劉峰 李鵬飛 高興國(guó)

摘 要：本文利用RIEGL三維激光掃描技術(shù)提取某變電站擴(kuò)建項(xiàng)目的三維空間數(shù)據(jù)，經(jīng)過測(cè)站間匹配后，建立其三維表面模型。然后，根據(jù)生成的三維模型提取變電站重要部位的點(diǎn)、線、面，生成設(shè)計(jì)專業(yè)所需的立體圖、側(cè)面圖和平面圖。與傳統(tǒng)全站儀測(cè)量方法相比，新方法提供三維可視化圖形，工作效率高，并保證相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：RIEGL三維激光掃描技術(shù)；三維模型；點(diǎn)、線、面；立體圖；側(cè)面圖；精度評(píng)定

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.172

1 引言

隨著地面三維激光掃描技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，無(wú)論是從儀器的精度還是軟件更新，都在不斷的完善和進(jìn)步[1]。其非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)可以使其很好地應(yīng)用于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作環(huán)境危險(xiǎn)的變電站擴(kuò)建項(xiàng)目[2-3]，獲取的海量三維數(shù)據(jù)，可以更精細(xì)的對(duì)變電站架構(gòu)、走線進(jìn)行局部表達(dá)。不僅從一定程度上節(jié)省人力，而且可以通過海量數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)專業(yè)提供不同需求的參數(shù)，這些特點(diǎn)為其在變電站擴(kuò)建項(xiàng)目中的應(yīng)用提供良好的基礎(chǔ)。

因此，本文利用RIEGL三維激光掃描技術(shù)對(duì)某變電站擴(kuò)建項(xiàng)目進(jìn)行掃描作業(yè)，對(duì)控制網(wǎng)布設(shè)、測(cè)站分布、標(biāo)靶布置、數(shù)據(jù)去噪、測(cè)站配準(zhǔn)、特征點(diǎn)、線、面提取等進(jìn)行研究，意在通過三維激光掃描技術(shù)獲取的高精度海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，高效構(gòu)變電站局部精細(xì)的三維模型，從而為設(shè)計(jì)專業(yè)提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料，形成外業(yè)數(shù)據(jù)采集及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的流程化，以提高測(cè)繪產(chǎn)品生產(chǎn)效率，保證成果精度。

2 硬軟件介紹

2.1 RIEGL VZ400I三維激光掃描儀

RIEGL VZ-400I三維激光掃描成像系統(tǒng)擁有RIEGL獨(dú)一無(wú)二的全回波技術(shù)和實(shí)時(shí)全波形數(shù)字化處理和分析技術(shù)，每秒可發(fā)射高達(dá)1200，000點(diǎn)的纖細(xì)激光束。其高精度高速激光測(cè)距可同時(shí)探測(cè)到多重乃至無(wú)窮多重目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息，是傳統(tǒng)單次回波反映物體技術(shù)所無(wú)法比擬的。除此之外，基于RIEGL獨(dú)特的多棱鏡快速旋轉(zhuǎn)掃描技術(shù)，能夠產(chǎn)生完全線性、均勻分布、單一方向、完全平行的掃描激光點(diǎn)云線。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）測(cè)量距離：可達(dá)800m；

（2）精度：可達(dá)5mm；

（3）重復(fù)精度：可達(dá)3mm；

（4）掃描角度范圍：垂直100°（+60°/-40°）；水平360°；

（5）激光發(fā)射頻率高達(dá)120萬(wàn)點(diǎn)/秒。

2.2 主要應(yīng)用軟件

2.2.1 RIEGL三維激光掃描儀軟件—Riscan PRO

Riscan PRO是RIEGL地面三維激光掃描系統(tǒng)的配套軟件，以樹狀結(jié)構(gòu)方式，系統(tǒng)的將用戶的測(cè)量數(shù)據(jù)、影像、坐標(biāo)系統(tǒng)完整的存儲(chǔ)在Riscan PRO中，以方便用戶的編輯及查閱[4-6]。其中包括掃描站、精細(xì)掃描數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、控制點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)靶點(diǎn)，以及拼接完好的每站點(diǎn)云及大地坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件—Autodesk ReCap

Autodesk ReCap軟件是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，它可以通過引用多個(gè)索引的掃描文件（RCS）來(lái)創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)云投影文件（RCP）。該軟件默認(rèn)隨AutoCAD 2014一起安裝?？梢酝ㄟ^Windows開始菜單或從Autodesk ReCap桌面圖標(biāo)中啟動(dòng)它。Autodesk ReCap將掃描文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點(diǎn)云格式，使其能在其它產(chǎn)品中查看和編輯。Autodesk ReCap處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)集，能夠聚合掃描文件，并對(duì)其進(jìn)行清理、分類、空間排序、壓縮、測(cè)量和形象化。

3 項(xiàng)目實(shí)例

3.1 控制網(wǎng)布設(shè)

