地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用

任　彤，吴昱樨

（海河水利委员会水文局，天津　300170）



地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用

任彤，吴昱樨

（海河水利委员会水文局，天津300170）

摘 要：三维激光扫描技术作为近些年发展起来的一门新技术，越来越多地应用到水利行业。以独流减河防潮闸周边地形测绘为例，介绍了三维激光扫描仪的数据采集和处理方法，获得了DEM数据和防潮闸三维模型等成果，最后对三维激光扫描仪在水文应急监测中的应用进行了探讨。

关键词：三维激光扫描仪；水利工程；点云数据；DEM；三维建模；应急监测

1　引言

三维激光扫描技术是20世纪90年代发展起来的一种快速获取空间三维信息的新技术。与传统单点测量方法相比，它具有无接触、高自动化、高精度、测量方式灵活等特点，能够快速、精确地完成对目标区域的地形测量。在水利工程地形测绘中，由于周边地况较为复杂，用传统测量手段需消耗大量人力物力，且测量精度很难达到要求［1］，三维激光扫描仪的无接触测量方式就成为解决此类问题的一条新途径。笔者以独流减河防潮闸（以下简称防潮闸）周边地形扫描为例，介绍地面三维激光扫描仪数据采集流程和数据处理方法，并对获取数字高程模型（DEM）和三维建模的技术、方法进行详细探讨。

2　三维激光扫描仪的工作原理

三维激光扫描仪通过激光测距原理，瞬时获取物体表面的空间三维数据，称为点云数据。根据扫描仪搭载的运行平台不同，可分为空中机载扫描仪、地面扫描仪和便携式扫描仪。地面三维激光扫描仪主要由激光扫描系统、数字摄像系统、定位系统、软件控制平台、内部校正系统和电源及其他附件构成。三维激光扫描仪一般使用仪器内部坐标系统，XOY平面为水平面，Y轴为扫描转向方向，Z轴为垂直方向，扫描仪发射激光脉冲信号，经物体表面漫反射，接收器接收沿相同路径返回的激光脉冲信号，同时测量每个激光脉冲水平扫描角度α和垂直方向角度θ，如图1所示。

图1　三维激光扫描仪内部坐标系统

根据发射和接收的时间差原理，计算出被测点与扫描仪之间的距离值S。通过式（1），可确定被测物体在坐标系中的空间三维坐标［2］。

3　实例分析

防潮闸位于独流减河入海口处，始建于1967年，主要功能是挡潮御沙、汛期泄洪、调度控制水位。经改建后防潮闸共26孔，其中过流孔22孔、非过流孔4孔，每孔净宽10 m，闸室总宽287.2 m。近两年，由于排泥场、码头的兴建，防潮闸周围地形发生变化，为分析变化情况，需对防潮闸周边大约5 km2范围的地形进行测量。防潮闸下游多以滩、洼地为主，且多处区域正在施工，测量条件较为复杂，用传统GPS和全站仪无法完成测量，而使用地面三维激光扫描仪可以精确、快速地获取变化后的地形数据。

3.1软硬件平台介绍

本次扫描采用奥地利RIEGL公司VZ-4000型地面三维激光扫描仪。VZ-4000是一款基于脉冲激光测量的长距离三维激光扫描仪，扫描距离达4 km，可进行水平360°、垂直60°（俯仰角各30°）的扫描，扫描精度可达15 mm，内置数码相机可在扫描结束后自动获取目标图像。

点云基础处理软件RiSCAN PRO是VZ-4000型三维激光扫描仪配套软件，可实现对点云数据的配准、去噪、过滤、抽稀、导出等功能。

3DReshaper是由法国Technodigit公司开发的一款点云后处理和应用软件，具有地形地物分离、三维建模（生成DTM）和模型优化等功能，并可对模型进行纹理映射、局部提取量测和特征线分析等。

除上述主要软硬件平台外，还用到的辅助设备有：①Trimble R8 GPS，动态测量精度水平8 mm+1 ppm RMS、垂直15 mm+1 ppm RMS；②Motoar Sky MS670四旋翼无人机，续航时间80 min，最大飞行高度1 000 m，搭载索尼a5100微单相机，有效像素2 010万。

3.2数据采集

数据采集主要分为点云数据采集、测站坐标信息采集和图像采集，数据采集流程如图2所示。

图2 数据采集流程

（1）现场查勘定站。RIEGL VZ-4000扫描仪采取定点扫描方式，每次扫描只能获取扫描对象某一部分点云数据，所以首先要对被扫描物体及周围环境进行考察，布设多个扫描站点对物体进行扫描，以获得目标完整的点云信息。其原则是在保证数据获取完全、满足数据处理对点云要求的前提下，选择尽量少的站点，提高工作效率。由于防潮闸周围地况较为复杂，缺少视野宽阔的制高点，为保证数据完整性，经过实地勘察，决定布设11个扫描站，其中001、007、008站分别架设在屋顶和桥上，其余扫描站均架设在局部地势较高区域。扫描范围和站点位置，如图3所示。

