三维激光扫描仪在水利行业中的应用

2015-08-15董雪亮

山西水利 2015年10期

董雪亮

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

三维扫描是一种可以大面积、快速度、高精度、大密度地取得地物三维形态及坐标的测量设备。其内部包含扫描棱镜不需外设反光镜，通过光电测距设备可快速测得扫描点的三维坐标，同时收集利用三维激光技术获取的地物点的三维坐标的云数据，可快捷建立结构复杂与不规则场景的三维可视化模型。目前被广泛运用于地形图测量、变形测量、隧道测量、库区库容测量、城市三维建模及大坝监测等领域。

1 三维激光扫描在大坝变形监测的应用

1.1 大坝变形监测一般建模标准流程

首先外业对标的物进行激光点云数据的采集，同时获取高清晰度的原始照片;然后对所获取的点云数据进行拼接、规划、整理；对不规则点云数据进行剔除和修饰；采用Pdymck/Chinad等软件构建曲面三维网；利用Geomagic，Cindoeil，qt等软件进行曲面模型纹理贴图；最后形成三维实体纹理模型。

1.2 大坝变形监测技术设计

水利工程大坝变形监测范围大、精度要求高，且坝上建筑物多，需布设的变形监测点多，特别是变形点高程使用常规仪器不易测量。因此使用免棱镜全站仪或三维激光扫描仪进行大坝变形监测是比较理想的设计方案。

对大坝变形采用三维激光扫描仪监测，首先解决基准点、工作基点的平面坐标和高程。根据监测内容分为水平位移监测基准网、工作基点网和垂直位移监测基准网、工作基点网。水平位移监测基准网和工作基点网采用GPS网、三角形网、导线网或视准线法等形式布设。基准点一般选在变形区以外稳定的基岩上，工作基点建在变形区附近稳固的基岩上或固定标石上，实际一般建造在具有强制归心的混凝土观测墩上，监测点宜设在变形幅度、变形速率大的部位。同时根据摄影站和被摄目标的远近，设计标识的大小，便于在扫描时能够获得清晰的影像。采用三维激光扫描仪在两个不同的工作基点上设站，对同一监测体进行三维扫描测量并检查校核，其精度指标按极坐标要求进行。一般情况采用GPS、水准仪和三维扫描仪协同作业的方式，由C级GPS静态测量和二等水准测量的平面坐标和高程作为三维激光扫描仪的测站点和后视点。然后通过测站点的平面坐标和高程以及后视点的坐标和高程进行定向和点云拼接，最终将扫描的点云数据转换到本测区的坐标系统中。通过对多次观测数据的分析可以得到大坝变形的数据，根据异常变形量分析，查找影响位移的相关因素，确定重点观测部位进行有针对性的监测。

1.3 大坝变形监测的应用

以大坝为变形实体进行监测，在监测扫描场景外岩石上布设3个平高基准点，监测扫描场景周围布设6个观测墩工作基点，监测点在坝左布设12个，坝右布设8个，中间溢流面布设4个，坝顶布设4个平高点。基准点编号为 k1，k2，k3，工作点编号为 g1~g6，监测点编号从左至右分别为b1~b28，其中6个工作点均可作为测站点和后视点使用，采用Ua-2000三维激光扫描仪，其最长扫描距离为310m，最短距离为30m。仪器设置为高密度扫描，对每个目标进行三次连续观测，同时在另一个工作点上进行校对。

1.4 数据处理与变形分析

对外业采集到的数据使用相关软件进行点云拼接，利用扫描仪设置的坐标进行叠加和修饰，可得到点云拼接后的效果图。同时得到连续观测三次部分特征点点位中误差，其中最大点位中误差为4.2 mm，最小点位中误差为0.2 mm，由此可知通过三维扫描仪、GPS和水准仪联合作业的变形监测方法精度可满足规范要求。

