激光扫描测量技术在水毁河道修复工程中的应用

广东省水利水电第三工程局 陈金鹏 吴念辉

激光扫描测量技术在水毁河道修复工程中的应用

广东省水利水电第三工程局 陈金鹏 吴念辉

一、工程应用

激光距离测量技术具有不受气温影响、测点精度高且差异小、可进行任意角度和位置的测量、可快速高效获取测量目标三维影像数据等优点。将该技术应用于水毁河道修复工程的成图测量，可以快速高效地完成测量任务。

某水毁河道修复工程采用了leica HDS激光扫描仪和Cyclone软件进行扫描测量。HDS参数：测距Dnax=0.3 km；50 m范围精度为X或Y±6 mm，D±4 mm，A±12″；标靶获取精度±1.5 mm；模型表面精度±2 mm；标准扫描速率4 000点/s；全方位视角360°×270°;测距范围 300 m（90%反射率）、134 m（18%反射率）；双轴补偿±5″；分辨率1″，可选性水平和垂直方向的扫描点最小间隔（距）1.2 mm，最小采样密度1.2 mm；行扫描每行2万个点，列扫描每列0.5万个点；支持Auto CAD等格式。

二、数据获取

1.采样密度、区域控制。将扫描仪架设至基准站点（由工程设计院移交，已通过校核检验，精度符合施工要求）上，然后接通电源，连接数据线和软件处理系统，按要求调整好方向、倾角、行列数等参数，做好测量准备工作。由于利用极坐标激光扫描仪进行扫描测量时，框选的扫描区域过大、密度太高或太低都会影响最终结果的均匀性，因而每次扫描时都要注意对框选区域及扫描间隔进行科学控制，合理选取扫描距离和扫描时间，提高扫描测量质量。

对河道进行成图测量时，要先根据集成数码相机显示的扫描对象影像选择扫描区域，然后再选择适当的扫描密度进行自动扫描。在扫描过程中，往往需要设置一定的标志用以控制扫描区域的大小。该工程主要为砼构造物，按一定的长度设置伸缩缝，伸缩缝间距≤30 m。因此，扫描中用缩缝作为扫描区域的参考标志。

2.数据拼接。成图测量完成后，只有将点云影像数据拼接拟合起来才能成为一个整体。而点云影像数据的采集往往要经过多测站的扫描才能完成，因此，为了确保拼接精度，在测量时可适当设置扫描仪易识别、抗干扰的高分辨率参考标志，以利于实现测站间空间坐标系的统一。为了保证获取的立体模型的准确性，应合理控制扫描影像的重叠度（复杂物体的测量重叠度要大于10%，相邻测站的重叠度要适当），以利于点云数据的坐标匹配。在一定距离内的目标体影像一般易从多角度直接（不加觇标）获取，但特征点影像的直接拼接精度（±1 cm）往往不能满足高精度的观测目标的量测和建模需要，因此，可以采用拟合特征平面并加入点云约束的方式来进行拼接，以提高拼接精度。

相邻扫描点云图的影像激光扫描测量步骤大体为：确定扫描区域→设立测站并确定位置→确定（不少于3个）同名控制点（或标靶）。建立完整的立体模型需要获取足够多的数据，再加上不同方向的扫描点密度不尽相同，因而实践中一般选取建筑物的前左、前右、后左、后右4个方向并结合精细要求确定控制点，以实现控制点的强制符合，完成坐标系的匹配统一。

3.数据处理、建模及应用。数据拼接完成后，要先进行预处理，剔除粗差数据和扫描过程中因汽车、行人等遮挡而出现的异常点，对于漏测的空白区域，往往还需要到现场进行补测。由于配备的后处理软件具有自动分段处理、抽取和TIN 模型构造等功能,易于将细部模型化，通过软件的旋转和放大功能即可多角度观察和分析点云，且极易辨别出异常点，对数据的剔除剪切处理也很方便，因而可以很好地保证每个测站地形、地物点云数据的准确性。数据处理完成后，要手工对反射率球形标志的球心坐标进行重新修正，以获取正确的拟合数据，进而实现整个扫描数据的坐标系转换。

规则或不规则几何体的建模通过扫描点云来实现。一般情况下，三维模型组件及其对应的点云匹配算法、几何体表面TIN多边形算法、自动分段处理功能等是实现三维模型构建的最重要的基础和方法。自动分段处理功能可以实现与常用几何形体相一致的目标实体组件的点云抽取自动匹配处理,与非常用几何形体相一致的目标实体组件的不规则表面的模拟则是通过几何体表面TIN多边形算法来实现的。

建立高精度水毁河道修复工程三维可视化数字地面模型时，需要结合实际情况对点云数据生成的不规则三角形格网进行编辑修改，校验组成模型的构造物是否符合测量精度要求，并生成校验报告。利用建立的模型，即可完成平剖面图、等高线图的生成和进行工程计量、放样等。必要时还可以对模型进行渲染（描述目标表面纹理等），为灾后重建提供高效服务。另外，最终生成的几何图形还可转换输出到Auto CAD等软件中，给灾后重建带来便利。

三、结论

激光扫描测量技术具有非接触性以及可快速获取海量点云数据等优点。该技术是用多点测量的方式去模型化一个点，即对所测区域进行重采样，可以显著提高测量数据的精度（不仅仅是单点测量的精度）。它不仅对摄影测量数据成果（影像相片、单幅影像相片）无法进行空间量测的问题提供了有效的解决手段，而且可以通过增加坐标匹配的方式来完成各测站间数据的拼接，测点精度高且分布均匀，非常便于对建筑内部进行细部扫描，其后处理软件TIN 模型的建立方式和对纹理的提取方式也有很大改进。这就使得激光扫描测量技术具有极为广阔的应用前景。在实际施工中，可以将激光扫描测量技术与其他测量技术手段结合应用。