導(dǎo)語：水利工程激光掃描儀研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：水利工程施工中陸域部分的地形測量和斷面測量，通過地面激光掃描儀形成的點云建立三維模型還原真實地貌，較常規(guī)的測量工作，可減少大量外業(yè)作業(yè)，并可對水利工程施工區(qū)域的地形全覆蓋。以水利工程中常見的地形及斷面測量為例，闡述三維激光掃描儀在水利工程施工中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描儀；點云；測量；體積

1問題的提出

水利工程中存在大量的土石方工程，土石方工程部分的計量一般是按斷面法按實計算，但因測量方法、計算過程及使用儀器的不同，一般都存在一定的誤差，基于這種誤差的存在，工程量結(jié)算時往往存在爭議?？梢酝ㄟ^逆向展示原始地形地貌的方式解決此類分岐，隨著地面三維激光儀的推廣使用，特別是2015年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CH/Z3017—2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》的頒布，為水利工程中一些問題解決提供了較完善的逆向追溯手段，重點介紹其原理、方法以及在水利工程中應(yīng)用實例。

2浙江省水利工程中測量儀器使用現(xiàn)狀

目前浙江省在水利工程測繪儀器使用方面，工程前期項目建議書及工程規(guī)劃設(shè)計階段，基本上緊跟測量儀器的發(fā)展趨勢。以GPS為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)、各個地市建立的CORS系統(tǒng)均發(fā)揮著重要作用，小范圍的測圖控制網(wǎng)也可省略，即可以利用CORS系統(tǒng)作為控制，測繪出高質(zhì)量的地形圖。水下地形測量方面，各種型號的測深儀均廣泛使用，特別是在浙江省沿海地區(qū)的水利工程中；部分地區(qū)已投入使用遙控測量船；近年來，無人機測量技術(shù)也在一定范圍內(nèi)使用。這些新技術(shù)很大程度地降低了人工測量強度。施工階段測量主要任務(wù)是施工放樣及工程量計算，作業(yè)強度不高，但需貫穿施工全過程，全站儀等儀器基本上可以滿足要求，一定程度上影響了新儀器新技術(shù)的推廣使用。通過對浙江省沿海數(shù)十個水利工程的統(tǒng)計，基本上投資超過1億元的工程項目配備才有一套RTK系統(tǒng)，但大多數(shù)中、小型工程只配備全站儀、測距儀等傳統(tǒng)測量儀器，甚至老式的經(jīng)緯儀等也在一定范圍內(nèi)還在使用。施工階段涉水作業(yè)時必須使用的如測深儀等，大部分是靠第三方提供技術(shù)支持。軟件應(yīng)用方面，因原始數(shù)據(jù)采集后即可形成斷面圖并計算方量，故CASS系列測量軟件在施工階段應(yīng)用較廣；GPS專用平差軟件使用普遍；部分中小工程還在手工繪圖，甚至仍用求積儀進行面積計算。三維激光掃描儀、無人機測繪等新的測量手段，21世紀(jì)初部分地級市建立的CORS系統(tǒng)，在施工階段應(yīng)用很少。分析原因，主要是受水利施工單位現(xiàn)行項目管理模式的影響，即施工過程中原始的測量手段基本可以滿足要求，故缺少推廣的動力，所以施工階段測量儀器新技術(shù)的使用較專業(yè)測繪單位顯得落后。

