陳燕芬 李俊霞

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

進入21世紀(jì),人與自然和諧、可持續(xù)發(fā)展成為時代主旋律,大江、大河、湖泊、河道的環(huán)境保護與疏通治理受到相關(guān)部門的高度重視,這也就促使了優(yōu)化水資源配置和清淤措施的發(fā)布與不斷完善[1]。

精準(zhǔn)的河道測量數(shù)據(jù),是河道建設(shè)、治理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),在河流開發(fā)和水資源利用中占有極其重要的地位,可以為規(guī)劃、施工部門提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持,河道測量的主要內(nèi)容有：河道范圍內(nèi)的地形圖測繪、河道中線縱斷面測繪、河道橫斷面測繪及沿河重要地物的調(diào)查等,其中河道橫斷包含水面以上部分和水下部分[2]。

傳統(tǒng)河道測量主要是通過外業(yè)人員到實地測繪河道范圍的地形圖獲取河道數(shù)據(jù),但河道地形復(fù)雜性,考慮人員的安全性等因素,生產(chǎn)效率相對較低,隨著測量設(shè)備和測繪技術(shù)的發(fā)展和進步,三維激光掃描技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于測量工作中。三維激光掃描技術(shù)以其獲取點云快速、無接觸、安全等特點,使人們從傳統(tǒng)的人工單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)槊鏍瞰@取數(shù)據(jù),提高了數(shù)據(jù)獲取的精度和速度,數(shù)據(jù)的處理向著智能化和自動化方向發(fā)展,在諸多領(lǐng)域都發(fā)揮了越來越重要的作用[3]。本文以北京市臺湖鎮(zhèn)地區(qū)河道測量為例,介紹了三維激光掃描技術(shù)在河道測量中的應(yīng)用,為該地區(qū)清理河道提供了可靠數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 三維激光掃描技術(shù)的特點

1.1 三維激光掃描的原理

三維激光掃描儀是通過發(fā)射激光束來測定掃描儀與被測物體之間距離,從而確定被測物體與三維掃描儀的相對幾何關(guān)系,通過坐標(biāo)配準(zhǔn),就可以求得點云中每個掃描點的三維坐標(biāo)[4]。它實現(xiàn)了三維物體到三維數(shù)字化的直接轉(zhuǎn)化。掃描點坐標(biāo)計算原理及其示意圖如圖1所示[5]。目標(biāo)點P與掃描儀之間的距離為S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。由此可獲得P的坐標(biāo)。

三維激光掃描儀按照測距原理的不同，可以分為脈沖式和相位式。脈沖式是利用脈沖激光發(fā)射器按照一定分辨率向被測物體發(fā)射近紅外波長的激光束,然后接收反射回來的信號,利用光速和信號傳播時間來計算掃描儀與被測物體之間的距離。脈沖式可以通過簡單的技術(shù)得到高峰值功率的脈沖,所以適用于長距離的觀測。相位式通過發(fā)射正弦波信號來獲取被測物體與掃描儀之間的距離。

(a)三維激光掃描點坐標(biāo)計算 (b)三維激光掃描系統(tǒng)

兩種方式的點云數(shù)據(jù)精度都可達到毫米級別,在建筑變形監(jiān)測、土方測算、大比例尺地形圖測繪、異形建筑物竣工測繪、文化保護領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[6]。

1.2 傳統(tǒng)作業(yè)方式

傳統(tǒng)方法是用經(jīng)緯儀、鋼尺、量角器等通過控制點逐點測量碎部點,然后手工計算碎部點的高程和角度,從而得出碎部點的三維坐標(biāo)?；蛘哂萌緝x架設(shè)在斷面線的控制點上,儀器進行對中整平,設(shè)置后視方向及儀器參數(shù)即可進行斷面測量[7]。然后將測繪的數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,手工編繪成圖。

河道測量中首先是中線定線測量,即將圖上設(shè)計好的中線位置測設(shè)于實地,用視線高的方法進行線路水準(zhǔn)測量,測出線路中樁的地面高程,根據(jù)高程繪制縱斷面圖,再在起終轉(zhuǎn)交點上架設(shè)儀器測定中樁處垂直于中線方向上地面坡度變化點的高程和該點至中線樁的水平距離,繪制橫斷面圖。

