地面三維激光雷達(dá)在壩區(qū)地形測量中的應(yīng)用

盧勤秀，龍超，曾飛翔，付文博

(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.電金沙江上游開發(fā)有限公司葉巴灘分公司，四川 成都 610041)

1 引 言

三維激光雷達(dá)[1]是一種集成多種高新技術(shù)的新型測繪技術(shù)，采用非接觸高速激光測量方式，通過點云的形式獲取地形和復(fù)雜物體三維表面陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。三維激光雷達(dá)包括機載三維激光雷達(dá)和地面三維激光雷達(dá)，機載三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)處理高效，非常適合具有大面積、長距離特性的工程測量，主要應(yīng)用在數(shù)字城市[2]、氣象與環(huán)境監(jiān)測[3]、高速公路[4]、農(nóng)林牧業(yè)[5]、國土資源、輸電線路[6]等測繪領(lǐng)域。地面三維激光雷達(dá)具有采集精度高、應(yīng)用靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)節(jié)特征自動化提取等特點，在文物保護[7]、三維建筑建模、地形勘測[8]、變形監(jiān)測[9]等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

水電站壩區(qū)地形往往比較陡峭，地質(zhì)地貌復(fù)雜，人工測量具有較大的施工風(fēng)險，采用航空測量雖然效率極高，但不能有效解決斷層、倒懸崖、植被重疊覆蓋等具體問題，因此，地面三維激光雷達(dá)成為水電站壩區(qū)地形測量的優(yōu)先選擇。

2 項目概況

葉巴灘水電站位于金沙江上游河段上，系金沙江上游13個梯級水電站的第7級，其上游是波羅水電站，下游是拉哇水電站；壩址位于金沙江支流降曲河口下游 600 m處，左岸屬四川甘孜藏族自治州白玉縣，右岸屬西藏自治區(qū)昌都地區(qū)貢覺縣。測區(qū)兩岸山體雄厚、地勢陡峭，山頂高程大于 4 000 m，最大相對高差超過 1 000 m，屬高山地貌，氣候寒冷而干燥，通行條件、通訊條件非常差，作業(yè)難度極大；壩址所在區(qū)域河谷狹窄、谷坡陡峻，屬深“V”型峽谷，存在大量倒懸崖地貌。這種特殊復(fù)雜地理環(huán)境對測量工作帶來巨大挑戰(zhàn)。葉巴灘水電站壩區(qū)實景圖如圖1所示。

圖1 葉巴灘水電站壩區(qū)實景圖

結(jié)合壩區(qū)地形地貌特點，為有效降低現(xiàn)場測量工作的安全風(fēng)險，提升外業(yè)測量效率和數(shù)據(jù)精度，同時避免留下測量死角，采用地面三維激光雷達(dá)技術(shù)對葉巴灘水電站進(jìn)行地形測量，通過細(xì)節(jié)特征自動化提取，生成 1∶1 000、 1∶500大比例尺地形圖和數(shù)字高程模型，為工程設(shè)計和施工提供數(shù)據(jù)支撐。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

項目采用RIEGL VZ-4000地面三維激光掃描儀進(jìn)行現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)采集，采用GPS-RTK獲取每個測站和測區(qū)內(nèi)主要/重要地物特征點的坐標(biāo)值和高程值。主要流程為：

(1)準(zhǔn)備工作

接到項目測量任務(wù)后，就測量地所處自然環(huán)境、氣候條件、交通和通訊條件等與業(yè)主單位進(jìn)行充分溝通，并進(jìn)行相關(guān)資料收集，制定現(xiàn)場工作方案。

(2)測站布置

經(jīng)過現(xiàn)場初勘，合理確定測站架設(shè)位置，需充分考慮掃描效果，對測區(qū)進(jìn)行全面覆蓋，保證測區(qū)數(shù)據(jù)的完整性，并確保相鄰測站之間存在一定的重疊區(qū)域，以便后期數(shù)據(jù)處理。本次測量充分考慮測區(qū)大落差、倒懸崖、深“V”峽谷地形地貌特征，兩岸分層架設(shè)，沿江共布置46個測站，確保對測區(qū)的全覆蓋，并保證任意相鄰測區(qū)存在重疊區(qū)域，如圖2所示。

