任　彤，吳昱樨

（海河水利委員會水文局，天津　300170）

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地面三維激光掃描儀在水利工程地形測繪中的應(yīng)用

任彤，吳昱樨

（海河水利委員會水文局，天津300170）

摘 要：三維激光掃描技術(shù)作為近些年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，越來越多地應(yīng)用到水利行業(yè)。以獨流減河防潮閘周邊地形測繪為例，介紹了三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集和處理方法，獲得了DEM數(shù)據(jù)和防潮閘三維模型等成果，最后對三維激光掃描儀在水文應(yīng)急監(jiān)測中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；水利工程；點云數(shù)據(jù)；DEM；三維建模；應(yīng)急監(jiān)測

1　引言

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種快速獲取空間三維信息的新技術(shù)。與傳統(tǒng)單點測量方法相比，它具有無接觸、高自動化、高精度、測量方式靈活等特點，能夠快速、精確地完成對目標(biāo)區(qū)域的地形測量。在水利工程地形測繪中，由于周邊地況較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)測量手段需消耗大量人力物力，且測量精度很難達(dá)到要求［1］，三維激光掃描儀的無接觸測量方式就成為解決此類問題的一條新途徑。筆者以獨流減河防潮閘（以下簡稱防潮閘）周邊地形掃描為例，介紹地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集流程和數(shù)據(jù)處理方法，并對獲取數(shù)字高程模型（DEM）和三維建模的技術(shù)、方法進(jìn)行詳細(xì)探討。

2　三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀通過激光測距原理，瞬時獲取物體表面的空間三維數(shù)據(jù)，稱為點云數(shù)據(jù)。根據(jù)掃描儀搭載的運(yùn)行平臺不同，可分為空中機(jī)載掃描儀、地面掃描儀和便攜式掃描儀。地面三維激光掃描儀主要由激光掃描系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、軟件控制平臺、內(nèi)部校正系統(tǒng)和電源及其他附件構(gòu)成。三維激光掃描儀一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，XOY平面為水平面，Y軸為掃描轉(zhuǎn)向方向，Z軸為垂直方向，掃描儀發(fā)射激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射，接收器接收沿相同路徑返回的激光脈沖信號，同時測量每個激光脈沖水平掃描角度α和垂直方向角度θ，如圖1所示。

圖1　三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)發(fā)射和接收的時間差原理，計算出被測點與掃描儀之間的距離值S。通過式（1），可確定被測物體在坐標(biāo)系中的空間三維坐標(biāo)［2］。

3　實例分析

防潮閘位于獨流減河入?？谔帲冀ㄓ?967年，主要功能是擋潮御沙、汛期泄洪、調(diào)度控制水位。經(jīng)改建后防潮閘共26孔，其中過流孔22孔、非過流孔4孔，每孔凈寬10 m，閘室總寬287.2 m。近兩年，由于排泥場、碼頭的興建，防潮閘周圍地形發(fā)生變化，為分析變化情況，需對防潮閘周邊大約5 km2范圍的地形進(jìn)行測量。防潮閘下游多以灘、洼地為主，且多處區(qū)域正在施工，測量條件較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)GPS和全站儀無法完成測量，而使用地面三維激光掃描儀可以精確、快速地獲取變化后的地形數(shù)據(jù)。

3.1軟硬件平臺介紹

本次掃描采用奧地利RIEGL公司VZ-4000型地面三維激光掃描儀。VZ-4000是一款基于脈沖激光測量的長距離三維激光掃描儀，掃描距離達(dá)4 km，可進(jìn)行水平360°、垂直60°（俯仰角各30°）的掃描，掃描精度可達(dá)15 mm，內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)可在掃描結(jié)束后自動獲取目標(biāo)圖像。

點云基礎(chǔ)處理軟件RiSCAN PRO是VZ-4000型三維激光掃描儀配套軟件，可實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪、過濾、抽稀、導(dǎo)出等功能。