1.3 三維激光掃描在河道測量當(dāng)中的優(yōu)勢

1.3.1測量方法靈活性

三維激光掃描與傳統(tǒng)測量相結(jié)合,能更快捷更精準(zhǔn)地測量出碎部點的坐標(biāo),也能在控制點上架設(shè)掃描儀,進行靜態(tài)觀測。

1.3.2數(shù)據(jù)獲取方式具有優(yōu)勢

三維激光掃描應(yīng)用于河道測量中,不用測設(shè)中線樁,也不用在起終轉(zhuǎn)交點上架設(shè)儀器進行量測,只需外業(yè)通過三維掃描方式獲取河道周邊的點云,將經(jīng)過預(yù)處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入采編三維數(shù)據(jù)軟件中進行采集編繪,就可以直接獲得縱橫斷面高程。

1.3.3系統(tǒng)高度集成

集成的相機系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并有同步定位與地圖構(gòu)建(simultaneous localization and mapping,SLAM)算法支持,整機輕便堅固,一次經(jīng)過即可同時獲取現(xiàn)場照片和彩色點云數(shù)據(jù)[8]。

1.4 移動背包系統(tǒng)

徠卡Pegasus:Backpack移動掃描背包,主要由4部分組成,包括相機系統(tǒng)、三維激光掃描系統(tǒng),全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)(global navigation satellite system/ global positioning system，GNSS/GPS)及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial measurement unit,IMU)。系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 徠卡移動背包系統(tǒng)

2 移動背包作業(yè)流程

移動背包作業(yè)流程主要包括外業(yè)三維掃描和內(nèi)業(yè)點云數(shù)據(jù)處理兩部分。外業(yè)三維掃描主要包括控制測量、區(qū)域劃分、路線規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集四部分;內(nèi)業(yè)點云處理包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入、點云解算、坐標(biāo)配準(zhǔn)、點云分割、點云成果導(dǎo)出、依據(jù)點云繪制所需成果圖等環(huán)節(jié)。

2.1 外業(yè)作業(yè)流程

2.1.1控制測量

根據(jù)現(xiàn)場踏勘的實際情況,布設(shè)控制點應(yīng)涵蓋整個測區(qū),控制點密度根據(jù)測量精度適當(dāng)調(diào)整。

2.1.2區(qū)域劃分

根據(jù)測區(qū)內(nèi)交通狀況及商圈、生活圈的圍墻范圍等將測區(qū)進行劃分,并分別進行掃描。

2.1.3路線規(guī)劃

根據(jù)踏勘情況和區(qū)域的劃分,對行走路線進行合理設(shè)計,避免重復(fù)掃描,避免進入衛(wèi)星信號不穩(wěn)定的區(qū)域。

2.1.4數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集包括儀器初始化、數(shù)據(jù)采集、靜置結(jié)束采集。

2.2 內(nèi)業(yè)作業(yè)流程

2.2.1數(shù)據(jù)處理

掃描完畢后,對掃描的數(shù)據(jù)進行解算,主要包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)合并、添加背包POS數(shù)據(jù)、軌跡解算、坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、點云成果導(dǎo)出等。如果發(fā)現(xiàn)點云出現(xiàn)分層應(yīng)重新解算,遇到內(nèi)業(yè)無法處理的問題,應(yīng)分析原因,必要時應(yīng)重新掃描。

2.2.2地形圖繪制

將點云成果數(shù)據(jù)加載到清華山維軟件,通過二、三維視圖聯(lián)動,直接對點云進行采集編輯,實現(xiàn)了采編一體化。數(shù)據(jù)成果實現(xiàn)對象信息化與動態(tài)符號化要求。

3 技術(shù)路線

利用2019年1∶2 000基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù),外業(yè)使用三維激光掃描技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集,內(nèi)業(yè)對點云數(shù)據(jù)進行編繪,更新為最新版的1∶2 000河道基礎(chǔ)地理底圖。內(nèi)業(yè)采用清華三維軟件點云模塊在點云數(shù)據(jù)中采集已有的河道中心線的縱橫斷面高程,數(shù)據(jù)采集完成后。再到外業(yè)到實地核實并調(diào)查橋梁、涵洞、閘、揚水站、鐵路橋等屬性數(shù)據(jù),并用AutoCAD軟件生成縱橫斷面圖與數(shù)據(jù)進行分析。技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線

