全站式扫描仪在陡峻山区测绘中的应用

王 琦，杜全维

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610061）

全站式扫描仪在陡峻山区测绘中的应用

王 琦1，杜全维1

（1.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610061）

川西山区海拔一般在1 000～5 000 m之间，地势陡峻、相对高差大，山体切割深。传统航测或遥感技术不能更好反映陡峻山区的微地形情况，如何快速获取陡峻地区的大比例尺地形资料一直存在难点。采用全站扫描仪MS50来获取陡峻山区的大比例尺地形图，并应用于陡峻山区输电线路勘测设计中，实验表明该方法在工程中得到了较好的应用。

全站光扫描仪；陡峻山区；测绘

随着测绘科学技术的不断发展，获取测绘信息的手段越来越多样化，从传统的人工测绘，到现在的无人机技术、激光雷达技术以及卫星遥感技术,已逐步应用到测绘工作中。这些技术都有各自的优缺点，有些受到飞行条件的限制、有些成本高、有些花费时间长。特别是对于四川很多高山陡峻的地形来说，由于陡峻地区高差大、地势起伏大，地形多变，航测及卫星遥感技术获取地形图无法反映微地形，往往出现失真的情况，激光雷达技术也存在成本较高问题，如何快速精确获取陡峻地区的地形资料一直存在困难。本文采用莱卡MS50全站式三维激光扫描仪获取陡峻地区的地形信息，并应用到输电线路的勘测设计中，可以在人员不用到达的情况下，快速准确地获取陡峻地区的地形数据，对电力勘测设计有着重要的意义[1,2]。

1 选题意义与技术方法

1.1 选题意义

目前四川很多输电线路受到通道限制，多沿着河谷地带走线，高差特别大，并且地势陡峭，路径通道狭窄，线路水平档距、垂直档距极不均匀，如北川、汶川这些地区多地震断裂带和山体滑坡带，地势陡峭；川西高原河谷地带山体切割深，高差大。这些地方往往属少数民族居住区或者无人区，无法从测绘相关部门获取大比例尺地形图资料。为了做好设计工作，需要更精确的地形图，传统的获取受控点信息的方式是人工测量，不仅工作效率低，而且陡峭地形测量带来很大的危险性。本文通过全站式三维激光扫描仪MS50自动扫描陡峻地区的地形信息，通过获取的点云信息构建该地区高程模型，将高程模型和影像数据合成来进行输电线路选线设计，如塔位选择、受控点信息提取、塔基断面获取等。

图1 川西地区陡峭地形情况

1.2 MS50全站式扫描仪的特点

MS50可以快速进行高精度、高密度的三维数据采集，改变了传统的单点数据采集模式，具有以下几个特点：

1）快速性:激光扫描测量能够快速获取大面积目标空间信息。MS50点云扫描模式最快可实现1 000 点 / s，只要设置好点云格网间距和范围，就可以实现自动扫描，大大提高了测绘工作的速度。

2）非接触性:地面三维激光扫描系统采用完全非接触的方式对目标进行测量,可以实时获取实体的三维坐标，对于一些陡峻山区或人无法到达的地方，该方法增加了测绘工作的安全性。

3）智能全站仪测量技术：MS50具有全站仪的所有功能，一测回水平和垂直角度标准差小于1'，免棱镜测距最远可以达到2 000 m（90%反射率）。此外，MS50具备马达驱动（MOTOR）、自动目标识别（ATR）、锁定跟踪等功能，马达采用压电陶瓷技术进行驱动，其最大转速可以达到180°/s，跟踪测量的有效范围达到800 m，ATR测角精度为1"，属于高精度的测量机器人[2-6]。

1.3 数据处理与建模

三维激光扫描测量技术的原理是无线电载波相位测距和精密测角技术的结合，本课题采用的技术线路是在满足扫描纵距、重叠度等条件下，从不同位置获取陡峭地区的三维激光扫描数据和影像数据。经过外业数据采集，通过infinity软件进行点云数据处理，包括粗差数据剔除、数据分层、数据拼接等过程之后，在利用3Dshaper后处理软件完成点云立体模型的建立并生成DEM和DOM模型。最后，可以根据高程模型和影像模型获取需要的信息，如等高线、断面线、高程点等信息。

2 实验项目

选取色儿古～红原220 kV输电线路新建工程进行实验。该工程色儿古段地势陡峭、植被稀少，比较适合MS50扫描。通过三维激光扫描的点云数据生成DEM模型，自动提取受控点、风偏点的三维坐标，自动提取陡峭塔位地形数据，将高程模型与影像图叠加进行陡峭困难区域的选线设计。

2.1 陡峻地区输电线路危险地方受控点、风偏点获取

选取色儿古～红原220 kV一段塔位的受控点自动扫描。MS50扫描距离是1 000 m，免棱镜距离2 000 m，大大超越了普通全站仪的测量范围，在一些线路受控地势陡峭的山脊、峭壁等人无法到达的地方，通过该方法可以大大减轻测量工作的强度，增加野外工作的安全性。