图3　扫描范围及站点位置

（2）粗扫。在具体的从某一个方向对目标进行扫描尤其是对远距离目标进行扫描时，目测很难判断目标所在的角度范围。所以，在扫描过程中，每一站都先进行360°全景扫描，其得到的点云图称为粗扫图。

（3）目标区域精扫。在粗扫图上框选精扫目标，同时调整点间距和激光发射角分辨率2个参数进行精确扫描，得到的数据称为原始点云数据，如图4所示（以001站为例）。

图4 原始点云数据

（4）获取站点位置信息。扫描仪在进行每一站扫描时都会建立独立的坐标系，我们需要获取各站的坐标信息进行坐标系统一，即数据配准。由于防潮闸周围缺少控制点，我们假设闸管所内一点为控制点，坐标为（10 000，5 000，20），每站扫描完毕后量取仪器高度，后使用RTK测量扫描仪所在位置地面点坐标。站点坐标信息，见表1。

（5）获取目标影像图片。在利用点云数据进行三维建模时，为达到还原真实的效果，需使用实拍照片对模型作无变形纹理映射。由于扫描范围较大、地物遮挡较为严重，扫描仪内置相机很难获取到完整的影像图片，所以我们借助无人机的航拍功能来完成。在给定航拍范围后，Motoar Sky MS670无人机可自动规划飞行路径进行全景拍摄，极大地提升了工作效率。

3.3数据处理流程与关键技术

根据点云数据特点，三维激光扫描的数据处理过程如图5所示。

图5三维激光扫描的数据处理过程

3.3.1点云数据预处理

在原始点云数据中会出现冗余点，我们称为噪点。这些点对后期数据配准和建模有很大影响，所以要对点云进行去噪处理。由扫描仪自身扫描特性决定，一些远距离的点云数据会以噪带方式显示，我们使用RiSCAN PRO中MTA功能对噪带作点云还原处理。受阳光和空气悬浮颗粒物等外部条件影响，数据中会出现离散的噪点，这些点的激光反射率、振幅等参数与正常数据有较大差异。在去噪工具中设定Reflection和Amplitude的阈值，噪点将自动被过滤删除。原始数据中还存在剩余噪点、水下倒影和移动物体的拖影等无用数据，要进行手动删除。

3.3.2点云数据配准

要获取目标完整的三维数据，必须进行多测站扫描。每一站点云数据的坐标系是相互独立的，那么就需要将每站点云数据转换到同一坐标系里，统一坐标系的过程称为点云数据配准，也称数据拼接。在点云数据拼接过程中，会对坐标系进行三维变换，如平移、旋转和缩放等，其实质就是三维图形的变换和处理［3］。数据配准的精度直接影响着三维建模的精度，因此点云数据配准是数据处理的基础。

（1）坐标系及有关概念说明。Seanner's Own Coordinate System（SOCS）即扫描仪坐标系，也就是扫描仪自身的局部坐标系。Project Coordinate System （PRCS）即项目坐标系，是一种局部坐标系，在使用特征点拼接中可将各站局部坐标系统移到项目坐标系中。Global Coordinate System（GLCS）即全局坐标系，也称全球坐标系，是通过GPS或全站仪获取的位置信息定义的坐标系，可以看作是大地坐标系统的一种。

各坐标系及转换方式如图6所示，图中下标SP代表SOCS、下标PR代表PRCS、下标GL代表GLCS。Msop（SOP）是把扫描仪坐标系变换成项目坐标系的转换矩阵，Mpop（POP）是把项目坐标系变换成全局坐标系的转换矩阵。

图6坐标系及其转换方式

（2）坐标系转换。通过图形变换可以实现对三维图形的平移、旋转和缩放，这就等同于对局部坐标系进行的相应变换。图形坐标变换是点云拼接的基本原理，点云拼接的任务就是找到局部坐标系与全局坐标系之间的转换矩阵。多视站点云拼接只涉及点云的平移与旋转，不包含投影和缩放，其三维坐标系变换矩阵形式为：

将RTK测量的数据导入RiSCAN PRO软件中，软件会联合本站的电子罗经数据进行后视定向计算，确定旋转与平移矩阵参数，得到矩阵T3D，即SOP （Msop），如图7（以001站为例）所示。

