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        基于三維激光掃描技術(shù)的高陡邊坡計(jì)量方法

        2020-04-08 07:27:56歷從實(shí)皇甫澤華王四巍
        河南水利與南水北調(diào) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量

        韓 艷 歷從實(shí) 皇甫澤華 王四巍

        (1 河南省水利第一工程局;2 河南省前坪水庫建設(shè)管理局;3 華北水利水電大學(xué))

        0 引言

        隨著我國綜合國力的提高,水利工程建設(shè)技術(shù)也日新月異、蓬勃發(fā)展,超百米級(jí)高壩層出不窮,水利水電樞紐工程的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大,施工過程中遇到的問題也逐漸加劇,特別是高陡工程邊坡,給工程測(cè)量和地質(zhì)調(diào)查帶來諸多困難。例如在深切峽谷地貌地形中,高陡邊坡地質(zhì)、地形,采用傳統(tǒng)接觸式、單點(diǎn)測(cè)量巖體產(chǎn)狀和工程量,效力低、耗時(shí)長。三維激光掃描技術(shù),又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”,可以遠(yuǎn)距離、短時(shí)間、高精度地獲得目標(biāo)表面的特征點(diǎn),通過對(duì)掃描獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析分析,進(jìn)而可快速、方便、準(zhǔn)確地建立靜態(tài)物體的線、面、體各種制圖數(shù)據(jù)及空間3D 模型和等高線圖,并可通過獲取出露巖石表面產(chǎn)狀要素,對(duì)巖石結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀等地質(zhì)特征進(jìn)行識(shí)別。

        近年來,國內(nèi)不同建設(shè)領(lǐng)域?qū)<液蛯W(xué)者對(duì)不同平臺(tái)下的三維激光掃描技術(shù)在礦山、公路、港口、林業(yè)等行業(yè)進(jìn)行了應(yīng)用和研究。但是,關(guān)于水利工程高陡邊坡的測(cè)量和計(jì)量尚未有公開報(bào)道,由于水利工程具有典型行業(yè)特色,文章開展了三維激光掃描技術(shù)在水利工程高陡邊坡的應(yīng)用研究。前坪水庫工程右壩肩邊坡高陡,平均坡度70°以上,局部反傾,原始地形基巖裸露,無植被,開挖高度近百米,常規(guī)的原始地形測(cè)量方法,測(cè)量人員無法達(dá)到高陡的巖體表面,且危險(xiǎn)性大,測(cè)量效率低,精度差。

        1 三維激光掃描技術(shù)簡介

        1.1 基本原理

        通過激光器發(fā)射紅外線光束,然后光束到旋轉(zhuǎn)式鏡頭的中心,激光接觸到物體后,光束沿著相同的路徑,反射回掃描儀接收器,紅外線之軌跡和時(shí)間等參數(shù)便得以測(cè)量,進(jìn)而測(cè)出與物體之間的距離。然后用編碼器測(cè)量激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度與透鏡的旋轉(zhuǎn)角度,便可測(cè)得每一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值x,y,z。

        1.2 所用掃描儀簡介

        測(cè)量采用美國公司FAROFocus3DX330 三維激光掃描儀,它具有高速和超長距離掃描的特點(diǎn)。它適應(yīng)于對(duì)復(fù)雜地貌地形、坑道隧道、不易靠近的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)筑物進(jìn)行測(cè)量,可廣泛應(yīng)用于隧道、礦山、公路、水利工程、文物測(cè)繪等領(lǐng)域。它擁有以下特點(diǎn):

        掃描儀的視場(chǎng)角為360×300,幾乎沒有限制,能真正的實(shí)現(xiàn)和達(dá)到“所見即所得”的效果;它具有集成式GPS接收器和分辨率達(dá)到7 000萬像素的內(nèi)置相機(jī),能夠使每一次掃描的數(shù)據(jù)與后處理程序相互關(guān)聯(lián),數(shù)據(jù)后處理起來更加方便和快捷;體積小,重量輕,只有5.20 kg,方便攜帶;觸屏操作,連續(xù)掃描時(shí)間可達(dá)4.50 h,掃描點(diǎn)速最快達(dá)976 000 點(diǎn)/s;能達(dá)到測(cè)量級(jí)的點(diǎn)位精度,模型表面的精度±2 mm/10 m(90%)。

        2 三維激光掃描儀測(cè)量方法

        2.1 測(cè)量準(zhǔn)備工作

        掃描測(cè)量前,詳細(xì)踏勘和了解周邊地形地貌等條件;架機(jī)點(diǎn)要架在穩(wěn)固安全地帶,防止翻落,以保證掃描到物體完整的三維數(shù)據(jù);避免在陰雨和高溫天氣情況下工作;掃描時(shí),不在同一條直線上的目標(biāo)點(diǎn),最少布置三個(gè)。為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)拼接和不同坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,在兩次相鄰掃描數(shù)據(jù)中,至少應(yīng)有3個(gè)重合點(diǎn)。

        2.2 掃描測(cè)量

        根據(jù)前坪水庫大壩右岸邊坡現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地貌,為最大限度獲取數(shù)據(jù)點(diǎn),在整個(gè)右岸邊坡沿河床從下游到上游共布置了14 個(gè)測(cè)點(diǎn)站,在坡體公路上設(shè)置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)站。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用SCENE 程序預(yù)處理,點(diǎn)云的拼接對(duì)齊在SCENE 中完成。拼接、對(duì)齊后,得到前坪水庫右岸邊坡點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖1 所示。

