三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的应用

刘晓芳++田兰芬

摘 要：随着科技的发展，三维激光扫描技术在水利工程地形测绘工作中的应用越来越广泛。文章简单介绍了三维激光扫描技术的工作原理，对该技术在地形测绘中的应用做了细致的分析。

关键词：三维激光扫描技术；水利工程；地形测绘；应用

中图分类号：P258 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）27-0141-02

地形测绘作为水利工程建设的基础性工作，有效提升其工作效率是测绘人员的重点研究方向。三维激光扫描技术凭借其优越性在水利工程的开展中得到了越来越广泛的应用，本文对三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的应用展开了探讨。

1 三维激光扫描技术的工作原理

将激光作为测距载体使用，其单色性、相干性、高亮度、方向性等特性可以极大的提升测量的精度、效率以及可操作性。随着传感器和计算机技术的快速发展，三维激光扫描技术的速度、精确度和抗干扰能力也得到了进一步的提升，有助于实现更长距离的作业。三维激光扫描技术的操作难度和作业成本的下降，使得该技术拥有了更大的应用范围。

三维激光扫描技术最主要的设备是三维激光扫描仪，该设备根据测距方式的不同可以分为三角式、相位式和脉冲式三种，其中三角式和相位式的测量范围比较小，脉冲式的测量范围比较大，因此实际的测距工作一般采用脉冲式扫描仪。脉冲式三维激光扫描仪的测量方法是非接触式的高速激光测量，可以通过点云形式细致展现出所测物体的几何特征，其工作原理是激光发射器发射出激光脉冲投射至被测物体，反射光由接收器接受，然后根据高精度的钟表对激光脉冲往返时间差进行测量与记录[1]。测距仪与被测物体间的距离是光速和时间差乘积的二分之一，光速精度可以通过提升影响大气折射率的气温气压等因素的测量精度来控制，时间精度可以通过合理的判别技术来控制。测距时，扫描仪可以通过内置的角度测量系统来对激光束的水平角和垂直角进行测量，从而得到扫描点在扫描仪定义的坐标系中的坐标值，同时扫描仪可以记录激光点位置物体的反射强度并将其定义为反射率，测量原理可以由图1表示。

2 三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的实际应用

2.1 工程实例

本文以位于青海省的某一个水坝工程为例，该工程涉及到一个全长达400千米的内陆河流，流域面积约为21000平方公里，在洪水期其流量可达到414m3/s。该水坝工程主要功能是发电和引水，水坝的设计高度为120米，周围主要为没有植被覆盖的无人区，由于此区域内的环境不利于航空摄影技术进行地图测绘工作，而投资方的时间要求比较紧迫，施工方采用了优越性显著的三维激光扫描技术进行相关工程的开展。

2.2 外部作业

（1）架站位置的选择

为了保证可以较为全面的观测地面信息，工作人员应该遵循保存方便的原则选择架站方式，科学合理的架站位置的视线宽阔，在使用一些测绘辅助手段时也比较方便。本工程在经过实际的勘测之后，选择了8个架站位置。

（2）扫描作业

工作人员可以在架设好的测量站配置扫描仪，工程开展过程中使用的扫描仪将空间点云数据作为发射器，然后进行空间极坐标系的自定义。工作人员可以利用操作手簿输入测站的坐标和后视点的坐标，之后利用专业的软件（RiSCAN PRO）进行平移和旋转参数的求取[2]，在将空间极坐标系的原点定义了X、Y、Z坐标和正北方向后，对后视标靶进行瞄准从而确定方向。因为工程区域的地形有一定的起伏，工作人员应记录后视点坐标与已知数据之差，进行相应的扫描工作，扫描过程还应对沟、坎、梁等数据不易扫描完整的点进行局部精扫，实现定点补充测量。工作人员对每个站点的测量都应遵循上述原则，在扫描作业完成后再次检验数据以保证后续工作的顺利进行，按要求不同区域间的扫描重合率至少应达到30%。

