崔寶牛， 聶越慧

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊(duì)，山西 太原 030031)

0 引 言

通過精確地標(biāo)定激光雷達(dá)的安裝參數(shù)，能夠使其觀測數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反映周圍環(huán)境。測量中的小誤差可能在變換數(shù)據(jù)時(shí)導(dǎo)致較大誤差，通過目測和手工測量難以求得精確的變換關(guān)系，而且兩坐標(biāo)系間的相對轉(zhuǎn)角關(guān)系不能通過直接測量得到。因此，需要設(shè)計(jì)相關(guān)算法來實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)的標(biāo)定。

1 三維激光雷達(dá)的相關(guān)概述

1.1 三維激光雷達(dá)系統(tǒng)基本原理

激光雷達(dá)是將各種新型測量儀器的優(yōu)勢結(jié)合在一起，使其變成一種較為新型且具有更高科技含量的測量系統(tǒng)，不僅結(jié)合激光測距技術(shù)的相關(guān)優(yōu)勢，還將定位系統(tǒng)和慣性測量系統(tǒng)的優(yōu)勢融合在整個(gè)測量坐標(biāo)數(shù)據(jù)中，并利用虛擬的數(shù)據(jù)影像來將各種數(shù)據(jù)以模型的形式向大眾進(jìn)行展示。不僅如此，三維激光雷達(dá)可以對地面、河流等一些獨(dú)立性的物體進(jìn)行標(biāo)志，并且結(jié)合其數(shù)據(jù)來進(jìn)行有效的信息收集和坐標(biāo)凸顯。整個(gè)三維激光雷達(dá)體系在進(jìn)行具體測距時(shí)，所利用的原理可從以下三個(gè)方面來具體描述：

(1)當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)處于做工狀態(tài)時(shí)，將會由整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)出激光光束來進(jìn)行表面物體反射和具體信息的收集；

(2)當(dāng)反射信息以雷達(dá)的方式傳回到回波信號接收器內(nèi)，中芯處理器就可以根據(jù)這一狀態(tài)來進(jìn)行測量物體相關(guān)參數(shù)的確定，有效地提高測量未知的精準(zhǔn)度；

(3)整個(gè)雷達(dá)測距系統(tǒng)將會結(jié)合具體的測量設(shè)備和信息，來進(jìn)行具體姿態(tài)角度的調(diào)整，從而可以有效地確定雷達(dá)脈沖以最快的速度到達(dá)著力點(diǎn)，盡可能地減少發(fā)射與接收之間的時(shí)間。

1.2 地面激光雷達(dá)應(yīng)用處理關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)激光點(diǎn)云分類濾波。地面激光雷達(dá)應(yīng)用處理體系主要是根據(jù)定位系統(tǒng)和相關(guān)反射回來的信息來進(jìn)行環(huán)境和地理位置的明確，但由于具體地理位置分布較為廣泛，地質(zhì)狀況也較為多樣性，這些實(shí)際的外部狀況都會增加整個(gè)激光雷達(dá)測繪技術(shù)的難度和復(fù)雜性。而操作人員可以根據(jù)激光來進(jìn)行具體測量方式的分類，主要是可以對于收集到的信息利用圖像的顏色深淺來進(jìn)行有效的區(qū)分，利用圖層的前后來進(jìn)行激光分層的有效處理。前層背景下主要包含的物體為運(yùn)動的行人和車輛，還可包含固態(tài)的建筑物體，但除城市的具體建筑物外，還存在較多的遮擋物來影響整個(gè)激光雷達(dá)應(yīng)用體系的精準(zhǔn)性，這就需要操作人員必須有效地完善自動識別體系和系統(tǒng)，來豐富調(diào)研的相關(guān)背景層，從而可以為建筑模型的未來發(fā)展奠定良好的道路。

(2)三維幾何模型的生成。在進(jìn)行三維激光雷達(dá)處理時(shí)，整個(gè)操作系統(tǒng)都是地面激光雷達(dá)應(yīng)用處理體系中最為重要和關(guān)鍵的一個(gè)部分。

