激光掃描測量技術(shù)在水毀河道修復(fù)工程中的應(yīng)用

廣東省水利水電第三工程局 陳金鵬 吳念輝

激光掃描測量技術(shù)在水毀河道修復(fù)工程中的應(yīng)用

廣東省水利水電第三工程局 陳金鵬 吳念輝

一、工程應(yīng)用

激光距離測量技術(shù)具有不受氣溫影響、測點(diǎn)精度高且差異小、可進(jìn)行任意角度和位置的測量、可快速高效獲取測量目標(biāo)三維影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。將該技術(shù)應(yīng)用于水毀河道修復(fù)工程的成圖測量，可以快速高效地完成測量任務(wù)。

某水毀河道修復(fù)工程采用了leica HDS激光掃描儀和Cyclone軟件進(jìn)行掃描測量。HDS參數(shù)：測距Dnax=0.3 km；50 m范圍精度為X或Y±6 mm，D±4 mm，A±12″；標(biāo)靶獲取精度±1.5 mm；模型表面精度±2 mm；標(biāo)準(zhǔn)掃描速率4 000點(diǎn)/s；全方位視角360°×270°;測距范圍 300 m（90%反射率）、134 m（18%反射率）；雙軸補(bǔ)償±5″；分辨率1″，可選性水平和垂直方向的掃描點(diǎn)最小間隔（距）1.2 mm，最小采樣密度1.2 mm；行掃描每行2萬個(gè)點(diǎn)，列掃描每列0.5萬個(gè)點(diǎn)；支持Auto CAD等格式。

二、數(shù)據(jù)獲取

1.采樣密度、區(qū)域控制。將掃描儀架設(shè)至基準(zhǔn)站點(diǎn)（由工程設(shè)計(jì)院移交，已通過校核檢驗(yàn)，精度符合施工要求）上，然后接通電源，連接數(shù)據(jù)線和軟件處理系統(tǒng)，按要求調(diào)整好方向、傾角、行列數(shù)等參數(shù)，做好測量準(zhǔn)備工作。由于利用極坐標(biāo)激光掃描儀進(jìn)行掃描測量時(shí)，框選的掃描區(qū)域過大、密度太高或太低都會(huì)影響最終結(jié)果的均勻性，因而每次掃描時(shí)都要注意對(duì)框選區(qū)域及掃描間隔進(jìn)行科學(xué)控制，合理選取掃描距離和掃描時(shí)間，提高掃描測量質(zhì)量。

對(duì)河道進(jìn)行成圖測量時(shí)，要先根據(jù)集成數(shù)碼相機(jī)顯示的掃描對(duì)象影像選擇掃描區(qū)域，然后再選擇適當(dāng)?shù)膾呙杳芏冗M(jìn)行自動(dòng)掃描。在掃描過程中，往往需要設(shè)置一定的標(biāo)志用以控制掃描區(qū)域的大小。該工程主要為砼構(gòu)造物，按一定的長度設(shè)置伸縮縫，伸縮縫間距≤30 m。因此，掃描中用縮縫作為掃描區(qū)域的參考標(biāo)志。

2.數(shù)據(jù)拼接。成圖測量完成后，只有將點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)拼接擬合起來才能成為一個(gè)整體。而點(diǎn)云影像數(shù)據(jù)的采集往往要經(jīng)過多測站的掃描才能完成，因此，為了確保拼接精度，在測量時(shí)可適當(dāng)設(shè)置掃描儀易識(shí)別、抗干擾的高分辨率參考標(biāo)志，以利于實(shí)現(xiàn)測站間空間坐標(biāo)系的統(tǒng)一。為了保證獲取的立體模型的準(zhǔn)確性，應(yīng)合理控制掃描影像的重疊度（復(fù)雜物體的測量重疊度要大于10%，相鄰測站的重疊度要適當(dāng)），以利于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)匹配。在一定距離內(nèi)的目標(biāo)體影像一般易從多角度直接（不加覘標(biāo)）獲取，但特征點(diǎn)影像的直接拼接精度（±1 cm）往往不能滿足高精度的觀測目標(biāo)的量測和建模需要，因此，可以采用擬合特征平面并加入點(diǎn)云約束的方式來進(jìn)行拼接，以提高拼接精度。

