盧勤秀，龍超，曾飛翔，付文博

(1.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081；2.電金沙江上游開發(fā)有限公司葉巴灘分公司，四川 成都 610041)

1 引 言

三維激光雷達[1]是一種集成多種高新技術的新型測繪技術，采用非接觸高速激光測量方式，通過點云的形式獲取地形和復雜物體三維表面陣列式幾何圖形數(shù)據(jù)。三維激光雷達包括機載三維激光雷達和地面三維激光雷達，機載三維激光雷達數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)處理高效，非常適合具有大面積、長距離特性的工程測量，主要應用在數(shù)字城市[2]、氣象與環(huán)境監(jiān)測[3]、高速公路[4]、農林牧業(yè)[5]、國土資源、輸電線路[6]等測繪領域。地面三維激光雷達具有采集精度高、應用靈活、能夠實現(xiàn)細節(jié)特征自動化提取等特點，在文物保護[7]、三維建筑建模、地形勘測[8]、變形監(jiān)測[9]等領域得到廣泛的應用。

水電站壩區(qū)地形往往比較陡峭，地質地貌復雜，人工測量具有較大的施工風險，采用航空測量雖然效率極高，但不能有效解決斷層、倒懸崖、植被重疊覆蓋等具體問題，因此，地面三維激光雷達成為水電站壩區(qū)地形測量的優(yōu)先選擇。

2 項目概況

葉巴灘水電站位于金沙江上游河段上，系金沙江上游13個梯級水電站的第7級，其上游是波羅水電站，下游是拉哇水電站；壩址位于金沙江支流降曲河口下游 600 m處，左岸屬四川甘孜藏族自治州白玉縣，右岸屬西藏自治區(qū)昌都地區(qū)貢覺縣。測區(qū)兩岸山體雄厚、地勢陡峭，山頂高程大于 4 000 m，最大相對高差超過 1 000 m，屬高山地貌，氣候寒冷而干燥，通行條件、通訊條件非常差，作業(yè)難度極大；壩址所在區(qū)域河谷狹窄、谷坡陡峻，屬深“V”型峽谷，存在大量倒懸崖地貌。這種特殊復雜地理環(huán)境對測量工作帶來巨大挑戰(zhàn)。葉巴灘水電站壩區(qū)實景圖如圖1所示。

圖1 葉巴灘水電站壩區(qū)實景圖

結合壩區(qū)地形地貌特點，為有效降低現(xiàn)場測量工作的安全風險，提升外業(yè)測量效率和數(shù)據(jù)精度，同時避免留下測量死角，采用地面三維激光雷達技術對葉巴灘水電站進行地形測量，通過細節(jié)特征自動化提取，生成 1∶1 000、 1∶500大比例尺地形圖和數(shù)字高程模型，為工程設計和施工提供數(shù)據(jù)支撐。

3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

項目采用RIEGL VZ-4000地面三維激光掃描儀進行現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)采集，采用GPS-RTK獲取每個測站和測區(qū)內主要/重要地物特征點的坐標值和高程值。主要流程為：

(1)準備工作

接到項目測量任務后，就測量地所處自然環(huán)境、氣候條件、交通和通訊條件等與業(yè)主單位進行充分溝通，并進行相關資料收集，制定現(xiàn)場工作方案。

(2)測站布置

經過現(xiàn)場初勘，合理確定測站架設位置，需充分考慮掃描效果，對測區(qū)進行全面覆蓋，保證測區(qū)數(shù)據(jù)的完整性，并確保相鄰測站之間存在一定的重疊區(qū)域，以便后期數(shù)據(jù)處理。本次測量充分考慮測區(qū)大落差、倒懸崖、深“V”峽谷地形地貌特征，兩岸分層架設，沿江共布置46個測站，確保對測區(qū)的全覆蓋，并保證任意相鄰測區(qū)存在重疊區(qū)域，如圖2所示。

圖2 測站布置圖

(3)參數(shù)設置

RIEGL VZ4000掃描儀的詳細參數(shù)如表1所示。在實際應用中，應結合測量精度要求和實際需要進行掃描密度等參數(shù)設置。

RIEGL VZ4000掃描儀詳細參數(shù) 表1

(4)目標物預掃描

選擇測站位置后，需要對測區(qū)進行預掃描，以進一步確定測站位置的合理性和可用性，預判測量效果及覆蓋范圍是否能夠達到預期要求。

(5)逐區(qū)域掃描

對每一個測站進行逐區(qū)域、逐幅面掃描，直到全部測站掃描結束。需要注意的是，單個測站掃描結束后，需要對測量數(shù)據(jù)進行初步檢查，確保該站數(shù)據(jù)已經全部獲取完畢。

(6)影像數(shù)據(jù)采集

在現(xiàn)場測量中，需要獲取必要的影像數(shù)據(jù)。影像數(shù)據(jù)不僅可以為點云數(shù)據(jù)解譯和點云數(shù)據(jù)物體辨識提供參考，提高點云數(shù)據(jù)的編輯效率、配準精度和拼接精度，還可以用于制作紋理模型，為建立虛擬現(xiàn)實的真彩色三維模型提供原始數(shù)據(jù)。

(7)特征點數(shù)據(jù)獲取

進一步對測區(qū)范圍內的主要/重要地物特征點、檢查點的坐標及高程數(shù)據(jù)進行采集，以便后期數(shù)據(jù)處理和精度校驗。

(8)數(shù)據(jù)完整性檢查

數(shù)據(jù)采集的最后一步是對全部測量數(shù)據(jù)進行綜合檢查，確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。如果數(shù)據(jù)完整性不足，則需進行補測，直到數(shù)據(jù)完整可用為止。

