三维激光扫描测量技术在水利水电工程中的应用

李旻

【摘要】：随着信息技术研究的深入水利水电工程地质由二维平面、剖面图向BIM三维模型的转变，水利工程从业人员对获取三维数据的需求更加迫切。现阶段水利水电工程从业人员已熟练掌握传统测量的方法，但它们在获取信息数据的效率较低，多用于目标点的测量。随着科学技术的发展，三维激光测量技术的出现为水利水电工程从业人员获取三维数据提供了全新的技术手段。但是目前这项技术在水利水电行业中还未广泛应用。本文章主要讲述了三维激光测量技术的概念、意义，技术特点，产品类型以及应用方向。

【关键词】水利水电；工程地质；三维测绘；技术特点；产品构成及类型；应用方向

一、前言

随着我国经济和科学技术的不断发展，我们国家的水利水电行业发展的也越来越快，开展了许多的战略措施，例如南水北调等等。随着我们国家科技的进步，水利水电行业也在发生着巨大的改变，BIM工程地质建模逐渐的被人们关注，并把这一项技术逐渐应用在水利水电行业中，三维激光扫描测量技术在BIM中的应用是最基础的一个重要环节，但在水利水电勘察中应用较少。

二、三维激光扫描测量技术的概念

三维激光扫描测量技术（实景复制技术）是20 世纪末开始出现的一种以非接触主动测量的方式获取大量空间点数据的技术，是继GPS技术之后的又一次技术飞跃，该技术主要利用激光扫描仪，去采集物体表面各个点的三维坐标、反射率、颜色等数据信息，在水利水电工程中利用这些信息不仅可以快速建立BIM三维模型，也可以对后续水电工程施工测量、工程监测等工作提供准确的数据信息。

三、三维激光扫描测量技术的特点

三维激光扫描技术的特点，可以总结为高精度、高速度、高分辨率、非接触式、优良的兼容性、实时性强、全数字特征等特点，相比以往的测量方式，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接对接CAD、3DMAX等工具软件，是为当下水利水电工程设计逐渐立体化、信息化获取工程地质信息的一种新的技术手段，同时三维激光扫描测量还是一种集空间數据测量、影像测量于一身、从传统单一的地面平面测量，转变为三维的空间测量，可以在更复杂，测量条件更糟恶劣的地点进行测绘工作的高科技测量手段；并且测量数据的精度高，采集的数据量大，同时与计算机手段相结合，以达到更好的测量效果，对于数据处理也有着更快的效率；对于在水利水电BIM工程地质建模工作，带来了极大的便利性。

四、三维激光扫描测量产品类型及组成

现今三维激光扫描系统，按照测量方式可以分为脉冲式和相位式，脉冲式主要运用与远距离测量中，国外最优秀的机器最大测距可达6km，国内同技术产品测距多在1.5km左右，相位式主要用于短距离测量中，其优势是价格较便宜，体积较小。按照操作平台主要就是分为三大类：手持式、机载式和地面式三维激光扫描系统；

随着科技的进步，地面脉冲式三维激光扫描系统的体积逐渐缩小、价格逐渐下降、精度不断提高、测量范围大，成为最适合在水利水电工程领域中使用的系统，地面脉冲式扫描仪中最有名的是瑞士Leica公司，其他的还有美国Trimble公司等。随着我国科技的进步近年来也有企业生产出这类产品，如武汉大学和北京天远三维科技有限公司的自主研发的三维扫描仪。

地面脉冲式三维激光扫描系统主要由扫面单元、控制单元、电源、三角架和标靶五部分组成。

五、三维激光扫描在工程测量中的应用步骤

1、现场踏勘布设控制点。随着科技的进步，现阶段新式的三维激光扫描仪已具有对中、平整功能，可像全站仪一样设立在已知控制点上进行扫面测量工作，在对控制网进行布设过程前，需要根据拟定工程勘察范围内的地形、环境进行简单的勘察，选择出适合控制点，由于控制点的精度会对三维激光扫描产生的点云坐标精度存在一定的影响，所以需先用全站仪对控制点进行布设，同时用水准仪测量控制点的高程信息，之后架设仪器开始测量。

2、采样间隔的设定。采样间隔过大，采集的点数据就较少，后期在处理数据时，精度就会受到影响，相反采样间隔过小，采集的点数据就较多，后期在处理数据时，数据量会比较大，影响工作效率。因此在比较通视的场景下，每个测站点的间距建议设在100m左右，最好相邻测站见有一部分测量区重合。在不通视的测量区内，适当增加测站点，确保所有待测区均被仪器扫描到。