2 設(shè)計(jì)原則

(1)在進(jìn)行壩區(qū)工程的具體設(shè)計(jì)時(shí)，必須結(jié)合當(dāng)?shù)氐氖┕すこ毯偷刭|(zhì)情況來進(jìn)行具體的處理，深入到實(shí)際地質(zhì)情況中去進(jìn)行測繪資料的收集和探測，如此才能有效地將控制網(wǎng)科學(xué)合理地布局在各種壩區(qū)內(nèi)。

(2)提高整個(gè)施工工作的精準(zhǔn)度，以較高標(biāo)準(zhǔn)為要求來進(jìn)行相關(guān)測量位置精準(zhǔn)度的提高，操作人員應(yīng)該以較高的起點(diǎn)來進(jìn)行自我要求，最大限度地降低后期在進(jìn)行測繪工作時(shí)產(chǎn)生的各項(xiàng)誤差。

(3)在進(jìn)行控制網(wǎng)的操作和布局時(shí)，應(yīng)該根據(jù)具體的施工狀況來進(jìn)行放樣處理，還應(yīng)該有效地考慮到具體施工工作中的費(fèi)用，最大限度地降低操作過程中產(chǎn)生的費(fèi)用，提高整個(gè)設(shè)計(jì)方案的科學(xué)合理性。

(4)使用較為簡潔且操作較為簡便的設(shè)計(jì)手段，幫助操作人員可以以簡單的施工操作手段融入整個(gè)設(shè)計(jì)和操作工作中。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 項(xiàng)目概況

某壩區(qū)，測量區(qū)域兩側(cè)的山體較為雄壯，地勢較高，距離山頂?shù)母叨瘸^4 000 m，最大高差可達(dá)1 000 m，屬于高山地貌，環(huán)境嚴(yán)寒，空氣干燥，運(yùn)輸狀況以及通信狀況都相對較差，作業(yè)難度顯著提升；壩址區(qū)內(nèi)所含河谷較為狹小、坡勢陡峭，屬于深V形峽谷，存有許多懸崖。這類繁雜性極高且較為特殊的地貌狀況會對檢測工作造成進(jìn)一步的限制和不良影響。融合壩區(qū)地貌特征來看，為了進(jìn)一步縮減現(xiàn)場檢測作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，保障員工安全，并進(jìn)一步提高作業(yè)檢測的效率以及信息精確程度，防止發(fā)生預(yù)測死角的出現(xiàn)，運(yùn)用地表三維激光的高科技手段對八灘水電工程開展地貌檢驗(yàn)，經(jīng)過對細(xì)節(jié)以及特殊化功能的使用，形成1∶1 000以及1∶500的大比例地形圖和數(shù)據(jù)化預(yù)測模型，為后續(xù)的項(xiàng)目策劃以及動工提供精準(zhǔn)化信息支持。

3.2 作業(yè)中采用的技術(shù)規(guī)格

相關(guān)工作需要依照《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、《國家三角測量和精密導(dǎo)線測量規(guī)范》以及《國家水準(zhǔn)測量規(guī)范》之中的相關(guān)數(shù)據(jù)和流程開展。平面預(yù)測網(wǎng)作業(yè)基點(diǎn)之中的誤差以及高程預(yù)測網(wǎng)作業(yè)基點(diǎn)的誤差必須保持在1 mm以內(nèi)。以上工作中需要運(yùn)用的科技規(guī)格大多可以采用：

(1)水平角預(yù)測運(yùn)用Wild t3經(jīng)緯儀依照綜合組合的方式開展預(yù)測需求，方向權(quán)P=m×n=42。

(2)三角高程天頂距觀察預(yù)測的相關(guān)數(shù)據(jù)是依照測距邊改良平距對天頂距預(yù)測準(zhǔn)確度的需求來進(jìn)行估測的。因?yàn)橛^測邊角度大多都較小，所以對三角高程的預(yù)測精準(zhǔn)度需求也相對較低。經(jīng)過預(yù)估，天頂距運(yùn)用t3經(jīng)緯儀預(yù)測4次便能夠與斜距歸算為平距的精準(zhǔn)需求相適應(yīng)。

(3)邊長預(yù)測運(yùn)用me3000測距儀器開展測量，每條邊長所必須對預(yù)測每單向邊需求分做兩個(gè)階段開展預(yù)測，每個(gè)單項(xiàng)為一階段，其讀取數(shù)據(jù)以及預(yù)測正反相讀數(shù)各4回。