3DReshaper是由法國Technodigit公司開發(fā)的一款點云后處理和應(yīng)用軟件，具有地形地物分離、三維建模（生成DTM）和模型優(yōu)化等功能，并可對模型進(jìn)行紋理映射、局部提取量測和特征線分析等。

除上述主要軟硬件平臺外，還用到的輔助設(shè)備有：①Trimble R8 GPS，動態(tài)測量精度水平8 mm+1 ppm RMS、垂直15 mm+1 ppm RMS；②Motoar Sky MS670四旋翼無人機(jī)，續(xù)航時間80 min，最大飛行高度1 000 m，搭載索尼a5100微單相機(jī)，有效像素2 010萬。

3.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為點云數(shù)據(jù)采集、測站坐標(biāo)信息采集和圖像采集，數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

（1）現(xiàn)場查勘定站。RIEGL VZ-4000掃描儀采取定點掃描方式，每次掃描只能獲取掃描對象某一部分點云數(shù)據(jù)，所以首先要對被掃描物體及周圍環(huán)境進(jìn)行考察，布設(shè)多個掃描站點對物體進(jìn)行掃描，以獲得目標(biāo)完整的點云信息。其原則是在保證數(shù)據(jù)獲取完全、滿足數(shù)據(jù)處理對點云要求的前提下，選擇盡量少的站點，提高工作效率。由于防潮閘周圍地況較為復(fù)雜，缺少視野寬闊的制高點，為保證數(shù)據(jù)完整性，經(jīng)過實地勘察，決定布設(shè)11個掃描站，其中001、007、008站分別架設(shè)在屋頂和橋上，其余掃描站均架設(shè)在局部地勢較高區(qū)域。掃描范圍和站點位置，如圖3所示。

圖3　掃描范圍及站點位置

（2）粗掃。在具體的從某一個方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行掃描尤其是對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行掃描時，目測很難判斷目標(biāo)所在的角度范圍。所以，在掃描過程中，每一站都先進(jìn)行360°全景掃描，其得到的點云圖稱為粗掃圖。

（3）目標(biāo)區(qū)域精掃。在粗掃圖上框選精掃目標(biāo)，同時調(diào)整點間距和激光發(fā)射角分辨率2個參數(shù)進(jìn)行精確掃描，得到的數(shù)據(jù)稱為原始點云數(shù)據(jù)，如圖4所示（以001站為例）。

圖4 原始點云數(shù)據(jù)

（4）獲取站點位置信息。掃描儀在進(jìn)行每一站掃描時都會建立獨立的坐標(biāo)系，我們需要獲取各站的坐標(biāo)信息進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一，即數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。由于防潮閘周圍缺少控制點，我們假設(shè)閘管所內(nèi)一點為控制點，坐標(biāo)為（10 000，5 000，20），每站掃描完畢后量取儀器高度，后使用RTK測量掃描儀所在位置地面點坐標(biāo)。站點坐標(biāo)信息，見表1。

（5）獲取目標(biāo)影像圖片。在利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模時，為達(dá)到還原真實的效果，需使用實拍照片對模型作無變形紋理映射。由于掃描范圍較大、地物遮擋較為嚴(yán)重，掃描儀內(nèi)置相機(jī)很難獲取到完整的影像圖片，所以我們借助無人機(jī)的航拍功能來完成。在給定航拍范圍后，Motoar Sky MS670無人機(jī)可自動規(guī)劃飛行路徑進(jìn)行全景拍攝，極大地提升了工作效率。

3.3數(shù)據(jù)處理流程與關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)點云數(shù)據(jù)特點，三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示。