根據(jù)測(cè)區(qū)情況，布設(shè)4個(gè)一級(jí)導(dǎo)線控制點(diǎn)，平均邊長(zhǎng)約60m，采用Leica TS06全站儀進(jìn)行角度和邊長(zhǎng)測(cè)量，測(cè)得角度閉合差為-12"，測(cè)角中誤差為3.75"，最弱邊相對(duì)測(cè)距中誤差為1/47000，滿足工程測(cè)量一級(jí)導(dǎo)線的精度要求。

3.2 測(cè)站布設(shè)

本次所測(cè)變電站設(shè)備機(jī)組普遍高度較高，細(xì)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。掃描儀布站本著由遠(yuǎn)至近原則，先在距離機(jī)組較遠(yuǎn)位置架若干站，采集整體場(chǎng)站點(diǎn)云及周邊環(huán)境。再將掃描儀架設(shè)至各機(jī)組近處，采集設(shè)備機(jī)組細(xì)節(jié)信息。三維激光掃描儀在本次測(cè)量工作中全程開啟獲取彩色點(diǎn)云，為后續(xù)的內(nèi)業(yè)處理工作提供更加直觀便利的條件。本次作業(yè)，共采集22站數(shù)據(jù)，其中遠(yuǎn)距離約12站，近距離約10站。

3.3 三維點(diǎn)云模型建立

首先，導(dǎo)入原始掃描數(shù)據(jù)自動(dòng)解壓后對(duì)采集的單站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理去噪。然后，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)生成所有測(cè)站的公共面片（Riscan PRO通過各站點(diǎn)之間公共部分所生成的公共面片可以自動(dòng)對(duì)多站點(diǎn)之間的點(diǎn)云位置進(jìn)行自動(dòng)拼接平差處理）。最后，使用軟件自帶的多站點(diǎn)自動(dòng)拼接功能進(jìn)行多站點(diǎn)自動(dòng)拼接，拼接完成后彈出拼接精度檢查報(bào)告（見圖1），得到完整的實(shí)景三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

由圖1可知，點(diǎn)云配準(zhǔn)殘差符合高斯分布特點(diǎn)，主要的值分布在0附近，大的差值明顯少于小的差值，正負(fù)差值數(shù)量基本一致，統(tǒng)計(jì)后標(biāo)準(zhǔn)差STD為0.006m，說(shuō)明配準(zhǔn)后生成的三維點(diǎn)云模型（見圖2）精度滿足工程要求。

3.4 特征點(diǎn)、線、面提取

根據(jù)設(shè)計(jì)專業(yè)的需求，利用導(dǎo)入到CAD軟件的點(diǎn)云，提取重點(diǎn)架構(gòu)的立體圖（見圖4）和側(cè)面圖（見圖5）。

利用高精度的點(diǎn)云模型，利用CAD軟件，提取局部高精細(xì)的特征線，生成如圖4的立體圖和圖5的側(cè)面圖。在立體圖和側(cè)面圖中，設(shè)計(jì)專業(yè)可以量取相應(yīng)架構(gòu)的距離、構(gòu)筑物的長(zhǎng)度、寬度，從而獲取準(zhǔn)確的避讓距離，確定擴(kuò)建變壓器的位置，實(shí)現(xiàn)帶電不停電環(huán)境的三維設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

3.5 精度評(píng)定

為評(píng)定生成的立體圖、側(cè)面圖及平面圖的精度，利用傳統(tǒng)的Leica TS06全站儀對(duì)相同部件的長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

RIEGL代表掃描儀成果，LS06代表全站儀成果，共對(duì)20個(gè)部件進(jìn)行了對(duì)比，最大差值約12mm，平均差值約1.65mm，均方根誤差約6.47mm，說(shuō)明二者精度一致。

4 分析與結(jié)論

通過對(duì)某變電站擴(kuò)建項(xiàng)目的實(shí)例，總結(jié)利用RIEGL三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行作業(yè)的流程，包括：

（1）外業(yè)數(shù)據(jù)采集：如何設(shè)置測(cè)站及標(biāo)靶位置，如何設(shè)置掃描儀掃描頻率及強(qiáng)度，如何設(shè)置相機(jī)參數(shù)等；

（2）數(shù)據(jù)處理：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后進(jìn)行點(diǎn)云去噪和測(cè)站配準(zhǔn)，平差結(jié)果的殘差需滿足高斯分布的要求；

（3）特征線提?。杭羟兄匾课坏狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)，適當(dāng)抽稀后，轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入到CAD軟件，根據(jù)點(diǎn)云模型進(jìn)行特征線提取。

結(jié)果表明，RIEGL三維激光掃描儀可用于困難測(cè)量區(qū)域的三維點(diǎn)云建模，生成高精度的立體圖、側(cè)面圖和平面圖，極大提高工作效率，保障作業(yè)人員安全，為設(shè)計(jì)專業(yè)提供準(zhǔn)確基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：劉峰（1986-），男，山東濟(jì)南人，本科，工程師，注冊(cè)測(cè)繪師，主要從事電力工程測(cè)繪工作。