任立華 ，康 勇 ，劉永寬 ，劉安濤 ，

（1.中國電建集團河北省電力勘測設計研究院有限公司，河北 石家莊 050031；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司滄州供電分公司，河北 滄州 061000）

0 引言

地面三維激光掃描技術是近年來出現(xiàn)的一種新技術，又稱實景復制技術，是一種建立在測量學科、儀器光電子學科、圖形圖像處理等多種學科基礎上的綜合性技術[1-3]。目前，我國特高壓線路正處于建設高峰期，對于輸電線路勘測設計要求也越來越高，而三維激光掃描技術能很好地應對這一問題。三維激光掃描技術可獲取線路走廊的影像及點云數(shù)據(jù)，包括高精度數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）以及建（構） 筑物和植被等形態(tài)高度信息，滿足路徑優(yōu)化、平斷面測繪、數(shù)字三維平臺建立、三維可視化管理、施工驗收及運維檢修等輸電線路相關工作要求，與傳統(tǒng)測量方式相比，在質(zhì)量、管理、效率等方面都得到很大的提高。

1 地面三維激光掃描技術原理與特點

地面三維激光掃描技術核心是高性能的激光測距儀，利用激光測距的原理，一次性獲取成千上萬個目標點的距離值，并利用其他輔助測量設備確定發(fā)射點的位置和姿態(tài)，進而獲取目標點的三維坐標、反射率和紋理等信息，構建高精度、高分辨率的地表模型及真實三維建模。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，打破了傳統(tǒng)單點測量的測量方式，實現(xiàn)了面體測量的技術革命。

地面三維激光掃描技術具有以下技術特點：第一，掃描速度快，可達每秒幾十萬測點；第二，掃描精度高，可達到毫米級；第三，使用紅外激光，無需燈光照明，可在黑暗條件下獲取影像及坐標信息；第四，實現(xiàn)單點測量到面、體式測量的測繪革命；第五，快速獲取空間三維數(shù)字化信息，方便三維建模，實現(xiàn)物體的三維測量、模擬和分析。

2 地面三維激光掃描技術作業(yè)方案的實施

地面三維激光掃描技術利用激光測距原理獲得真三維幾何結構形狀的表面三維信息。外業(yè)掃描測量時，選擇合適的掃描架站位置尤為重要。掃描架站選擇的原則為架站點應空曠，地物盡量單一，易于獲取地物點云數(shù)據(jù)。掃描角度范圍可根據(jù)物體高度和距離而設定，控制反射棱鏡勻速轉(zhuǎn)動；盡量用最少架站數(shù)、最少的點云數(shù)據(jù)量實現(xiàn)物體的點云掃描，減少多余噪聲數(shù)據(jù)。具體作業(yè)流程如圖1 所示。

圖1 三維激光掃描儀作業(yè)流程圖

2.1 確定掃描計劃

外業(yè)掃描前，先根據(jù)現(xiàn)場情況制訂詳細的掃描計劃，確定恰當?shù)牟蓸用芏?，確定掃描角度；根據(jù)掃描儀的測程特點，選擇合理的物體掃描距離和架站位置等；盡量用最少的掃描站數(shù)保證被掃描場景點云數(shù)據(jù)完整。

2.2 點云外業(yè)掃描

按照掃描計劃，在預設的架站位置架設儀器。首先新建一個掃描項目文件，把預設的參數(shù)輸入掃描儀中，根據(jù)效果進行調(diào)整；然后依次獲取三維場景點云數(shù)據(jù)；掃描結束后，現(xiàn)場分析采集到的數(shù)據(jù)是否符合要求，進行初步的質(zhì)量分析和控制。若發(fā)現(xiàn)有漏洞，應立即進行補測掃描工作，保證三維場景的完整性和一致性。

2.3 點云內(nèi)業(yè)處理

2.3.1 點云拼接

所謂點云拼接，就是將不同坐標系下的多站點云數(shù)據(jù)糾正到統(tǒng)一的坐標系下[4]。常用的點云拼接方法有標靶拼接、特征點拼接及控制點拼接3 種?；蚋鶕?jù)標靶、或根據(jù)特征點、或根據(jù)控制點，利用多站點云數(shù)據(jù)間的重疊公共點云，進行點云整體糾正，完成多站點云的匹配拼接。

2.3.2 點云濾波

由于各種原因，三維掃描儀獲取的數(shù)據(jù)可能存在噪聲點，這主要是由掃描系統(tǒng)本身的誤差、外界引起的偶然誤差或掃描對象表面因素產(chǎn)生的誤差等造成的。目前，點云濾波常用的方法為高斯濾波、中值濾波、平均濾波、魯棒濾波、雙邊濾波等算法或是在此基礎上的改進算法。

2.3.3 點云分類

三維激光掃描儀能獲取地面、樹木、房屋、架空管線等多種類別點云數(shù)據(jù)，點云分類主要基于點云高程突變或反射率值等進行，根據(jù)高程變化、坡度變化、分布形狀等特征來判斷分類。對于形狀規(guī)則、空間特征明顯的地物，可通過參數(shù)設置，利用軟件自動提取分類，如建筑物、電力塔等；也可利用基于反射強度、回波次數(shù)、地物形狀等的算法或算法組合，對點云數(shù)據(jù)進行人機交互方式輔助分類或自動分類。