圖5三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理過程

3.3.1點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

在原始點云數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)冗余點，我們稱為噪點。這些點對后期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和建模有很大影響，所以要對點云進(jìn)行去噪處理。由掃描儀自身掃描特性決定，一些遠(yuǎn)距離的點云數(shù)據(jù)會以噪帶方式顯示，我們使用RiSCAN PRO中MTA功能對噪帶作點云還原處理。受陽光和空氣懸浮顆粒物等外部條件影響，數(shù)據(jù)中會出現(xiàn)離散的噪點，這些點的激光反射率、振幅等參數(shù)與正常數(shù)據(jù)有較大差異。在去噪工具中設(shè)定Reflection和Amplitude的閾值，噪點將自動被過濾刪除。原始數(shù)據(jù)中還存在剩余噪點、水下倒影和移動物體的拖影等無用數(shù)據(jù)，要進(jìn)行手動刪除。

3.3.2點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

要獲取目標(biāo)完整的三維數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行多測站掃描。每一站點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是相互獨立的，那么就需要將每站點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系里，統(tǒng)一坐標(biāo)系的過程稱為點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，也稱數(shù)據(jù)拼接。在點云數(shù)據(jù)拼接過程中，會對坐標(biāo)系進(jìn)行三維變換，如平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等，其實質(zhì)就是三維圖形的變換和處理［3］。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度直接影響著三維建模的精度，因此點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。

（1）坐標(biāo)系及有關(guān)概念說明。Seanner's Own Coordinate System（SOCS）即掃描儀坐標(biāo)系，也就是掃描儀自身的局部坐標(biāo)系。Project Coordinate System （PRCS）即項目坐標(biāo)系，是一種局部坐標(biāo)系，在使用特征點拼接中可將各站局部坐標(biāo)系統(tǒng)移到項目坐標(biāo)系中。Global Coordinate System（GLCS）即全局坐標(biāo)系，也稱全球坐標(biāo)系，是通過GPS或全站儀獲取的位置信息定義的坐標(biāo)系，可以看作是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的一種。

各坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換方式如圖6所示，圖中下標(biāo)SP代表SOCS、下標(biāo)PR代表PRCS、下標(biāo)GL代表GLCS。Msop（SOP）是把掃描儀坐標(biāo)系變換成項目坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，Mpop（POP）是把項目坐標(biāo)系變換成全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

圖6坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換方式

（2）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。通過圖形變換可以實現(xiàn)對三維圖形的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，這就等同于對局部坐標(biāo)系進(jìn)行的相應(yīng)變換。圖形坐標(biāo)變換是點云拼接的基本原理，點云拼接的任務(wù)就是找到局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。多視站點云拼接只涉及點云的平移與旋轉(zhuǎn)，不包含投影和縮放，其三維坐標(biāo)系變換矩陣形式為：

將RTK測量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入RiSCAN PRO軟件中，軟件會聯(lián)合本站的電子羅經(jīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行后視定向計算，確定旋轉(zhuǎn)與平移矩陣參數(shù)，得到矩陣T3D，即SOP （Msop），如圖7（以001站為例）所示。

在計算過程中，項目坐標(biāo)系（PRCS）與全局坐標(biāo)系（GLCS）默認(rèn)是相同的，POP（Mpop）為單位矩陣。分別計算后，11站全部轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系，拼接完成。

圖7　001站坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣

3.3.3基于點云數(shù)據(jù)的三維建模

將拼接好的點云數(shù)據(jù)建立網(wǎng)格模型是點云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟，它直接關(guān)系到DEM數(shù)據(jù)的獲取和模型的應(yīng)用。根據(jù)三維模型自身特點，模型構(gòu)建可以分為2種方法［4］：一種是幾何模型重建，常用在規(guī)則物體的建模中，利用幾何體如平面、柱體、四面體等對物體進(jìn)行擬合；另一種是三維表面模型重建，根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限個點集將區(qū)域劃分為相連的不規(guī)則三角面網(wǎng)絡(luò)，在區(qū)域中任意點云數(shù)據(jù)落在三角面的頂點、邊上或三角形內(nèi)，利用三角網(wǎng)格逼近掃描物體表面。

為獲取有效的DEM數(shù)據(jù)和真實的建模效果，需對點云數(shù)據(jù)作分割提取，將地物、植被等數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)分離。使用3DReshape軟件中地形提取功能，可自動生成地形三角網(wǎng)模型，即DEM數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8　地形數(shù)字高程模型

