廣東省水利水電第三工程局 陳金鵬 吳念輝

激光掃描測量技術在水毀河道修復工程中的應用

廣東省水利水電第三工程局 陳金鵬 吳念輝

一、工程應用

激光距離測量技術具有不受氣溫影響、測點精度高且差異小、可進行任意角度和位置的測量、可快速高效獲取測量目標三維影像數(shù)據(jù)等優(yōu)點。將該技術應用于水毀河道修復工程的成圖測量，可以快速高效地完成測量任務。

某水毀河道修復工程采用了leica HDS激光掃描儀和Cyclone軟件進行掃描測量。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″；標靶獲取精度±1.5 mm；模型表面精度±2 mm；標準掃描速率4 000點/s；全方位視角360°×270°;測距范圍 300 m（90%反射率）、134 m（18%反射率）；雙軸補償±5″；分辨率1″，可選性水平和垂直方向的掃描點最小間隔（距）1.2 mm，最小采樣密度1.2 mm；行掃描每行2萬個點，列掃描每列0.5萬個點；支持Auto CAD等格式。

二、數(shù)據(jù)獲取

1.采樣密度、區(qū)域控制。將掃描儀架設至基準站點（由工程設計院移交，已通過校核檢驗，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)，按要求調整好方向、傾角、行列數(shù)等參數(shù)，做好測量準備工作。由于利用極坐標激光掃描儀進行掃描測量時，框選的掃描區(qū)域過大、密度太高或太低都會影響最終結果的均勻性，因而每次掃描時都要注意對框選區(qū)域及掃描間隔進行科學控制，合理選取掃描距離和掃描時間，提高掃描測量質量。

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

2.數(shù)據(jù)拼接。成圖測量完成后，只有將點云影像數(shù)據(jù)拼接擬合起來才能成為一個整體。而點云影像數(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，在測量時可適當設置掃描儀易識別、抗干擾的高分辨率參考標志，以利于實現(xiàn)測站間空間坐標系的統(tǒng)一。為了保證獲取的立體模型的準確性，應合理控制掃描影像的重疊度（復雜物體的測量重疊度要大于10%，相鄰測站的重疊度要適當），以利于點云數(shù)據(jù)的坐標匹配。在一定距離內的目標體影像一般易從多角度直接（不加覘標）獲取，但特征點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的量測和建模需要，因此，可以采用擬合特征平面并加入點云約束的方式來進行拼接，以提高拼接精度。

相鄰掃描點云圖的影像激光掃描測量步驟大體為：確定掃描區(qū)域→設立測站并確定位置→確定（不少于3個）同名控制點（或標靶）。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密度不盡相同，因而實踐中一般選取建筑物的前左、前右、后左、后右4個方向并結合精細要求確定控制點，以實現(xiàn)控制點的強制符合，完成坐標系的匹配統(tǒng)一。

3.數(shù)據(jù)處理、建模及應用。數(shù)據(jù)拼接完成后，要先進行預處理，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，對于漏測的空白區(qū)域，往往還需要到現(xiàn)場進行補測。由于配備的后處理軟件具有自動分段處理、抽取和TIN 模型構造等功能,易于將細部模型化，通過軟件的旋轉和放大功能即可多角度觀察和分析點云，且極易辨別出異常點，對數(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測站地形、地物點云數(shù)據(jù)的準確性。數(shù)據(jù)處理完成后，要手工對反射率球形標志的球心坐標進行重新修正，以獲取正確的擬合數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)整個掃描數(shù)據(jù)的坐標系轉換。

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

建立高精度水毀河道修復工程三維可視化數(shù)字地面模型時，需要結合實際情況對點云數(shù)據(jù)生成的不規(guī)則三角形格網(wǎng)進行編輯修改，校驗組成模型的構造物是否符合測量精度要求，并生成校驗報告。利用建立的模型，即可完成平剖面圖、等高線圖的生成和進行工程計量、放樣等。必要時還可以對模型進行渲染（描述目標表面紋理等），為災后重建提供高效服務。另外，最終生成的幾何圖形還可轉換輸出到Auto CAD等軟件中，給災后重建帶來便利。

三、結論

激光掃描測量技術具有非接觸性以及可快速獲取海量點云數(shù)據(jù)等優(yōu)點。該技術是用多點測量的方式去模型化一個點，即對所測區(qū)域進行重采樣，可以顯著提高測量數(shù)據(jù)的精度（不僅僅是單點測量的精度）。它不僅對攝影測量數(shù)據(jù)成果（影像相片、單幅影像相片）無法進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匹配的方式來完成各測站間數(shù)據(jù)的拼接，測點精度高且分布均勻，非常便于對建筑內部進行細部掃描，其后處理軟件TIN 模型的建立方式和對紋理的提取方式也有很大改進。這就使得激光掃描測量技術具有極為廣闊的應用前景。在實際施工中，可以將激光掃描測量技術與其他測量技術手段結合應用。