2.3 数据编辑工作

（1）数据预处理工作

工作人员应利用RiSCAN PRO软件对采集的数据进行预处理工作，具体操作方式是将测站的信息和后视坐标信息输入软件，然后与GPS系统测量的实际点进行比对，保证云数据与正确位置匹配成功。工作人员还应注意，扫描数据可能因为各种因素的影响出现一些噪点，需要在后期进行数据的平滑处理。

（2）数据特征提取

RiSCANPRO软件的视图模式比较多，不同的点有着不同的对应颜色，工作人员可以在软件中直观的得到地物形状，可以将特点鲜明的特征线进行标记并建立dxf格式的相应文件，从而补充完成特征数据完成地形编辑工作。

（3）数据拼接工作

实现不同测站扫面信息的拼接，工作人员可以使用迭带点算法，利用点集之间对接方式完成拼接工作，拟合起伏曲面。拼接使用RiSCAN PRO软件，差值越小表明拼接效果越好。为了有效减小误差，工作人员需要在两个较为接近的测站进行6对以上同名点间的关联。

2.4 地形图的生成

生成地形图的具体步骤如下：第一步要利用RiSCANPRO软件将处理完成的数据以dxf格式文件导出，第二步利用CASS软件打开文件实现测量特征数据的补充测量并编辑，第三步是生成地形图并以dwg格式保存。

2.5 精度分析

激光扫描技术的精度分析有一定不足之处，在直观生成扫描数据时应对测站中的重合区域进行高差起伏方面的比较。工作人员还应根据测绘完成结果进行测量精度方面的检验以保证其精度符合要求。

3 三维激光扫描技术的注意事项

工作人员应严格按照要求对三维激光扫描仪进行操作，从而提升仪器的工作效率和结果的精度，具体注意事项如下：

（1）扫描仪自身有着测距和测量角度精度方面的限制，因此被测点精度会随着扫描距离的增加而降低[3]。工作人员在实际工作的开展时，按照不同的比例尺完成测绘工作，从而保证扫描范围的科学合理性，这样实际测量完成后设计的架设点可以与测区相匹配。

（2）测绘常用的扫描仪是RIEGLVZ-1000三维激光扫描仪，该仪器实现工程坐标系和其本身坐标系的转换是通过后视标靶中的仪器实现的。仪器测点的云数据受到标靶扫描精度和标靶后视点地面实测精度两方面的影响比较大，因此工作人员提升标靶坐标精度时需根据标靶大小确定扫描距离，最大程度上保证结果的准确性。

（3）数据编辑期间点云数据拼接工作的顺利完成需要保

证邻站之间扫描范围的重合率。如果重合率小就会对拼接精度产生极大的影响，如果重合率大就会导致外业工作量的增加。

（4）现阶段考虑到地形图测绘软件对测绘结果的影响，工作人员在进行外业扫描时应注重后期的数据编辑工作。对于一些拥有特点的区域，工作人员应利用其他测量手段除去云数据中与地貌无关的数据，最后需要验证其精度。

4 结束语

我国的大型水利工程的施工地点主要位于比较偏僻的地区，建设区域的地形一般比较复杂且具有多变特征。三维激光扫描技术具备测绘效率高、速度快、实用性强、数字化程度高的特点，且可以凭借其非接触主动测量的方式获得较大范围内测得的三维空间数据，因此该技术在水利工程地形测绘方面的优越性十分显著。三维激光扫描技术可以极大提升测量效率和测量结果的精度，极大减少了工作人员的劳动强度，保证了施工企业单位的社会和经济效益。相关单位应提高对三维激光扫描技术的重视程度，加强该方面的研究，為水利工程的顺利开展提供技术支持。

参考文献：

[1]崔亦芳，丁双林，施攀.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]杨明珠，董燕.三维激光扫描点云数据处理及建模研究[J].价值工程，2017（12）：117-119.

[3]徐进军，张毅，王海成.基于地面三维激光扫描技术的路面测量与数据处理[J].测绘通报，2011（11）：34-36.

[4]张元，高峰.三维激光扫描技术在地质测绘和工程测量中的综合应用分析[J].科技创新与应用，2017（08）：291.endprint