該數(shù)據(jù)可以.obj和.tif等格式導(dǎo)出作后期應(yīng)用。對于閘體和房屋，3DReshape可將物體的輪廓線、截面線提取出來，然后通過拉伸、填充等操作完成三維模型的建立。防潮閘及部分房屋模型，如圖9所示。

圖9　防潮閘和房屋模型

3.3.4紋理映射

精確建立三維模型后，為了描述具有真實感的物體、增強(qiáng)物體表面細(xì)節(jié)的表現(xiàn)力，需使用實拍圖片對模型作無變形紋理映射。確定各幅照片與三維模型之間的映射關(guān)系，即要解決照片與三維模型的配準(zhǔn)問題。與3.3.2節(jié)中點云配準(zhǔn)類似，紋理映射也是通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方式實現(xiàn)。

數(shù)碼相機(jī)成像可通過4個坐標(biāo)系的3次轉(zhuǎn)換來表達(dá)，即全局坐標(biāo)系（Xw，Yw，Zw）到相機(jī)坐標(biāo)系（Xc，Yc，Zc）的轉(zhuǎn)換、相機(jī)坐標(biāo)系（Xc，Yc，Zc）到圖像坐標(biāo)系（X，Y）的轉(zhuǎn)換、圖像坐標(biāo)系（X，Y）到像素坐標(biāo)系（U，V）的轉(zhuǎn)換。根據(jù)相機(jī)針孔成像模型和坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移變換矩陣，對空間中任意一點P可通過式（3）建立世界坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系［5］。

式中：f為鏡頭到成像平面的距離；R，T為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

由式（3）可知相機(jī)的待標(biāo)定參數(shù)有10個，即4個內(nèi)部參數(shù)（f/dx、f/dy、u0、v0）以及R、T各有的3個外部參數(shù)。其中，相機(jī)內(nèi)部參數(shù)主要與相機(jī)鏡頭的焦距、光圈大小等參數(shù)有關(guān)，外部參數(shù)主要與相機(jī)拍攝時的姿態(tài)、高度等參數(shù)有關(guān)。在使用3DReshape進(jìn)行紋理映射時，通過指定圖像和模型中對應(yīng)的特征點（不少于10個），軟件將計算出相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，將像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系，完成無變形紋理映射。模型效果，如圖10所示。

4　總結(jié)與展望

三維激光掃描儀這種無接觸、高自動化、高精度的測量方式較傳統(tǒng)測量方式有很大的優(yōu)勢，在地況較復(fù)雜的水利工程地形測繪中更是一條捷徑。筆者通過對防潮閘周邊地形掃描，介紹了三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集處理的流程和方法，并對數(shù)據(jù)處理中的點云拼接、三維建模和紋理映射技術(shù)作了詳細(xì)的探討，最后獲得防潮閘及周邊區(qū)域的三維紋理模型和DEM數(shù)據(jù)。

圖10紋理效果

后期應(yīng)用中，對于建好的紋理模型可通過3DMax軟件進(jìn)行渲染，利用Converse3D或VRP等虛擬現(xiàn)實軟件實現(xiàn)操作者與模型的三維交互。水文應(yīng)急監(jiān)測中，對于山體滑坡形成堰塞湖的情況，我們可將滑坡后掃描數(shù)據(jù)與滑坡前的DEM數(shù)據(jù)作對比分析，計算出滑坡量和堰塞體的體積，為搶險決策提供數(shù)據(jù)支持。三維激光掃描儀在水工建筑物的變形監(jiān)測和蓄滯洪區(qū)地形測繪等水文監(jiān)測領(lǐng)域存在巨大潛力，需要我們進(jìn)一步探索與研究。

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中圖分類號：TV221.1；P217

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-7328（2016）01-0054-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.020

收稿日期：2015—11—10

作者簡介：任彤（1990—），男，助理工程師，主要從事水文應(yīng)急監(jiān)測工作。