孫監(jiān)湖 張文韜 李志剛

（三峽水力發(fā)電廠）

0 引言

水電站是重要的能源供給設(shè)施，對于保障國家能源安全和經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。隨著水電站的建設(shè)與發(fā)展，對于水電站的三維建模需求也越來越迫切。然而，傳統(tǒng)的建模方法受限于時間、成本和精度等方面的限制，無法滿足水電站建模的需求。因此，本文選取三維激光掃描技術(shù)作為研究對象，探討其在水電站三維建模中的應(yīng)用［1］。

對三維激光掃描技術(shù)進行了深入的研究和分析。通過對激光掃描原理、設(shè)備特點以及數(shù)據(jù)處理方法的介紹，為后續(xù)的應(yīng)用實踐奠定了基礎(chǔ)。通過實地勘測了一個實際的水電站工程，并采用三維激光掃描技術(shù)獲取了大量的點云數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)處理和建模軟件，對點云數(shù)據(jù)進行了處理和分析，并實現(xiàn)了水電站的三維建模。綜上所述，利用三維激光掃描技術(shù)對水電站進行了三維建模，實現(xiàn)了可視化和可視化分析等應(yīng)用。通過對技術(shù)原理和應(yīng)用前景的分析，為水電站建模提供了一種新的解決方案，具有重要的理論和實際意義［2］。

1 三維激光掃描技術(shù)的研究與分析

1.1 激光掃描技術(shù)原理

如圖1為三維激光掃描儀，其工作原理是通過發(fā)射激光束，利用其與目標(biāo)物表面的反射光來獲取目標(biāo)物的三維幾何信息，并計算出目標(biāo)物表面的紋理信息，從而實現(xiàn)對目標(biāo)物的全方位掃描和測量。在高磁場環(huán)境中，傳統(tǒng)的光學(xué)測量設(shè)備由于磁場的干擾往往無法正常工作，而三維激光掃描儀通過非接觸式測量原理可以實現(xiàn)目標(biāo)物的高精度測量。在高電壓環(huán)境下，由于電場的存在導(dǎo)致目標(biāo)物表面電離產(chǎn)生放電現(xiàn)象，對測量設(shè)備的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。然而，三維激光掃描儀通過其高靈敏度的接收器和精確的光源控制，可以有效地抑制放電現(xiàn)象的干擾，實現(xiàn)對目標(biāo)物的可靠測量［3］。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描技術(shù)作為一種新型數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，能夠快速獲取大面積、高精度的點云數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)測量方式相比，三維激光掃描技術(shù)克服了單點測量數(shù)據(jù)量少的局限性，可以更詳盡的描述復(fù)雜區(qū)域的細節(jié)特征。目前，三維激光掃描技術(shù)已被應(yīng)用于多種領(lǐng)域，包括地形測量、建筑測量、古建筑保護、變形監(jiān)測、土木工程以及城市建模等方面。同時三維激光掃描技術(shù)也存在著一些缺陷，受待測區(qū)域的地形起伏影響較大，例如測站選擇、視角限制、其他物體對目標(biāo)物的遮擋都會導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)不完整，這會導(dǎo)致重建模型出現(xiàn)拉花、變形或空洞現(xiàn)象，這是三維激光掃描領(lǐng)域亟待解決的難題［4］。

1.2 三維激光掃描系統(tǒng)分類

隨著軟硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種不同類型的三維激掃描系統(tǒng)并應(yīng)用于不同的領(lǐng)域及場景。根據(jù)承載平臺的不同主要分為以下幾類：

1）機載激光掃描系統(tǒng)。機載激光掃描系統(tǒng)是承載平臺為飛機或無人機的三維激光掃描系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由激光測距系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)及相機等組成。這種方式可以在短時間內(nèi)獲取海量的點云數(shù)據(jù)及影像信息，并憑借激光可以穿透茂密的樹林而廣泛應(yīng)用于獲取森林區(qū)域的數(shù)字高程模型。同時也有發(fā)射藍綠激光的機載掃描系統(tǒng)被應(yīng)用于水下地形測量［5］。

2）車載激光掃描系統(tǒng)。車載激光掃描系統(tǒng)是以車輛為搭載平臺的激光掃描系統(tǒng)，車輛在行駛過程中，同步進行對周圍區(qū)域的掃描測量工作，從而得到點云數(shù)據(jù)及高分辨率影像。車載移動激光掃描技術(shù)以其高效、移動掃描測量及載體特殊性的特點主要用于在道路上測量，例如該系統(tǒng)在交通路網(wǎng)的更新方面得到廣泛應(yīng)用［6］。

