董雪亮

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

三維掃描是一種可以大面積、快速度、高精度、大密度地取得地物三維形態(tài)及坐標(biāo)的測量設(shè)備。其內(nèi)部包含掃描棱鏡不需外設(shè)反光鏡，通過光電測距設(shè)備可快速測得掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)，同時(shí)收集利用三維激光技術(shù)獲取的地物點(diǎn)的三維坐標(biāo)的云數(shù)據(jù)，可快捷建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜與不規(guī)則場景的三維可視化模型。目前被廣泛運(yùn)用于地形圖測量、變形測量、隧道測量、庫區(qū)庫容測量、城市三維建模及大壩監(jiān)測等領(lǐng)域。

1 三維激光掃描在大壩變形監(jiān)測的應(yīng)用

1.1 大壩變形監(jiān)測一般建模標(biāo)準(zhǔn)流程

首先外業(yè)對標(biāo)的物進(jìn)行激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)獲取高清晰度的原始照片;然后對所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、規(guī)劃、整理；對不規(guī)則點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除和修飾；采用Pdymck/Chinad等軟件構(gòu)建曲面三維網(wǎng)；利用Geomagic，Cindoeil，qt等軟件進(jìn)行曲面模型紋理貼圖；最后形成三維實(shí)體紋理模型。

1.2 大壩變形監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)

水利工程大壩變形監(jiān)測范圍大、精度要求高，且壩上建筑物多，需布設(shè)的變形監(jiān)測點(diǎn)多，特別是變形點(diǎn)高程使用常規(guī)儀器不易測量。因此使用免棱鏡全站儀或三維激光掃描儀進(jìn)行大壩變形監(jiān)測是比較理想的設(shè)計(jì)方案。

對大壩變形采用三維激光掃描儀監(jiān)測，首先解決基準(zhǔn)點(diǎn)、工作基點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程。根據(jù)監(jiān)測內(nèi)容分為水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點(diǎn)網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)、工作基點(diǎn)網(wǎng)。水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)和工作基點(diǎn)網(wǎng)采用GPS網(wǎng)、三角形網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)或視準(zhǔn)線法等形式布設(shè)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)一般選在變形區(qū)以外穩(wěn)定的基巖上，工作基點(diǎn)建在變形區(qū)附近穩(wěn)固的基巖上或固定標(biāo)石上，實(shí)際一般建造在具有強(qiáng)制歸心的混凝土觀測墩上，監(jiān)測點(diǎn)宜設(shè)在變形幅度、變形速率大的部位。同時(shí)根據(jù)攝影站和被攝目標(biāo)的遠(yuǎn)近，設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)的大小，便于在掃描時(shí)能夠獲得清晰的影像。采用三維激光掃描儀在兩個(gè)不同的工作基點(diǎn)上設(shè)站，對同一監(jiān)測體進(jìn)行三維掃描測量并檢查校核，其精度指標(biāo)按極坐標(biāo)要求進(jìn)行。一般情況采用GPS、水準(zhǔn)儀和三維掃描儀協(xié)同作業(yè)的方式，由C級(jí)GPS靜態(tài)測量和二等水準(zhǔn)測量的平面坐標(biāo)和高程作為三維激光掃描儀的測站點(diǎn)和后視點(diǎn)。然后通過測站點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程以及后視點(diǎn)的坐標(biāo)和高程進(jìn)行定向和點(diǎn)云拼接，最終將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到本測區(qū)的坐標(biāo)系統(tǒng)中。通過對多次觀測數(shù)據(jù)的分析可以得到大壩變形的數(shù)據(jù)，根據(jù)異常變形量分析，查找影響位移的相關(guān)因素，確定重點(diǎn)觀測部位進(jìn)行有針對性的監(jiān)測。