以水利工程大坝为变形监测目标，通过三维扫描仪、GPS和水准仪联合作业方案进行测量，该方案适用于短距离内对水利工程大坝进行监测。采用Ua-2000激光扫描仪快速获取大面积高分辨率的地面三维坐标数据，采集空间点位信息，建立物体的三维影像模型。此方法具有快速性、不接触性、穿透性、实时动态高密度、高特数字化自动等特点。

2 地面三维激光扫描仪在水库库容测量的应用

水库库容是确定水库大小及水资源储量的重要指标之一，也是水库管理和供水的重要参数，其计算方法有等高线计算模型、断面计算模型、方格网计算模型等，采用不同的计算方法，其结果也有一定差别。一般计算是通过获取测区部分地形点，地形特征点等采用内插方法获得所需数据。水库库容计算精度主要取决于采样点的精度，常规的测量方法只能获取部分测区地形点以及地形点变化的少量信息。在较陡峭的地方不能获取地形点信息，采用三维扫描仪能够获取更多的实地三维信息，更好、更快地反映地形地貌特征，对库容计算提供更加精确的数据和信息。以松塔水库为例利用三维激光扫描仪计算其库容。

2.1 工程概况

松塔水库位于寿阳县草庄村萧河干流松塔河上，该水库大坝为均质土坝，最大坝高62.6m，坝长539m，控制流域面积1174 km2，设计库容9780m3，以城市生活供水、工业供水及水力发电为主，同时兼顾防汛、灌溉等综合利用。

2.2 原始数据获取

采用北科天绘U-ARM系列地面三维激光扫描仪。在实际工作中共布设8个测站点，库区两边各布设4个平高点，能够覆盖整个测区，每个测站点与相邻点互相通视，便于校核检查，平面控制采用1980西安坐标系，高程控制采用1985国家高程基准。此次采用的绝对坐标是通过与已有的实地坐标和三维激光扫描仪自身方位定向相结合，通过坐标转换多测站点平差获得测区大地坐标。

2.3 数据预处理及坐标转换

在实际测量中每个扫描实体都有重叠部分，需通过对点云叠加拼接进行数据插补、平滑、取舍、整合处理得到拼接后的效果图。三维激光扫描仪有多个坐标系统，通过测区的已有坐标系统，将扫描仪得到的坐标转换到统一的大地坐标系中。通过坐标转换将所有点的云数据统一到1980西安坐标系下。将所有测站点的数据组合到一起后，不同测站所测的重合数据出现较明显的分成情况，存在一定误差，经过对原始数据检查、校核、过滤，剔除异点，然后利用RISAMPRO软件对所有的测站点点云数据进行多站点平差处理，从而获得整个测区高精度的1980西安坐标系下的点云数据。

2.4 数据高程模型DEM制作

对以上获取的数据进行定向建模，采用特征点、线构建TIN生产DEM，其中对非地面点的剔除尤为重要。对非地面点的剔除有多种方法，在本方案中利用RISAMPRO软件的功能，结合人工判断的方式将非地面点进行剔除。具体操作时对得到的点云进行切片处理，将整个测区切分成细条，通过RISAMPRO软件的植被剔除功能提取非地面点，剔除后如果还有非地面点，对照每个测站点的外业原始记录，采用人工判断、修正、干预方法剔除非地面点，最后得到符合要求的地面点。然后进行DEM的制作，采用野外采集法，也即利用三维激光扫描仪在实地采集地形点、地物点等地形信息。三维激光扫描仪采集的点云密度很高，完全满足DEM制作精度要求。

2.5 库容计算与精度评价

该测区采用三角网数字地面模型计算库容，在外业测量点的基础上构建不规则的三角网，这样更接近实地地形，计算结果精度更高。通过建模计算该测区库容为9810m3，由于计算库容的方法不同，其结果也存在一定差别，通过与传统方法比较证明采用该方法计算库容量精度和准确性都很高，同时说明采集点精度决定了库容的精度，采用三维激光扫描仪采集量大，特别是对地形较复杂、悬崖峭壁一般无法获取地形点信息的地方，更能体现出三维激光扫描仪的优越性，为设计人员提供可靠、准确的数据。