在计算过程中，项目坐标系（PRCS）与全局坐标系（GLCS）默认是相同的，POP（Mpop）为单位矩阵。分别计算后，11站全部转换为全局坐标系，拼接完成。

图7　001站坐标系转换矩阵

3.3.3基于点云数据的三维建模

将拼接好的点云数据建立网格模型是点云数据处理的关键步骤，它直接关系到DEM数据的获取和模型的应用。根据三维模型自身特点，模型构建可以分为2种方法［4］：一种是几何模型重建，常用在规则物体的建模中，利用几何体如平面、柱体、四面体等对物体进行拟合；另一种是三维表面模型重建，根据区域内有限个点集将区域划分为相连的不规则三角面网络，在区域中任意点云数据落在三角面的顶点、边上或三角形内，利用三角网格逼近扫描物体表面。

为获取有效的DEM数据和真实的建模效果，需对点云数据作分割提取，将地物、植被等数据与地形数据分离。使用3DReshape软件中地形提取功能，可自动生成地形三角网模型，即DEM数据，如图8所示。

图8　地形数字高程模型

该数据可以.obj和.tif等格式导出作后期应用。对于闸体和房屋，3DReshape可将物体的轮廓线、截面线提取出来，然后通过拉伸、填充等操作完成三维模型的建立。防潮闸及部分房屋模型，如图9所示。

图9　防潮闸和房屋模型

3.3.4纹理映射

精确建立三维模型后，为了描述具有真实感的物体、增强物体表面细节的表现力，需使用实拍图片对模型作无变形纹理映射。确定各幅照片与三维模型之间的映射关系，即要解决照片与三维模型的配准问题。与3.3.2节中点云配准类似，纹理映射也是通过坐标系转换的方式实现。

数码相机成像可通过4个坐标系的3次转换来表达，即全局坐标系（Xw，Yw，Zw）到相机坐标系（Xc，Yc，Zc）的转换、相机坐标系（Xc，Yc，Zc）到图像坐标系（X，Y）的转换、图像坐标系（X，Y）到像素坐标系（U，V）的转换。根据相机针孔成像模型和坐标系的旋转、平移变换矩阵，对空间中任意一点P可通过式（3）建立世界坐标系到像素坐标系之间的转换关系［5］。

式中：f为镜头到成像平面的距离；R，T为旋转矩阵和平移向量。

由式（3）可知相机的待标定参数有10个，即4个内部参数（f/dx、f/dy、u0、v0）以及R、T各有的3个外部参数。其中，相机内部参数主要与相机镜头的焦距、光圈大小等参数有关，外部参数主要与相机拍摄时的姿态、高度等参数有关。在使用3DReshape进行纹理映射时，通过指定图像和模型中对应的特征点（不少于10个），软件将计算出相机的内外部参数，将像素坐标系转换到全局坐标系，完成无变形纹理映射。模型效果，如图10所示。

4　总结与展望

三维激光扫描仪这种无接触、高自动化、高精度的测量方式较传统测量方式有很大的优势，在地况较复杂的水利工程地形测绘中更是一条捷径。笔者通过对防潮闸周边地形扫描，介绍了三维激光扫描仪数据采集处理的流程和方法，并对数据处理中的点云拼接、三维建模和纹理映射技术作了详细的探讨，最后获得防潮闸及周边区域的三维纹理模型和DEM数据。

图10纹理效果

后期应用中，对于建好的纹理模型可通过3DMax软件进行渲染，利用Converse3D或VRP等虚拟现实软件实现操作者与模型的三维交互。水文应急监测中，对于山体滑坡形成堰塞湖的情况，我们可将滑坡后扫描数据与滑坡前的DEM数据作对比分析，计算出滑坡量和堰塞体的体积，为抢险决策提供数据支持。三维激光扫描仪在水工建筑物的变形监测和蓄滞洪区地形测绘等水文监测领域存在巨大潜力，需要我们进一步探索与研究。

参考文献

［1］崔亦芳，丁双林，施攀，等.三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的应用［J］.北京测绘，2015（2）：89-92.

［2］梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘［J］.测绘通报，2010（1）：53-56.

［3］袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术［D］.南京，南京理工大学，2006：15-17.

［4］高志国.地面三维激光扫描数据处理及建模研究［D］.西安，长安大学，2010：53-57.

［5］胡哉.三维激光扫描技术中纹理图像与点云的配准［D］.南京，南京理工大学，2009：10-16.

中图分类号：TV221.1；P217

文献标识码：B

文章编号：1004-7328（2016）01-0054-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.020

收稿日期：2015—11—10

作者简介：任彤（1990—），男，助理工程师，主要从事水文应急监测工作。