4 數(shù)據(jù)處理

地面三維激光雷達數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)預處理、點云數(shù)據(jù)拼接、點云數(shù)據(jù)分類和生成數(shù)字成果等[10]。本項目中，數(shù)字成果主要是數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字線劃圖(DLG)，數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 地面激光雷達數(shù)據(jù)處理流程圖

(1)數(shù)據(jù)預處理

由于大氣折光、水面折射等原因，通過地面激光雷達掃描得到的點云數(shù)據(jù)往往存在一些錯誤的數(shù)據(jù)，也就是常說的噪點，必須通過數(shù)據(jù)預處理把這部分數(shù)據(jù)剔除掉，以提高數(shù)據(jù)質量，降低建模的復雜度，并提高模型重構的精確度和速度。數(shù)據(jù)預處理的方法包括人工選取與刪除、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)縮減和數(shù)據(jù)分割等，隨著數(shù)據(jù)預處理算法的不斷完善，數(shù)據(jù)預處理自動化程度越來越高。在本項目中，數(shù)據(jù)預處理工作基本由軟件自動完成。

(2)點云數(shù)據(jù)拼接

所謂點云數(shù)據(jù)拼接，即是定義工程坐標系下每個測站SOP矩陣的過程，也就是通過坐標變換、旋轉和平移等技術，把掃描儀坐標系下的點云轉換到工程坐標系下，結合重疊區(qū)、特征點、特征線等信息和影像數(shù)據(jù)，將不同掃描面、不同測站得到的數(shù)據(jù)進行配準拼接。常用的拼接方法有基于標靶點的自動拼接和手動拼接。由于峽谷兩岸架設測量站點相距較遠，標靶點布置困難，識別率較差，定位精度低，故本項目主要采用后視定向和MSA多站平差相結合的拼接方式。

(3)點云數(shù)據(jù)分類

使用專業(yè)的數(shù)據(jù)分類軟件，完成對細節(jié)特征自動化提取和數(shù)據(jù)分類、過濾，通過人機交互對自動化分類后的點云數(shù)據(jù)進行檢查和進一步修正，進而得到趨于真實地面的純地表三維激光點云數(shù)據(jù)。

(4)生成數(shù)字高程模型(DEM)

根據(jù)分類得到的高精度點云數(shù)據(jù)，以及為提高精度在地形突變區(qū)提取的特征點數(shù)據(jù)，構建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成體現(xiàn)倒懸崖實體的曲面模型；基于不規(guī)則三角網(wǎng)內插生成最終的數(shù)字高程模型(DEM)，如圖4所示。

(5)生成數(shù)字線劃圖(DLG)

根據(jù)影像數(shù)據(jù)、激光點云、數(shù)字高程模型，按照國家圖式規(guī)范和工程應用對于精度的要求，制作相應的數(shù)字線劃圖(DLG)，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理成果

5 應用效果

5.1 精度校驗

由于測量儀器自身存在誤差、測量過程存在人為誤差、拼接過程存在誤差以及控制點坐標存在測量誤差等因素，最終成果能否滿足精度要求，需要通過精度校驗來確認。本項目共557個檢查點，覆蓋整個測區(qū)，顧及不同地形類別，在地形變化劇烈區(qū)域適當增加檢查點分布密度，并兼具代表性和可操作性，抽取其中35個檢查點進行地物特征點位平面精度校驗(表2)，平面位置中誤差為 ±0.157 m，滿足《水利水電工程工程測量規(guī)范》對于 1∶500地形測量成果精度要求。

地物特征點平面精度校驗表 表2

抽取28個檢查點與激光點云模型進行高程校驗(表3)，高程中誤差為 ±0.155 m，滿足《水利水電工程工程測量規(guī)范》對于 1∶500地形測量成果精度要求。

激光點云模型高程精度校驗表 表3

5.2 倒懸崖地形測量成果

倒懸崖地形具有通達性差、容易形成測量死角等特征，傳統(tǒng)測量方法很難得到精確的地形數(shù)據(jù)，項目采用地面三維激光雷達進行測量，不僅能夠克服這些問題，而且能夠高效獲取數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)處理軟件獲取不同需求情景的測量成果(圖5)，具有獨特的優(yōu)勢。

圖5 倒懸崖地形測量成果

5.3 土石方量計算

激光點云數(shù)據(jù)精度高，利用其所生成的大比例尺數(shù)字高程模型(DEM)完成土石方量計算得到的結果精準度高，通過優(yōu)化設計方案，減少挖、填方量和棄土，為實現(xiàn)填挖平衡提供可能性，節(jié)約項目實施成本，擁有傳統(tǒng)測量所無法比擬的優(yōu)勢[11]。項目以設計斷面圖和數(shù)字高程模型為依據(jù)，采用內業(yè)復核計算方式對進場公路交通工程土石方設計工程量進行計算和復核。結果表明，采用激光點云數(shù)據(jù)生成的斷面圖和數(shù)字高程模型計算得到的土石方量更加接近項目審定數(shù)值，相對誤差明顯小于用傳統(tǒng)方法計算得到的施工圖工程量。

進場公路土石方量計算復核結果 表4

6 結 論

葉巴灘水電站測區(qū)范圍大，地形復雜，采用地面三維激光雷達技術進行地形測量，最終生成合格的 1∶1 000、1∶500大比例尺地形圖和數(shù)字高程模型，為項目實施提供高質量的基礎數(shù)據(jù)。應用表明，地面三維激光雷達測量精度高、速度快，并有效降低野外作業(yè)工作強度和危險性，實現(xiàn)一次外業(yè)作業(yè)可為多種比例尺地形成果提供基礎數(shù)據(jù)，測量結果能夠滿足不同用戶的諸多需求，是倒懸崖等特殊復雜條件壩區(qū)地形測量的理想選擇。