1.3 大壩變形監(jiān)測的應(yīng)用

以大壩為變形實(shí)體進(jìn)行監(jiān)測，在監(jiān)測掃描場景外巖石上布設(shè)3個(gè)平高基準(zhǔn)點(diǎn)，監(jiān)測掃描場景周圍布設(shè)6個(gè)觀測墩工作基點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)在壩左布設(shè)12個(gè)，壩右布設(shè)8個(gè)，中間溢流面布設(shè)4個(gè)，壩頂布設(shè)4個(gè)平高點(diǎn)?；鶞?zhǔn)點(diǎn)編號(hào)為 k1，k2，k3，工作點(diǎn)編號(hào)為 g1~g6，監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)從左至右分別為b1~b28，其中6個(gè)工作點(diǎn)均可作為測站點(diǎn)和后視點(diǎn)使用，采用Ua-2000三維激光掃描儀，其最長掃描距離為310m，最短距離為30m。儀器設(shè)置為高密度掃描，對每個(gè)目標(biāo)進(jìn)行三次連續(xù)觀測，同時(shí)在另一個(gè)工作點(diǎn)上進(jìn)行校對。

1.4 數(shù)據(jù)處理與變形分析

對外業(yè)采集到的數(shù)據(jù)使用相關(guān)軟件進(jìn)行點(diǎn)云拼接，利用掃描儀設(shè)置的坐標(biāo)進(jìn)行疊加和修飾，可得到點(diǎn)云拼接后的效果圖。同時(shí)得到連續(xù)觀測三次部分特征點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，其中最大點(diǎn)位中誤差為4.2 mm，最小點(diǎn)位中誤差為0.2 mm，由此可知通過三維掃描儀、GPS和水準(zhǔn)儀聯(lián)合作業(yè)的變形監(jiān)測方法精度可滿足規(guī)范要求。

以水利工程大壩為變形監(jiān)測目標(biāo)，通過三維掃描儀、GPS和水準(zhǔn)儀聯(lián)合作業(yè)方案進(jìn)行測量，該方案適用于短距離內(nèi)對水利工程大壩進(jìn)行監(jiān)測。采用Ua-2000激光掃描儀快速獲取大面積高分辨率的地面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，采集空間點(diǎn)位信息，建立物體的三維影像模型。此方法具有快速性、不接觸性、穿透性、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高密度、高特?cái)?shù)字化自動(dòng)等特點(diǎn)。

2 地面三維激光掃描儀在水庫庫容測量的應(yīng)用

水庫庫容是確定水庫大小及水資源儲(chǔ)量的重要指標(biāo)之一，也是水庫管理和供水的重要參數(shù)，其計(jì)算方法有等高線計(jì)算模型、斷面計(jì)算模型、方格網(wǎng)計(jì)算模型等，采用不同的計(jì)算方法，其結(jié)果也有一定差別。一般計(jì)算是通過獲取測區(qū)部分地形點(diǎn)，地形特征點(diǎn)等采用內(nèi)插方法獲得所需數(shù)據(jù)。水庫庫容計(jì)算精度主要取決于采樣點(diǎn)的精度，常規(guī)的測量方法只能獲取部分測區(qū)地形點(diǎn)以及地形點(diǎn)變化的少量信息。在較陡峭的地方不能獲取地形點(diǎn)信息，采用三維掃描儀能夠獲取更多的實(shí)地三維信息，更好、更快地反映地形地貌特征，對庫容計(jì)算提供更加精確的數(shù)據(jù)和信息。以松塔水庫為例利用三維激光掃描儀計(jì)算其庫容。

2.1 工程概況

松塔水庫位于壽陽縣草莊村蕭河干流松塔河上，該水庫大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高62.6m，壩長539m，控制流域面積1174 km2，設(shè)計(jì)庫容9780m3，以城市生活供水、工業(yè)供水及水力發(fā)電為主，同時(shí)兼顧防汛、灌溉等綜合利用。