4 臺湖鎮(zhèn)河道測量

4.1 項目概況

通州區(qū)臺湖鎮(zhèn)政府為了更好地進行入河排污口長效管控機制和入河排污口整治工作,加快實現(xiàn)河流“長治久清”,切實實現(xiàn)斷面穩(wěn)定達標(biāo),對臺湖鎮(zhèn)進行縱橫段面測量。

此項目以1∶2 000比例尺進行測量,主要測量河道左右兩側(cè)河道左右兩側(cè)上口線以外50 m的平面位置,縱斷面間距為100 m。整個河道長約25.56 km,斷面數(shù)為440個。

4.2 移動掃描背包外業(yè)作業(yè)過程

根據(jù)測區(qū)實際情況,在周邊布設(shè)5個可以覆蓋整個測圖區(qū)域坐標(biāo)點(圖4),用于坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和架設(shè)測量基站。在移動背包作業(yè)過程中,選取離河道比較近,信號比較好,周圍沒有高層地物遮擋的J1點架設(shè)基站。

圖4 編號J1至J5控制點分布圖

(1)設(shè)備初始化。開機后,選擇開闊平坦的區(qū)域?qū)⒁苿颖嘲o態(tài)初始化2 min以上,設(shè)置相機參數(shù)和成像效果,然后背起掃描儀進行動態(tài)校準(zhǔn)初始化,快速沿著直線行走,不要轉(zhuǎn)身,行走30 m后,快速走方形,方形邊長約10 m,2 min后停下來靜等10 s,然后變換行走方向,行走2 min,至此慣導(dǎo)系統(tǒng)激活成功。

(2)數(shù)據(jù)采集。外業(yè)通過平板電腦進行參數(shù)設(shè)置和背包掃描點云的實時監(jiān)控。掃描工作由3人配合完成,一人負責(zé)背負移動背包掃描儀進行數(shù)據(jù)采集,操作平板電腦里的中國移動手機桌面助理采集軟件(mobile device assistant,MDA),測量時,按照提前規(guī)劃的路線,根據(jù)實際情況,盡量選擇GNSS信號好的區(qū)域行走,進入巷子或者穿過高大樹木、建筑物時,提前了解實際情況,避免數(shù)據(jù)缺失或冗余,在GNSS信號較差的環(huán)境下,使用SLAM算法輔助完成定位定向,在測量過程信號好時可隨時暫停。另外一人負責(zé)掃描線路上障礙清理和交通指揮等工作,第三人負責(zé)看守基準(zhǔn)站電臺。數(shù)據(jù)采集完成后不能直接關(guān)閉儀器,要將掃描之前的步驟逆向再完成一遍,之后再靜態(tài)2 min完成靜態(tài)接收操作。

4.3 三維激光掃描內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理方法

外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集完畢后,使用移動背包掃描配套的軟件進行點云數(shù)據(jù),軟件集成度高,人工干預(yù)少,只需要幾個簡單的設(shè)置即可完成掛機處理,最后導(dǎo)出LAS格式點云成果。主要步驟如下：

(1)先用InertialExplorer軟件后差分方式解算軌跡,生成軌跡解算 *.cts文件。

(2)用徠卡Infinity軟件建立坐標(biāo)系,通過已知點求解七參數(shù)完成點云的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

(3)用徠卡Pegasus Manager軟件進行自動掛機處理數(shù)據(jù),自動生成彩色三維LAS點云、全景照片、內(nèi)外方位元素。經(jīng)過內(nèi)業(yè)處理完成后的點云數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 掃描點云

4.4 地形圖繪制

在清華山維三維測圖軟件中將LAS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成點云數(shù)據(jù)(point cloud data,PCD)格式,然后加載PCD格式的點云數(shù)據(jù),設(shè)置點云著色方式,可以根據(jù)需求將點云色彩設(shè)置成：“真彩色”“循環(huán)著色”“按高程著色”“按強度著色”等7種類型,在地物繪制時我們通常設(shè)置成“循環(huán)著色”。符號化時我們會根據(jù)地物要素的不同賦予不同的要素編碼。提取高程點時我們根據(jù)實際情況設(shè)置網(wǎng)格間距,既要保證高程密度又要保證高程注記的位置合理。局部河道地形圖，如圖6所示。