2.3.4 模型建立

在點云建模過程中，點云分割是模型構建方面的熱點，目前主要有基于邊界的分割、基于表面的分割、基于掃描線的分割3 種方法[5]。通常使用平面、自由曲面、球面、圓柱面等幾何面進行劃分，根據(jù)需要把點云分割成不同的集合，以進行線性擬合、曲線擬合等模型構建?？刹捎肅yclone 軟件，采用區(qū)域增長算法分割點云數(shù)據(jù)，或根據(jù)模型庫的組件進行自動分割，完成曲面擬合，建立目標物的表面模型。

對曲率變化大的復雜點云實體數(shù)據(jù)進行擬合，即使專業(yè)軟件處理也很困難，導致曲面數(shù)學模型和處理算法難以整體建立，無法準確、真實地表達精細的整體點云實體。針對復雜三維建模，可采用“先分割再拼接”的思路，最后進行整體匹配恢復原始實體的形狀[6-7]。

2.4 三維模型立體量測

在點云三維模型中，通過構建輔助線、輔助面等手段，準確獲取待求信息，包括導線對地、房屋、道路、電力線等跨越物的安全距離，鐵塔與線路元件間的安全距離等，實現(xiàn)線路路徑最優(yōu)化，為線路施工檢查驗收和運維提供準確的信息，為后續(xù)解決方案提供可靠的基礎數(shù)據(jù)支撐。

3 地面三維激光掃描技術的實際應用

在準東—華東±1 100 kV 特高壓直流輸電工程中，河北省電力勘測設計研究院利用地面三維激光掃描儀ScanStation P40，以100 萬個/s 激光點的采集速度，對工程重要區(qū)段進行三維激光掃描測量，實現(xiàn)線路場景真三維可視化。工程主要對京廣高鐵、滬陜高速、京廣鐵路、500 kV 浉河—嵖岈線路、重要擋間樹木等進行了掃描測量，構建了地物真實三維模型。后期項目投運前，對鐵塔進行安全距離檢查，包括耐張串下傾角度，跳線均壓環(huán)距耐張串三角聯(lián)板最小空間距離，軟跳線平弧垂，跳線對塔身最小空間距離等的測量。

3.1 交叉跨越測量

地面激光掃描技術在計算架空線路等交叉跨越高度、距離方面有著天然的優(yōu)勢。通過對已建電力線點云數(shù)據(jù)進行分類處理，可獲取該線路的平面位置、導線高度、地線高度、桿塔塔型等信息，并在此基礎上，按照設計要求，對其賦予屬性，提高勘測設計精度，方便開展后續(xù)計算、排塔與展示，實現(xiàn)勘測設計最優(yōu)化。

3.2 樹木最小垂直距離與最小凈空測量

在線路建設的樹木砍伐方面，尤其是砍伐許可、砍伐量等受限制的情況下，通過構建三維點云模型，可直觀地判斷需砍伐植被的位置，經(jīng)空間計算分析，準確計算需砍伐植被的面積，從而避免不必要的植被砍伐，減少線路建設對環(huán)境的破壞，實現(xiàn)“不伐整株樹木、砍伐零星枝杈”滿足工程要求的目標。

施工驗收階段，項目對11 處緊張擋進行了最小垂直距離或最小凈空測量檢查。通過三維全景掃描，建立林木跨越段點云模型，并進行全站儀距離復測，最后結合檢修部門的工測數(shù)據(jù)，進行對比分析（如表1 所示）。從表1 發(fā)現(xiàn)，全站儀、人工測量數(shù)值一般要大一些，這是由于這兩種方法不容易確定點到線、點到面的空間關系，往往測量的不是空間最短距離。三維激光掃描儀能發(fā)揮點云高精度、高密度的特點，再現(xiàn)樹木等真實實體，建立可靠、準確的空間關系，測量數(shù)值精度更高。

表1 測量數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計

3.3 鐵塔安全距離測量

項目投運前，利用三維激光掃描儀與全站儀對鐵塔分別進行耐張串下傾角度、跳線均壓環(huán)距耐張串三角聯(lián)板最小空間距離、軟跳線平弧垂、跳線對塔身最小空間距離、均壓環(huán)至鐵塔安全距離等檢查工作，測量部分數(shù)據(jù)如表2 所示。經(jīng)對比分析，全站儀在能準確確定點位的情況下，測量結果與三維激光掃描儀非常接近，誤差在厘米級；而在點位判斷困難的情況下，兩者相差較大，這是由于全站儀可進行點到點的量測而無法滿足復雜空間距離量測的緣故。

4 結束語

本文結合準東—華東±1 100 kV 特高壓直流輸電工程，利用地面三維激光掃描技術，對線路重要跨越進行三維激光掃描測量，構建高精度三維場景，相比全站儀、GPS 等傳統(tǒng)測量手段，三維激光掃描測量打破了單點測量、建模困難的傳統(tǒng)弊端，實現(xiàn)面狀測量，發(fā)揮其智能程度高、非接觸空間測量優(yōu)勢，可快速建立物體的三維點云模型，真實再現(xiàn)線路走廊場景，其距離量測更方便、快捷、可靠，空間距離量測精度達到厘米級，且能輕易實現(xiàn)傳統(tǒng)方法很難完成的測量任務，極大地節(jié)省了外業(yè)工作時間與項目成本。

表2 掃描儀與全站儀安全距離量測對比

三維激光掃描技術可在線路勘測設計、施工驗收與運維檢修等階段發(fā)揮很好的作用，既可有助于路徑優(yōu)化、線高測量、樹木精確砍伐與房屋拆遷統(tǒng)計，又能在鐵塔傾斜、安全距離檢查等工況分析發(fā)揮優(yōu)勢，應用前景廣闊。