圖2 測站布置圖

(3)參數(shù)設(shè)置

RIEGL VZ4000掃描儀的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。在實際應(yīng)用中，應(yīng)結(jié)合測量精度要求和實際需要進(jìn)行掃描密度等參數(shù)設(shè)置。

RIEGL VZ4000掃描儀詳細(xì)參數(shù) 表1

(4)目標(biāo)物預(yù)掃描

選擇測站位置后，需要對測區(qū)進(jìn)行預(yù)掃描，以進(jìn)一步確定測站位置的合理性和可用性，預(yù)判測量效果及覆蓋范圍是否能夠達(dá)到預(yù)期要求。

(5)逐區(qū)域掃描

對每一個測站進(jìn)行逐區(qū)域、逐幅面掃描，直到全部測站掃描結(jié)束。需要注意的是，單個測站掃描結(jié)束后，需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行初步檢查，確保該站數(shù)據(jù)已經(jīng)全部獲取完畢。

(6)影像數(shù)據(jù)采集

在現(xiàn)場測量中，需要獲取必要的影像數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)不僅可以為點云數(shù)據(jù)解譯和點云數(shù)據(jù)物體辨識提供參考，提高點云數(shù)據(jù)的編輯效率、配準(zhǔn)精度和拼接精度，還可以用于制作紋理模型，為建立虛擬現(xiàn)實的真彩色三維模型提供原始數(shù)據(jù)。

(7)特征點數(shù)據(jù)獲取

進(jìn)一步對測區(qū)范圍內(nèi)的主要/重要地物特征點、檢查點的坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，以便后期數(shù)據(jù)處理和精度校驗。

(8)數(shù)據(jù)完整性檢查

數(shù)據(jù)采集的最后一步是對全部測量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合檢查，確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。如果數(shù)據(jù)完整性不足，則需進(jìn)行補測，直到數(shù)據(jù)完整可用為止。

4 數(shù)據(jù)處理

地面三維激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)分類和生成數(shù)字成果等[10]。本項目中，數(shù)字成果主要是數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字線劃圖(DLG)，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 地面激光雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程圖

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于大氣折光、水面折射等原因，通過地面激光雷達(dá)掃描得到的點云數(shù)據(jù)往往存在一些錯誤的數(shù)據(jù)，也就是常說的噪點，必須通過數(shù)據(jù)預(yù)處理把這部分?jǐn)?shù)據(jù)剔除掉，以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低建模的復(fù)雜度，并提高模型重構(gòu)的精確度和速度。數(shù)據(jù)預(yù)處理的方法包括人工選取與刪除、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)縮減和數(shù)據(jù)分割等，隨著數(shù)據(jù)預(yù)處理算法的不斷完善，數(shù)據(jù)預(yù)處理自動化程度越來越高。在本項目中，數(shù)據(jù)預(yù)處理工作基本由軟件自動完成。

(2)點云數(shù)據(jù)拼接

所謂點云數(shù)據(jù)拼接，即是定義工程坐標(biāo)系下每個測站SOP矩陣的過程，也就是通過坐標(biāo)變換、旋轉(zhuǎn)和平移等技術(shù)，把掃描儀坐標(biāo)系下的點云轉(zhuǎn)換到工程坐標(biāo)系下，結(jié)合重疊區(qū)、特征點、特征線等信息和影像數(shù)據(jù)，將不同掃描面、不同測站得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接。常用的拼接方法有基于標(biāo)靶點的自動拼接和手動拼接。由于峽谷兩岸架設(shè)測量站點相距較遠(yuǎn)，標(biāo)靶點布置困難，識別率較差，定位精度低，故本項目主要采用后視定向和MSA多站平差相結(jié)合的拼接方式。

(3)點云數(shù)據(jù)分類

使用專業(yè)的數(shù)據(jù)分類軟件，完成對細(xì)節(jié)特征自動化提取和數(shù)據(jù)分類、過濾，通過人機交互對自動化分類后的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和進(jìn)一步修正，進(jìn)而得到趨于真實地面的純地表三維激光點云數(shù)據(jù)。