圖6 河道地形

4.5 河道斷面信息提取

本工程中用AutoCAD中測繪工具自動生成河道斷面,主要是根據(jù)河道主流線(中心線),從河道上游起始點位置開始,在最新更新的1∶2 000地形圖數(shù)據(jù)采集河道中心線,提取的特征點(起終折交)盡量保證在河中心,并在河與河的交接處加交點,兩河之間的中間要完全相交,不出懸掛點。畫完中線后,在計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)中計算生成中線樁號及點(起終折交)的坐標(biāo),以備用。然后在中心線上加特征點(橋、涵、閘、揚水站、鐵路橋)并增加柱號。

依據(jù)河流中心線,從河道測區(qū)范圍起始點位置每隔100 m的距離生成等距離垂直于河道主流線的斷面。

將點云數(shù)據(jù)與河道中心線,疊加提取河道縱斷面,垂直于河道中心線的斷面提取橫斷面。

斷面提取精度與點云數(shù)據(jù)的密度有很大的相關(guān)性,點云密度越大,提取的特征點越多,提取的斷面越準(zhǔn)確。

在內(nèi)業(yè)處理時,主要是結(jié)合了點云數(shù)據(jù)和地形圖數(shù)據(jù),每當(dāng)斷面線與地形圖中地物相交的位置,如入房、出房、路邊、坡上、坡角、水涯線、坡底等變坡位置都需要采集點云高程數(shù)據(jù),高程數(shù)據(jù)采集越詳細越豐富,為河道測量提供的數(shù)據(jù)越可靠。

為了更好地研究得到斷面的效果,將斷面中的斷面數(shù)據(jù)導(dǎo)出。導(dǎo)出的斷面數(shù)據(jù)中包含每條斷面線中特征點的坐標(biāo)信息以及中心線的信息。這里選取其中一條斷面線中所含有的特征點的信息進行分析。如圖7(a)所示,直觀地反映了水平方向上的高程值的變化,可以看出河道地表的階地特征,通過點云數(shù)據(jù)采集的連續(xù)的三維斷面圖,如圖7(b)所示。

(a)AutoCAD軟件導(dǎo)出的橫斷面

(b)連續(xù)三維橫斷面

5 作業(yè)方法優(yōu)勢分析

背包式移動三維激光掃描方案,外業(yè)采集非常簡單,耗時少、負擔(dān)小。外業(yè)采集僅需一人即可,人工量小、成本低,采集效率高,最大化項目收益率[9]。

提供內(nèi)外業(yè)一體化的作業(yè)流程,省時省力,較傳統(tǒng)方案提高至少4～5倍。

同時采集三維點云和全景影像數(shù)據(jù),真實還原現(xiàn)場實景,內(nèi)業(yè)繪圖和檢查一目了然。并且三維數(shù)據(jù)可以長期保存以及廣泛重復(fù)應(yīng)用增加數(shù)據(jù)收益.

地面三維激光掃描技術(shù)與以往的人工測量方法相比,具有測量誤差小的優(yōu)點[10]。在三維激光掃描用于河道測量存在的另一個問題是水下地形的獲取。由于三維激光掃描儀無法穿透水體,不能有效獲取水下地形,可以采用其他手段補充獲取[11]。

6 結(jié)束語

傳統(tǒng)的河道測量工作量大、效率低、采樣密度有限,其數(shù)據(jù)獲取方式和數(shù)據(jù)處理模式已經(jīng)不能滿足河道信息化的需要。三維激光掃描技術(shù)為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段。利用地面三維激光掃描技術(shù)快速獲取高密度的河道點云數(shù)據(jù),降低了外業(yè)作業(yè)所需時間和人員投入,提高了外業(yè)工作效率和成果可靠性,但是因掃描點云帶來的海量數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)處理的計算機硬件提出了更高的要求,相對傳統(tǒng)方式增加了內(nèi)業(yè)處理時間,作業(yè)流程還需要進一步的優(yōu)化。三維激光掃描的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓蕉?三維掃描數(shù)據(jù)也將會得到更多的推廣與運用。