2.2 原始數(shù)據(jù)獲取

采用北科天繪U-ARM系列地面三維激光掃描儀。在實(shí)際工作中共布設(shè)8個(gè)測站點(diǎn)，庫區(qū)兩邊各布設(shè)4個(gè)平高點(diǎn)，能夠覆蓋整個(gè)測區(qū)，每個(gè)測站點(diǎn)與相鄰點(diǎn)互相通視，便于校核檢查，平面控制采用1980西安坐標(biāo)系，高程控制采用1985國家高程基準(zhǔn)。此次采用的絕對坐標(biāo)是通過與已有的實(shí)地坐標(biāo)和三維激光掃描儀自身方位定向相結(jié)合，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換多測站點(diǎn)平差獲得測區(qū)大地坐標(biāo)。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

在實(shí)際測量中每個(gè)掃描實(shí)體都有重疊部分，需通過對點(diǎn)云疊加拼接進(jìn)行數(shù)據(jù)插補(bǔ)、平滑、取舍、整合處理得到拼接后的效果圖。三維激光掃描儀有多個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，通過測區(qū)的已有坐標(biāo)系統(tǒng)，將掃描儀得到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一的大地坐標(biāo)系中。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將所有點(diǎn)的云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到1980西安坐標(biāo)系下。將所有測站點(diǎn)的數(shù)據(jù)組合到一起后，不同測站所測的重合數(shù)據(jù)出現(xiàn)較明顯的分成情況，存在一定誤差，經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)檢查、校核、過濾，剔除異點(diǎn)，然后利用RISAMPRO軟件對所有的測站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行多站點(diǎn)平差處理，從而獲得整個(gè)測區(qū)高精度的1980西安坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)高程模型DEM制作

對以上獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行定向建模，采用特征點(diǎn)、線構(gòu)建TIN生產(chǎn)DEM，其中對非地面點(diǎn)的剔除尤為重要。對非地面點(diǎn)的剔除有多種方法，在本方案中利用RISAMPRO軟件的功能，結(jié)合人工判斷的方式將非地面點(diǎn)進(jìn)行剔除。具體操作時(shí)對得到的點(diǎn)云進(jìn)行切片處理，將整個(gè)測區(qū)切分成細(xì)條，通過RISAMPRO軟件的植被剔除功能提取非地面點(diǎn)，剔除后如果還有非地面點(diǎn)，對照每個(gè)測站點(diǎn)的外業(yè)原始記錄，采用人工判斷、修正、干預(yù)方法剔除非地面點(diǎn)，最后得到符合要求的地面點(diǎn)。然后進(jìn)行DEM的制作，采用野外采集法，也即利用三維激光掃描儀在實(shí)地采集地形點(diǎn)、地物點(diǎn)等地形信息。三維激光掃描儀采集的點(diǎn)云密度很高，完全滿足DEM制作精度要求。

2.5 庫容計(jì)算與精度評(píng)價(jià)

該測區(qū)采用三角網(wǎng)數(shù)字地面模型計(jì)算庫容，在外業(yè)測量點(diǎn)的基礎(chǔ)上構(gòu)建不規(guī)則的三角網(wǎng)，這樣更接近實(shí)地地形，計(jì)算結(jié)果精度更高。通過建模計(jì)算該測區(qū)庫容為9810m3，由于計(jì)算庫容的方法不同，其結(jié)果也存在一定差別，通過與傳統(tǒng)方法比較證明采用該方法計(jì)算庫容量精度和準(zhǔn)確性都很高，同時(shí)說明采集點(diǎn)精度決定了庫容的精度，采用三維激光掃描儀采集量大，特別是對地形較復(fù)雜、懸崖峭壁一般無法獲取地形點(diǎn)信息的地方，更能體現(xiàn)出三維激光掃描儀的優(yōu)越性，為設(shè)計(jì)人員提供可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

三維激光掃描儀在水庫大壩變形測量中能夠高精度、高效率采集數(shù)據(jù)，并滿足變形監(jiān)測，達(dá)到規(guī)范要求的各項(xiàng)指標(biāo)。采用三維激光掃描儀測量庫區(qū)庫容，不僅能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)部門提供庫區(qū)三維可視化成果展示，而且使用戶可實(shí)時(shí)在庫區(qū)任意地方進(jìn)行信息查詢和編輯，為后續(xù)與決策提供依據(jù)。