3地面三維掃描儀

3.1發(fā)展簡介。20世紀(jì)90年代中期，隨著數(shù)字化技術(shù)及存儲技術(shù)的發(fā)展（掃描儀在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)使用，但發(fā)展過程較緩慢），一種叫三維激光掃描技術(shù)開始在工程界實際應(yīng)用，這種技術(shù)其實是在GPS定位并激光測距的基礎(chǔ)上，增加掃描系統(tǒng)的測量儀器。隨著測繪領(lǐng)域的發(fā)展，多數(shù)測量人員將其描述成是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)新突破。其主要測量過程是通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而快速、大量地采集空間點位信息，并用專用軟件建立物體的三維影像模型。由于其具有快速、非接觸性、實時、動態(tài)、高精度、數(shù)字化、自動化等特性，得到測量人員大力推崇，隨著掃描儀技術(shù)的日趨成熟，近年來在水利工程中也得一定的應(yīng)用。3.2工作原理簡介。三維地面掃描儀系統(tǒng)的工作原理并不復(fù)雜，掃描成果其實就是無數(shù)個掃描點三維坐標(biāo)組成的點云集合。掃描儀器是根據(jù)不同測距類型分類（教科書中分為激光法、相位法和時間漂移法，其實不盡準(zhǔn)確），以市場上占多數(shù)的激光測距掃描儀器為例，工作原理就是幾何三角法原理：用一臺精度較高的激光測距儀進行測距，再用掃描的水平角和豎角，可以求得相對于測站的座標(biāo)，如果測站坐標(biāo)已知，可將測得的目標(biāo)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)坐標(biāo)，可求得被掃描點的三維坐標(biāo)（見圖1）。ZXαβyPP′圖1地面三維激光掃描儀工作原理示意圖圖1中，h=s•cosα，x=s•sinαcosβ，y=s•sinαsinβ。h為高差（m），x為縱座標(biāo)，y為橫座標(biāo)，s為斜距（m），α為天頂距（°），β為水平角（°）。地面三維激光掃描儀工作時，激光掃描儀激光發(fā)射器射出一個激光脈沖信號，在被掃描物表面產(chǎn)生反射后，沿原路徑反向傳回到接收器，可以計算目標(biāo)點P至掃描儀距離s，并同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值β和縱向掃描角度觀測值α（三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在縱向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，在一個掃描站上不能完成全部掃描任務(wù)時或者需在不同的方位進行掃描時，涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，水利工程中一般均采用國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，使用高斯—克呂格投影法則，測站點一般為已知點，可用軟件中的轉(zhuǎn)換程序，或者預(yù)置已知點，這和全站儀相似）獲得P的坐標(biāo)，無數(shù)個被掃描點形成了所謂的“點云數(shù)據(jù)”。三維地面掃描儀的工作過程因不同的儀器而不盡相同，目前市場上工程所用的該類儀器，基本均是激光掃描儀。這類儀器，根據(jù)激光發(fā)射的不同，主要有燈泡式、三角式及扇形掃描儀，無論哪種形式的掃描儀，對水利工程中原始地形進行掃描，工作效率是傳統(tǒng)斷面測量方法無法比擬的。三維地面掃描儀的另一個概念，是關(guān)于真彩色點云的概念，水利工程傳統(tǒng)測量，所測的數(shù)據(jù)最終輸出的基本都是X、Y、H，但三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅包含X，Y，H三維坐標(biāo)點的信息，而且還包括R（紅），G（綠），B（藍(lán)）顏色信息，這樣全面的信息能使地形地貌在計算機屏幕上真實展現(xiàn)，是傳統(tǒng)測量手段無法做到的，這也是掃描儀器近幾年得以大量應(yīng)用的重要原因。