相鄰掃描點(diǎn)云圖的影像激光掃描測量步驟大體為：確定掃描區(qū)域→設(shè)立測站并確定位置→確定（不少于3個(gè)）同名控制點(diǎn)（或標(biāo)靶）。建立完整的立體模型需要獲取足夠多的數(shù)據(jù)，再加上不同方向的掃描點(diǎn)密度不盡相同，因而實(shí)踐中一般選取建筑物的前左、前右、后左、后右4個(gè)方向并結(jié)合精細(xì)要求確定控制點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)的強(qiáng)制符合，完成坐標(biāo)系的匹配統(tǒng)一。

3.數(shù)據(jù)處理、建模及應(yīng)用。數(shù)據(jù)拼接完成后，要先進(jìn)行預(yù)處理，剔除粗差數(shù)據(jù)和掃描過程中因汽車、行人等遮擋而出現(xiàn)的異常點(diǎn)，對(duì)于漏測的空白區(qū)域，往往還需要到現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)測。由于配備的后處理軟件具有自動(dòng)分段處理、抽取和TIN 模型構(gòu)造等功能,易于將細(xì)部模型化，通過軟件的旋轉(zhuǎn)和放大功能即可多角度觀察和分析點(diǎn)云，且極易辨別出異常點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的剔除剪切處理也很方便，因而可以很好地保證每個(gè)測站地形、地物點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理完成后，要手工對(duì)反射率球形標(biāo)志的球心坐標(biāo)進(jìn)行重新修正，以獲取正確的擬合數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。

規(guī)則或不規(guī)則幾何體的建模通過掃描點(diǎn)云來實(shí)現(xiàn)。一般情況下，三維模型組件及其對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云匹配算法、幾何體表面TIN多邊形算法、自動(dòng)分段處理功能等是實(shí)現(xiàn)三維模型構(gòu)建的最重要的基礎(chǔ)和方法。自動(dòng)分段處理功能可以實(shí)現(xiàn)與常用幾何形體相一致的目標(biāo)實(shí)體組件的點(diǎn)云抽取自動(dòng)匹配處理,與非常用幾何形體相一致的目標(biāo)實(shí)體組件的不規(guī)則表面的模擬則是通過幾何體表面TIN多邊形算法來實(shí)現(xiàn)的。

建立高精度水毀河道修復(fù)工程三維可視化數(shù)字地面模型時(shí)，需要結(jié)合實(shí)際情況對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的不規(guī)則三角形格網(wǎng)進(jìn)行編輯修改，校驗(yàn)組成模型的構(gòu)造物是否符合測量精度要求，并生成校驗(yàn)報(bào)告。利用建立的模型，即可完成平剖面圖、等高線圖的生成和進(jìn)行工程計(jì)量、放樣等。必要時(shí)還可以對(duì)模型進(jìn)行渲染（描述目標(biāo)表面紋理等），為災(zāi)后重建提供高效服務(wù)。另外，最終生成的幾何圖形還可轉(zhuǎn)換輸出到Auto CAD等軟件中，給災(zāi)后重建帶來便利。

三、結(jié)論

激光掃描測量技術(shù)具有非接觸性以及可快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。該技術(shù)是用多點(diǎn)測量的方式去模型化一個(gè)點(diǎn)，即對(duì)所測區(qū)域進(jìn)行重采樣，可以顯著提高測量數(shù)據(jù)的精度（不僅僅是單點(diǎn)測量的精度）。它不僅對(duì)攝影測量數(shù)據(jù)成果（影像相片、單幅影像相片）無法進(jìn)行空間量測的問題提供了有效的解決手段，而且可以通過增加坐標(biāo)匹配的方式來完成各測站間數(shù)據(jù)的拼接，測點(diǎn)精度高且分布均勻，非常便于對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行細(xì)部掃描，其后處理軟件TIN 模型的建立方式和對(duì)紋理的提取方式也有很大改進(jìn)。這就使得激光掃描測量技術(shù)具有極為廣闊的應(yīng)用前景。在實(shí)際施工中，可以將激光掃描測量技術(shù)與其他測量技術(shù)手段結(jié)合應(yīng)用。