(4)高層預(yù)測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用n3水準(zhǔn)儀器以及銦鋼標(biāo)尺對每測段按照一等水平需求開展往返預(yù)測。

3.3 數(shù)據(jù)處理方案

預(yù)處理的措施主要囊括：測距邊氣象糾正儀器加/乘常數(shù)，糾正預(yù)測斜距精準(zhǔn)歸算至標(biāo)新斜距最后計(jì)算到320高層面平距；和雙金屬標(biāo)鏈接的高差溫度糾正水平，高差的量尺糾正(因?yàn)榇怪蔽灰朴^察預(yù)測范圍較小，所以不開展重力異常糾正以及水準(zhǔn)面傾斜糾正)；分組觀察預(yù)測水平方向的測量平臺平差；對經(jīng)過處置后的觀察測量信息開展整合和收集。

3.4 應(yīng)用效果

3.4.1 精度校驗(yàn)

因?yàn)轭A(yù)測設(shè)備本身存有誤差，預(yù)測進(jìn)程之中存有人為誤差，鏈接進(jìn)程之中存有誤差以及把控點(diǎn)坐標(biāo)存有預(yù)測誤差等要素，最終數(shù)據(jù)是否可以與精準(zhǔn)需求相適應(yīng)，必須經(jīng)過精準(zhǔn)度檢驗(yàn)來確定。本次工程共有557個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，與測量區(qū)域的綜合范圍相一致，結(jié)合相互差異的地貌類型，在地形改變較為明顯的區(qū)域可以添加檢驗(yàn)點(diǎn)的數(shù)量，進(jìn)一步提高科學(xué)性以及合理性，從中抽取35個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)開展地貌特點(diǎn)為平面精準(zhǔn)度檢驗(yàn)，平面位置之中的誤差需要保持在0.157 m左右，結(jié)合《水利水電項(xiàng)目設(shè)計(jì)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)》對1∶500的地貌預(yù)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度的需求，并與之適應(yīng)。

表1 地物特征點(diǎn)平面精度校驗(yàn)表

3.4.2 土石方量計(jì)算

激光點(diǎn)云信息精準(zhǔn)度較高，運(yùn)用其所形成的大比例尺度數(shù)字高程模型對土石方數(shù)量規(guī)范獲得的數(shù)據(jù)有較高的精準(zhǔn)性，經(jīng)過改良策劃體制，進(jìn)一步縮減挖填方量，為完成填挖的協(xié)調(diào)性提供技術(shù)支持，節(jié)省工程運(yùn)作費(fèi)用，具備以往測量所無法達(dá)到的功能和技術(shù)。相關(guān)工程通過策劃斷面圖以及數(shù)據(jù)高程平臺作為主要參考，運(yùn)用業(yè)內(nèi)復(fù)核歸算方法對場內(nèi)公路交通項(xiàng)目、土石方策劃項(xiàng)目量開展整理和數(shù)據(jù)收集。最終數(shù)據(jù)表明，運(yùn)用激光點(diǎn)云信息所形成的斷面圖以及數(shù)據(jù)高程平臺歸算所獲得的土石方量更加靠近工程審定數(shù)目，其誤差也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于使用以往計(jì)算方式所獲得的動工圖項(xiàng)目數(shù)量。

表2 進(jìn)場公路土石方量計(jì)算復(fù)核結(jié)果

4 結(jié)束語

對于實(shí)測數(shù)據(jù)的修正說明，采用該模型對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，可以有效減小儀器誤差對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響。因此，在通過三維激光掃描獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，可以采用該方法，根據(jù)少量已知點(diǎn)數(shù)據(jù)，對各個(gè)測站的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行修正，大大提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精確度，同時(shí)，也將不同測站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系。平面和高程監(jiān)測網(wǎng)雖然存在外業(yè)工作量大、人員素質(zhì)要求高、施測周期長、受環(huán)境因素影響大等缺點(diǎn)，但它能夠監(jiān)測到大范圍的區(qū)域變形，能較好地用于工作基點(diǎn)的校核且比較經(jīng)濟(jì)，所以仍不失為監(jiān)測壩區(qū)變形的有效手段之一。