3、点云数据的处理。经过外业扫描工作得到的数据量非常庞大，其中含有有用的地质数据信息；也包含植被、风沙等无用的数据信息点。因此这些点数据必须经过处理才能更好的运用，构建BIM地质模型。首先将位于不同控制点下测量的数据拼接在同一个坐标系统内，其中Leica公司的扫描仪带有Cyclone和I-Site软件可以将所有测站点测量的数据转换后一次性放入需要的地理坐标系中。同时扫描过程中无用的数据信息点也可以用Cyclone软件手动删除，如果点数据信息过于庞大，则可以用软件先进行数据抽稀之后在将无用数据信息手动删除。

4、导入BIM软件建立地质模型。经过处理的点云数据是由大量的离散点在空间中进行排列，将这些点数据导入BIM软件中即可生成连续的不规则三角网，同时软件还将对这些面进行平滑优化处理，相比较现在所使用的利用地形图数据输入转化为三维模型的方法，利用点数据生成的模型有多种优势，其一就是精确度，现阶段水利水电行业的BIM模型是由地形图在转化为三维模型，在转化过程中不可避免的会丢失一些信息，同时BIM软件对地形图中有效的信息识别并不是那么智能化，因此转化出的模型常常有许多部分与实际不符，所以利用地形图转化BIM模型的方法在前期有大量的优化工作要做。其二是三维扫描系统除了点云数据外还有颜色、图像和反射率等信息，在后续完善地质模型的过程中三维影像、图形资料和现场测绘资料的结合能大大提高模型资料的准确度和真实度。

六、三维激光扫描测量在水利水电工程中的应用

三维激光扫描测量技术在水利水电工程中除了可以采集三维信息建立BIM模型外。还可以贯穿整个工程建设周期，主要有以下六个方面：

1、地质测绘。三维激光扫描测量是工程测量的一种，其在多方面可以代替传统的测量手段，而且相比传统测量手段，三维激光扫描测量同时采集三维影像和颜色数据，结合勘探资料，在BIM模型中建立的地层接触面、不良结构面等更加准确。

2、滑坡监测。利用三维激光扫描技术对滑坡体的测量，可以准确判断滑坡体是否发生滑动，滑坡体的稳定性如何，滑坡体体积大小，以及滑动后原始地貌和现状地貌的区别准确判断滑坡发生量。

3、大坝监测。现阶段利用传统手段在大坝运行过程中难以发现大坝细微的变化，通常是在发生明显渗漏，沉降裂缝和变形裂缝时在利用探查手法寻找原因，而通过三维激光扫描测量，可以建立不同时刻的大坝模型，（下转第页）

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以用来时刻监测大坝是否发生变形、沉降、渗漏等。

4、變形监测。同大坝监测，传统变形监测过程复杂，在施工过程中小的变形常常被施工单位忽视，等发生明显形变时在寻找补救措施，而三维激光扫描测量的便利性和快速性使得变形监测过程简单化、准确化。

5、开挖量的计算。现阶段工程隧洞、渠线工程开挖量的结算多是采用连续断面求平均结合隧洞、渠线长度求得开挖量，这种方法在实际生产过程中有很多问题，一是工程较大需要很多的开挖断面，二是测量数据的准确性，因为工程工期的限制和监理人员的短缺，测量数据常常有很多问题，在单一断面中看影响不大，但是在系统工程里总量的差别是距大的，而三维激光扫描技术对于实际开挖发生量的计算提供了简单、准确、快捷的手段。

6、病险水库的加固。通过三维激光扫描技术监测大坝，可以准确、清楚的标出水库发生问题的具体发生部位，结合一定的勘探手段可以使病险水库的加固更加可靠、稳定。

七、结束语

三维激光扫描技术早已诞生，随着科技进步，先已逐渐进入工程建设领域，目前在主要应用在建筑领域，水利水电工程中的应用较少，但是随着BIM系统工程在水利水电行业中的兴起，这项技术对于BIM系统工程的建立有着巨大的作用，我们应当积极引进这项技术，与水利水电工程勘察、施工、设计结合成为一种新的系统体系，为水利水电行业的发展起到帮助和促进作用。

参考文献：

[1] 朱磊 王健 毕京. 三维激光扫描技术在变形监测中的应用. 山东科技大学测绘科学与工程学院.2014（05）：6

[2] 学赵伟 周林清.地面三维激光扫描技术在工程测绘中的应用思考.2015（24）

[3] 花向红.地面三维激光扫描技术及应用开发研究.武汉大学测绘学院.2014

[4] 姜如波.基于三维激光扫描技术的建筑物模型重建.蚌埠市勘测设计研究院.2013（03）：113