4地面三維掃描儀在水利工程施工中的應(yīng)用

4.1傳統(tǒng)體積計算方法及激光三維掃描儀應(yīng)用。水利工程前期階段的面積計算往往以大比例地形圖為基礎(chǔ)進行估算，計算精度十分有限，不宜作為結(jié)算工程量。施工階段的收方測量及開工時的原始地形測量，因涉及工程量的結(jié)算，測量方法的選擇較慎重，過程較嚴(yán)謹(jǐn)，精度自然要求相對較高。水利工程中的土石方等非規(guī)則體的體積計算，傳統(tǒng)的算法通常是斷面法或利用地形圖方格法計算。斷面法主要用于線型構(gòu)筑物或須局部開挖的地形，方格法主要用于大型料場或整座山開挖的地形，并且對地形圖等高線精度要求較高，以便計算出相對較準(zhǔn)確的工程量。在斷面法中，斷面間距、斷面點的選取位置以及測量方法的不同，造成誤差精度也不同，計算的體積精度也就不同。但隨著RTK等測量設(shè)備的應(yīng)用，雖然斷面測量較方便，但斷面點的選擇往往因人而異，有一定的隨意性，所以在測量散點組成的閉合圖形中，面積計算的誤差往往因人而異。若采取掃描的形式進行原始地形測量，一方面據(jù)此可計算出工程量，另一方面，可將原始地形建立三維圖備份，對已破壞的地形地貌進行逆向展示，可以解決這種精度認(rèn)知方面的分岐。4.2三維掃描儀在體積計算方面的應(yīng)用（以某水庫地形為例）。（1）掃描站的設(shè)定。布設(shè)掃描站時，應(yīng)根據(jù)被掃描物的形態(tài)、位置及距離確定，掃描站要設(shè)置合理，避免遮擋及干擾，即原則上既要方便儀器操作，又要能夠?qū)Ρ粧呙栉锶轿粺o死角進行掃描。掃描站需在現(xiàn)場踏勘的基礎(chǔ)上確定，對于較復(fù)雜的掃描體，應(yīng)事先進行掃描方案設(shè)計并編制作業(yè)指導(dǎo)書，確保掃描作業(yè)的連續(xù)性、有效性，因掃描的同時也在測距，所以要注意溫度、光線及附近電磁波等對儀器的影響，盡量排除干擾。本次掃描所采用儀器為徠卡HDS8800掃描儀，配置的數(shù)碼相機為尼康100型。掃描前均對儀器進行檢查，滿足相關(guān)規(guī)定的要求。本次作業(yè)共布設(shè)9個掃描站，分區(qū)域分段對區(qū)內(nèi)地形進行掃描。（2）布設(shè)反射體。反射體的作用就是控制點，用于各掃描幅間的拼接（這方面類似于攝影測量）。反射體的數(shù)量一般在2個掃描站間不應(yīng)少于3個，以校正各掃描站間的誤差是否滿足要求。根據(jù)現(xiàn)場情況，本次共布設(shè)21個反射體，相鄰掃描站同名反射體確保在3個以上，以保證后期數(shù)據(jù)處理時的關(guān)聯(lián)?！。?）數(shù)據(jù)掃描。三維地面掃描儀和其它工程測量儀器一樣，也是架設(shè)在三角架上，和電源、相機等設(shè)備相連。一般三維地面掃描儀均經(jīng)過粗掃、反射體定位、影象形成、精掃等步驟。影像的色彩，要視配備的數(shù)碼相機的性能而定，可以根據(jù)天氣、光線等環(huán)境因素設(shè)置不同的拍攝參數(shù)，掃描時的分辨率也應(yīng)根據(jù)距離等條件因素設(shè)定。本次作業(yè)因范圍較大，因為反射體相對布設(shè)得較理想，掃描區(qū)域較明確，故掃描過程較順利。根據(jù)相關(guān)方要求，設(shè)定的掃描分辨率為1mm。每個掃描站作業(yè)時間平均約30min，包括掃描站測量時間在內(nèi)共計1.5d時間，結(jié)束全部外業(yè)掃描工作。（4）拼接、數(shù)據(jù)處理及三維建模。數(shù)據(jù)拼接時，靶標(biāo)采用測量數(shù)據(jù)、點云特征值擬合的方法統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系統(tǒng)下，拼接精度控制在2cm內(nèi)。三維數(shù)據(jù)是由地形表面的掃描點集合組成，數(shù)據(jù)量十分龐大，在點云數(shù)據(jù)處理前，要進行必要的分析整理，發(fā)現(xiàn)遺漏及時補掃，掃描數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)非目標(biāo)掃描數(shù)據(jù)，應(yīng)過濾掉多余的數(shù)據(jù)并在此基礎(chǔ)上在進行擬合，進一步建立三維模型。點云數(shù)據(jù)的著色是建立三維圖形的重要步驟，從影像像素上提取的色彩信息（即RGB）對應(yīng)到各掃描點，當(dāng)點云數(shù)據(jù)達到一定量時，形成逼真的實體信息，在此基礎(chǔ)上，去除掉部分冗余數(shù)據(jù)，再進行三維建模。本次掃描的數(shù)據(jù)處理及建模是運用GeomagicStudio軟件進行。圖2為本次掃描后的部分三維地形圖?！　D2某水庫地形掃描圖（局部）（5）面積計算。部分儀器所采用的軟件可直接求出被掃描物的體積，根據(jù)多年來從業(yè)人員的經(jīng)驗，體積值受擬合線及剖面位置的影響較大，若斷面位置選取不當(dāng)，計算精度反而十分有限。對于工程計量而言，特別是大面積的開挖或回填，剖面位置可根據(jù)具體情況選取而不是根據(jù)軟件平均距離取剖面，以保證工程量計算的精度。因為已形成了三維地形圖，也可以采用剖面法或方格法進行計算，這和常規(guī)的計算方法相同。