        圖1 測(cè)試點(diǎn)云圖

        2.3 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

        在掃描獲取對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí),不可避免含有噪點(diǎn),包括地表植物、樹木和覆蓋物等,因此需要對(duì)點(diǎn)云去噪,如圖2 所示。測(cè)試點(diǎn)云中包含的部分噪點(diǎn),去噪后點(diǎn)云圖如圖3所示。

        2.4 不同坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

        掃描后對(duì)點(diǎn)云圖像進(jìn)行剪輯拼接,首次剪輯拼接的圖像,僅是物體以第一幅點(diǎn)云圖為參考系的空間模型,要使整個(gè)三維模型具有工程研究意義,還要利用儀器自帶的差分GPS接收器或者全站儀將三維模型轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系或工程坐標(biāo)系中。為提高坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度,在控制點(diǎn)選取時(shí)要盡量的多和準(zhǔn)。在掃描中,對(duì)5 個(gè)坐標(biāo)控制點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了坐標(biāo)變換,轉(zhuǎn)換精度分析見表1。由表1可知,5個(gè)控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)值誤差最大量值為1.20×10-2m,經(jīng)5個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)綜合控制校正點(diǎn)云圖像后,在水平坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度上達(dá)到了4.00×10-3m,高程坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到1.20×10-2m,該精度可滿足工程計(jì)量和巖體結(jié)構(gòu)調(diào)查的要求。

        圖2 點(diǎn)云噪點(diǎn)圖

        圖3 拼接去噪后的點(diǎn)云圖

        表1 控制坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度表

        2.4 轉(zhuǎn)換成等高線圖

        將去噪處理后的掃描點(diǎn)云圖用系統(tǒng)自帶軟件生成等高線圖,如圖4所示。白線為等高線,綠線為開挖界線。

        3 工程量計(jì)算

        3.1 計(jì)算原理

        計(jì)算基于掃描處理后生成的等高線、開挖線、和開挖邊坡進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參考圖5,需要計(jì)算開挖體積C,但C的體積不容易計(jì)算,需要算出總體積A,再算出B,進(jìn)而得到開挖體積C的體積。

        圖4 生成的等高線圖

        圖5 計(jì)算原理示意圖

        3.2 計(jì)算步驟

        3.2.1 第一步:計(jì)算總體積A的體積

        計(jì)算的范圍為樁號(hào)0+740~0+818段。在已知的等高線上按坐標(biāo)畫出開挖的范圍,然后只保留開挖界線以內(nèi)的等高線,其他全刪掉,如圖6。

        圖6 開挖界內(nèi)的等高線圖

        將開挖開口線垂直引向地面,與設(shè)計(jì)高程面相交,再把新的等高線處理并且連起來,這樣由垂直面、設(shè)計(jì)高程水平面和等高線所圍成的體積就是總體積A的方量。

        現(xiàn)在計(jì)算A,在CAD中記錄每一層等高線的面積如表2。

        表2 每層等高線面積及體積一覽表

        等高線之間的高程距離為2 m,每段等高線的面積已知,可以用體積微分的方法,把面積疊加起來可以估算出總體積A的體積。

        由表2知,求得總體積A的方量為688 222 m3。

        3.2.2 第二步:計(jì)算B的體積

        將開挖開口線垂直引向地面,與設(shè)計(jì)高程面相交,再將開挖坡比線連起來。由垂直面、設(shè)計(jì)高程水平面和開挖坡比線所圍成的體積就是B體積的方量。設(shè)計(jì)開挖坡比是1:0.75,所形成B的體積比較規(guī)則。

        經(jīng)計(jì)算,B的體積為598 682 m3。

        3.2.3 第三步:計(jì)算C的體積

        用總體積A的體積減去B的體積得出C的體積。

        C=A-B=688222—598682=89540 m3

        得出開挖方量為89540 m3。

        4 不同計(jì)算方法的對(duì)比

        4.1 斷面法計(jì)算方量

        用斷面法計(jì)算的方量見表3。

        表3 右壩肩斷面法石方開挖工程量計(jì)算表

        由表3可知,計(jì)算方量為86 163.12 m3。與三維激光掃描法相比,工程量少3.77%。

        4.2 臺(tái)階法計(jì)算方量

        前坪水庫右壩肩開挖從上到下共分17 層臺(tái)階進(jìn)行開挖,每階開挖高度約5 m,用臺(tái)階法計(jì)算的方量為91 500 m3。與三維激光掃描法相比,工程量多2.19%。

        5 結(jié) 論

        前坪水庫在建設(shè)過程中,針對(duì)右壩肩高陡邊坡測(cè)量時(shí)存在效率低下、人員無法靠近高陡的巖體表面、難以到達(dá)所需測(cè)量區(qū)域,且危險(xiǎn)性大等問題,采用激光三維掃描技術(shù),對(duì)岸坡進(jìn)行三維掃描,然后對(duì)云點(diǎn)圖進(jìn)行去噪、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、等高線轉(zhuǎn)換等處理,之后用等高線法進(jìn)行計(jì)算,并與傳統(tǒng)的斷面法、臺(tái)階法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。得出結(jié)論如下:一是采用激光三維掃描技術(shù)對(duì)高陡岸坡開挖進(jìn)行測(cè)量計(jì)量,計(jì)算結(jié)果正確。該辦法在高陡邊坡及類似人工不能到達(dá)工作面的困難條件下進(jìn)行測(cè)量具有安全、高效、精度高等優(yōu)點(diǎn)。二是采用激光三維掃描技術(shù)對(duì)高陡岸坡開挖測(cè)量計(jì)量結(jié)果與采用斷面法、臺(tái)階法計(jì)算結(jié)果基本吻合,可以作為工程計(jì)量的參考依據(jù)。

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