(4)生成數(shù)字高程模型(DEM)

根據(jù)分類得到的高精度點云數(shù)據(jù)，以及為提高精度在地形突變區(qū)提取的特征點數(shù)據(jù)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成體現(xiàn)倒懸崖實體的曲面模型；基于不規(guī)則三角網(wǎng)內(nèi)插生成最終的數(shù)字高程模型(DEM)，如圖4所示。

(5)生成數(shù)字線劃圖(DLG)

根據(jù)影像數(shù)據(jù)、激光點云、數(shù)字高程模型，按照國家圖式規(guī)范和工程應(yīng)用對于精度的要求，制作相應(yīng)的數(shù)字線劃圖(DLG)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理成果

5 應(yīng)用效果

5.1 精度校驗

由于測量儀器自身存在誤差、測量過程存在人為誤差、拼接過程存在誤差以及控制點坐標(biāo)存在測量誤差等因素，最終成果能否滿足精度要求，需要通過精度校驗來確認(rèn)。本項目共557個檢查點，覆蓋整個測區(qū)，顧及不同地形類別，在地形變化劇烈區(qū)域適當(dāng)增加檢查點分布密度，并兼具代表性和可操作性，抽取其中35個檢查點進(jìn)行地物特征點位平面精度校驗(表2)，平面位置中誤差為 ±0.157 m，滿足《水利水電工程工程測量規(guī)范》對于 1∶500地形測量成果精度要求。

地物特征點平面精度校驗表 表2

抽取28個檢查點與激光點云模型進(jìn)行高程校驗(表3)，高程中誤差為 ±0.155 m，滿足《水利水電工程工程測量規(guī)范》對于 1∶500地形測量成果精度要求。

激光點云模型高程精度校驗表 表3

5.2 倒懸崖地形測量成果

倒懸崖地形具有通達(dá)性差、容易形成測量死角等特征，傳統(tǒng)測量方法很難得到精確的地形數(shù)據(jù)，項目采用地面三維激光雷達(dá)進(jìn)行測量，不僅能夠克服這些問題，而且能夠高效獲取數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)處理軟件獲取不同需求情景的測量成果(圖5)，具有獨特的優(yōu)勢。

圖5 倒懸崖地形測量成果

5.3 土石方量計算

激光點云數(shù)據(jù)精度高，利用其所生成的大比例尺數(shù)字高程模型(DEM)完成土石方量計算得到的結(jié)果精準(zhǔn)度高，通過優(yōu)化設(shè)計方案，減少挖、填方量和棄土，為實現(xiàn)填挖平衡提供可能性，節(jié)約項目實施成本，擁有傳統(tǒng)測量所無法比擬的優(yōu)勢[11]。項目以設(shè)計斷面圖和數(shù)字高程模型為依據(jù)，采用內(nèi)業(yè)復(fù)核計算方式對進(jìn)場公路交通工程土石方設(shè)計工程量進(jìn)行計算和復(fù)核。結(jié)果表明，采用激光點云數(shù)據(jù)生成的斷面圖和數(shù)字高程模型計算得到的土石方量更加接近項目審定數(shù)值，相對誤差明顯小于用傳統(tǒng)方法計算得到的施工圖工程量。

進(jìn)場公路土石方量計算復(fù)核結(jié)果 表4

6 結(jié) 論

葉巴灘水電站測區(qū)范圍大，地形復(fù)雜，采用地面三維激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行地形測量，最終生成合格的 1∶1 000、1∶500大比例尺地形圖和數(shù)字高程模型，為項目實施提供高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。應(yīng)用表明，地面三維激光雷達(dá)測量精度高、速度快，并有效降低野外作業(yè)工作強度和危險性，實現(xiàn)一次外業(yè)作業(yè)可為多種比例尺地形成果提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，測量結(jié)果能夠滿足不同用戶的諸多需求，是倒懸崖等特殊復(fù)雜條件壩區(qū)地形測量的理想選擇。