(diǎn)區(qū)域之間的高低落差大，相互重合，與地圖上名字相同的站點(diǎn)進(jìn)行對比，從而直觀將掃描數(shù)據(jù)生成地形圖成果精度反映出來，表2為實(shí)測點(diǎn)和地形圖上的同名點(diǎn)比較。

表2 實(shí)測點(diǎn)和地形圖上的同名點(diǎn)比較

根據(jù)有關(guān)精度測試?yán)L制的結(jié)果、檢驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)得到如下計(jì)算公式：

在這個(gè)公式里，n是檢測的點(diǎn)數(shù)，Δ 是坐標(biāo)差，M是誤差。通過掃描獲取的信息能夠知道地形圖地物點(diǎn)與河道實(shí)際的位置存在1.316 m 的誤差，高程標(biāo)記的高程位置存在最大的誤差為0.67 m，高程標(biāo)記的位置存在0.207 m 的誤差。地物點(diǎn)平面存在的最大誤差不超過0.67 m，掃描精度符合檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語

本文以某河道為研究對象，采用地面三維激光掃描技術(shù)獲取河道信息數(shù)據(jù)，對其在寬淺河道整治工程測量中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

（1）斷面提取的精度影響同一三維空間內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量，點(diǎn)云密度越高獲取越多的特征點(diǎn)，而且準(zhǔn)確度越高。

（2）地形圖地物點(diǎn)與河道實(shí)際的位置存在1.316 m 的誤差，高程標(biāo)記的位置存在0.207 m 的誤差，地物點(diǎn)平面位置存在的誤差最大不超過0.67 m，高程標(biāo)記的高程位置存在最大的誤差為0.67 m，測試精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）通過三維激光掃描技術(shù)在最短的時(shí)間內(nèi)獲得河道高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以減少施工過程中人力及財(cái)力的投入，提高了工作的效率。隨著社會(huì)發(fā)展，今后三維激光掃描的使用范圍會(huì)越來越廣，地面三維激光掃描技術(shù)使用于多個(gè)領(lǐng)域，獲得人們的信任與推廣。