5地面三維掃描儀測量的精度控制

5.1掃描過程中精度控制。地面三維掃描儀是高靈敏度的電子機械儀器，有自身的使用條件，其工作精度主要受溫度、磁場等影響，應(yīng)避免在極端溫度條件和地磁異常的地區(qū)進行掃描作業(yè)。掃描過程中的精度主要受儀器自身精度、原始點精度、反射體精度、被掃描物遮擋情況、影響激光束的環(huán)境因素（如溫度、大氣壓等）等方面影響。其中被掃描物遮掩在植被茂密情況下對精度影響較大，須采取人工改正措施（如GPS測點加密等）確保精度，其它因素類似于常規(guī)儀器如全站儀測量時的精度控制。5.2拼接、建模精度控制。通過靶標(biāo)將分散掃描的點云數(shù)據(jù)拼接成圖時，掃描的位置、標(biāo)靶的布置及拼接方式的選擇等是影響拼接精度的主要因素。較理想的拼接方式是在控制點處也設(shè)置靶標(biāo)，進行同名點拼接，并且各靶標(biāo)點間互相通視，對一個靶點在不同的站點多次掃描，并在數(shù)據(jù)處理時進行去噪處理。另外，目前市場上各類儀器使用的軟件不盡相同，但建模時盡量避免不必要的格式轉(zhuǎn)化，避免轉(zhuǎn)化過程中的擬合誤差。

6地面三維掃描儀的特點

三維激光掃描儀較傳統(tǒng)測量儀器，優(yōu)點主要表現(xiàn)在作業(yè)時間短，效率高，所測得的是三維地形圖，精度較高，并且外業(yè)操作相對簡單；缺點是儀器價格較高，推廣起來難度較大，軟件缺乏統(tǒng)一的操作平臺。相對于其它測量儀器，三維地面掃描儀在水利工程中主要有以下特點。6.1數(shù)據(jù)采集的快速性。在斷面測量手段中，以使用較多的RTK為例，每一點的測量費時基本在2s以上，若要以數(shù)字化的方式建立三維模型，面對龐大的點云數(shù)據(jù)，這樣的測量速度根本不能滿足數(shù)據(jù)采集的需求，但三維激光掃描儀改變了這一現(xiàn)狀，脈沖掃描儀（Scanstation2）最大速度已經(jīng)達到50000點/s，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng)達到120萬點/s，這種三維激光掃描儀對水利工程而言，足以對原始地形地貌全方位用數(shù)據(jù)進行描述并快速建立局部的三維模型，這也是地面三維激光掃描儀在工程中得以應(yīng)用的主要原因。6.2真實的地形復(fù)制三維激光掃描儀，其掃描結(jié)果直接顯示為點云，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù)，可快速建立復(fù)雜地形的三維可視化模型，既省時又省力，這種能力是現(xiàn)行三維建模軟件所不可比擬的。6.3為工程量結(jié)算提供依據(jù)。水利工程因其自身特點，土石方工程費用占工程投資的比重較大，隨著浙江省水利工程建設(shè)的發(fā)展，各方面對工程量的計算精度均提出新的要求，特別是近年來審計部門的介入，往往因工程原始地形已破壞不能對部分有疑義的工程量提供原始的計算憑據(jù)，因工程量引起的糾紛無法從根本上進行判定，三維掃描儀的出現(xiàn)解決了此類爭議。6.4工程原始地形檔案的全覆蓋和可視化。較傳統(tǒng)的地形測量方式，三維掃描儀可以將原始地形地貌以三維圖像的形式保存下來，可實現(xiàn)施工區(qū)域地形全覆蓋（水下部分除外），并以立體的方式對工程形成局部逆向的展示，工程原始地形檔案資料立體可視化。

7結(jié)語

水利工程施工階段的土石方工程占工程投資的比重較大，開工前的原始地形測量往往是各方關(guān)注的重點，極易形成合同爭議。若在原始地形破壞前將地形掃描并建立三維立體圖形存檔備查，既可替代傳統(tǒng)的地形測量工作（水下地形測量除外），又對土方工程量爭議的解決起到見證作用。隨著三維掃描技術(shù)的日趨成熟，特別是CH/Z3017—2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》的頒布，為其在水利工程中的應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持，主管部門應(yīng)予以重點引導(dǎo)，鼓勵相關(guān)方進一步論證并落實建立原始地形三維圖像，推動提高水利工程建設(shè)水平。

參考文獻：

[1]馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應(yīng)用[J].地理空間信息，2005(3)：60-62.

作者:陳林 馬興建 單位:1.浙江省水利河口研究院 2.浙江廣川工程項目管理有限公司