图2 MS5O自动扫描峭壁、受控点

图3 3DReshaper中扫描点云数据生成的格网模型

通过图2可以看出，MS50可以快速扫描面状山脊风偏数据，改变了传统的人工测量模式，减轻了外业强度，并且扫描的大量微地形点云数据能更好反映风偏实际情况，特别是一些人不容易到达的陡峭地方。

图4 扫描模型切出风偏与GPS测对比（红色为扫描仪测/黑色为GPS测）

2.2 MS50应用于输电线路的选线设计

在传统的高压输电线路施工图终勘中，一般采用航片或者卫星影像生成的立体模型或者正摄影像进行选线，然后在外业施工图中定位。但在一些特殊的地势陡峭区域，由于地形突变较大区域的航测或者卫星影像DEM模型的精度较差，往往现场地形与模型的差别较大，这就需要测量人员现场改线，重新选线进行断面测量，这样会大大增加测量外业的工作量。而三维激光扫描仪的出现，可以设置扫描格网间隔，如设置1 m或者2 m间隔的格网，来获取更高精度的DEM模型，从而更精细地反映陡峻地形中的细节情况。设计人员在内业选线中，能更好地判断是否立塔，断面是否能通过，减少外业的改线工作量，减轻外业勘测人员的工作强度，提高工作效率。如图5、6。

图5 色儿古～红原220KV输电线路新建工程地形情况

图6 扫描点云渲染后的格网高程模型

MS50可以根据需要在1 km范围内设置更高分辨率的扫描点云，并保证精度。相比传统航测10 m的格网高程模型，高密度点云能生成更高精度的高程模型。这样，设计人员在室内选线时就能更好地看到陡峭地方的微地形情况，使设计方案更加合理，从而减少外业的改线工作量。

2.3 陡峭地形塔位中塔基断面自动扫描

传统的塔基断面测量都是采用全站仪或GPS逐个塔腿进行测量，在一些地势陡峭的地形特别是坡度在45°或以上的地形中，陡峭的地形给全站仪架设带来一定的困难，并且测量过程中仰角或俯角比较大等有许多不便。采用GPS测量也同样存在行走不便、耗费时间长等困难。如果采用MS50进行扫描，则可以大大减轻上述问题。只需在塔位附近找一个地形缓和通视的地方，架好仪器后MS50仪器2 min不到就可以全部测完塔位全部地形，测量的点云数据可以生成三维模型，精确反映塔位地形情况，更好地为判断虚点位置、基础设计服务。如需特殊分坑等情况，也可以根据设计需要切出任意需要方向的塔基断面[7]，如图7～9。

图7 MS50扫描陡峻地区塔基地形

图8 扫描点云生成的等高线

图9 扫描数据与GPS数据生成塔基断面对比（红线为扫描数据/黑线为全站仪数据）

2.4 实验结论

应用三维激光扫描仪MS50对色儿古～红原220 kV输电线路新建工程进行实验，可以看出，三维激光扫描仪对四川陡峻地区的输电线路工程有着较好的应用，特别是在一些植被稀少、悬崖峭壁、人不容易到达的地方，该方法可以对点云数据进行处理、滤波和三维建模，生成高程模型和影像模型，获取受控点、风偏点信息、陡峭塔位地形等情况，还可以用于困难地区的输电线路选线以及地址危岩评估。实验表明，三维激光扫描仪可以较好地应用于陡峻地区的地形测量，大大减轻野外测绘人员工作量。该方法应用于输电线路选线设计，可使线路设计方案更加合理，提高工作效率。

3 结 语

地面三维激光扫描测量系统不需要与被测物体接触,其数据可以方便地与其他软件进行交互,可以进行陡峻地区、陡崖、峡谷等危险地形的精细测绘。该系统能获得所测物体的绝对三维位置坐标和高分辨彩色纹理信息,应用配套的处理软件可以使得用户能够在短时间内获取高精度的三维立体影像数据,也可根据用户的需要提供极为丰富的三维立体空间模型、立体影像等成果。该方法可以很好地应用于输电线路的勘测设计中，对在一些植被稀少的风电、光伏工程地形图测绘中也可以很好地运用，对变电站、铁塔的三维建模与变形分析也可以进一步探索。对于测绘学科来讲,地面三维激光扫描技术的应用开辟了新的应用领域,与传统的测绘技术的结合,拓展了测绘科学的研究和应用,对于促进现行地理空间信息获取方式的发展和革新具有重要意义。

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[3]李东敏,范白兴. 全站式扫描仪测量原理及精度分析[J].测绘通报,2014 (8):131-133

[4]梅文胜,周燕芳,周俊,等. 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

[5]谢雄耀,卢晓智,田海洋,等. 基于地面三维激光扫描技术的隧道全断面变形测量方法[J].岩石力学与工程学报,2013(11):2 215-2 223

[6]徐进军,王海城,罗喻真. 基于三维激光扫描的滑坡变形监测与数据处理[J].岩土力学,2010(7):2 188-2 192

[7]GB 50548-2010. 330kV～750kV架空输电线路勘测规范[S].

P258

B

1672-4623（2017）12-0102-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.12.033

2016-02-25。

王琦，硕士，工程师，主要研究方向为大地测量与测量工程。