3）地面激光掃描系統(tǒng)。地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由激光測距系統(tǒng)、測角系統(tǒng)、CCD相機、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成。這種掃描系統(tǒng)一般搭載在三腳架上，相比機載、車載激光掃描系統(tǒng)移動能力較差、視角有限，因此不適合大范圍區(qū)域的掃描測量。目前主要應(yīng)用于古建筑保護、變形監(jiān)測、建筑物三維重現(xiàn)等領(lǐng)域［7］。

2 光點云數(shù)據(jù)的配準

多測站點云數(shù)據(jù)的配準是將在不同測站測量的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一至相同坐標(biāo)系的過程。通常情況下，受限于三維激光掃描儀的視角、測量距離有限且待測區(qū)域范圍較大等情況，一個測站不可能獲取整個待測區(qū)域內(nèi)的全部信息，需要設(shè)置多個測站從不同角度、位置對待測區(qū)域進行掃描，不同測站測得的點云數(shù)據(jù)在不同的坐標(biāo)系下，需要經(jīng)過處理將多測站的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一為一個整體［8］。

多測站點云配準的方法依據(jù)配準基元的不同分為兩類。第一類是基于地面的配準，它是以所有測站中的某一測站作為基準，通過設(shè)置閾值連續(xù)迭代搜索周圍測站內(nèi)的同名點對，以這些同名點對建立對應(yīng)關(guān)系解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)完成多測站點云數(shù)據(jù)配準。這種方法需要測站間有足夠的重疊，才能得到較好的配準效果。第二類是基于標(biāo)靶的配準，基本原理是通過在待測區(qū)域內(nèi)放置多個球形標(biāo)靶或平面標(biāo)靶作為配準的控制點，隨即可利用標(biāo)靶的空間坐標(biāo)解算出轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成多測站點云數(shù)據(jù)配準。

2.1 基于平面的配準

基于平面的配準是指以某一站點云數(shù)據(jù)中的一點作為基準，通過尋找相鄰測站中與之對應(yīng)的點，并建立對應(yīng)關(guān)系解算轉(zhuǎn)換參數(shù)，從而經(jīng)過迭代計算使得兩測站點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系趨于同一坐標(biāo)系，是被業(yè)界認可的方法，學(xué)者們也經(jīng)過不斷研究發(fā)現(xiàn)其中的不足并對其加以改進。此方法不適合用于高差較大、遮擋較嚴重的區(qū)域，在外業(yè)工作時合理選擇測站位置，因為第一個測站是基準站，進行掃描工作時第一個測站必須嚴格整平，為后續(xù)的點云配準提供精確的位置。

2.2 基于目標(biāo)的配準

一般將基于目標(biāo)的配準根據(jù)選取目標(biāo)的不同分為兩種：一種是基于標(biāo)靶的配準，基于標(biāo)靶的配準一般需要在待測區(qū)域布設(shè)三個或三個以上的人工標(biāo)靶，同時確保人工標(biāo)靶位于兩個相鄰測站點云數(shù)據(jù)的重疊區(qū)域，并以人工標(biāo)靶作為同名點對，進而建立對應(yīng)關(guān)系求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成多測站點云數(shù)據(jù)配準。另一種式基于點云本身特征的配準，其基本原理與基于目標(biāo)的配準一樣，但是不需要布設(shè)標(biāo)靶，而是需要相鄰測站的重疊區(qū)域有明顯的特征點。配準的大致過程如下：

在軟件中有基于目標(biāo)的配準程序，可以全自動配準也可以半自動配準，一般使用半自動配準為宜，因為點云數(shù)據(jù)通常數(shù)據(jù)量較大，利用全自動配準容易導(dǎo)致同名點識別錯誤，造成不必要的時間浪費。大致步驟為：首先擬合出每個在不同測站下的三維坐標(biāo)，并對其編號，編號規(guī)則為同一個標(biāo)靶在不同測站的編號相同，最后建立對應(yīng)關(guān)系解算轉(zhuǎn)換參數(shù)。

3 水電站三維建模的應(yīng)用

3.1 三維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理

本次研究以水電站大壩為研究區(qū)域，選用三維激光掃描儀進行測量，通過設(shè)置多個測站采集區(qū)域及周圍建筑的掃描數(shù)據(jù)，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，得到研究區(qū)域內(nèi)完整的三維激光點云數(shù)據(jù)，然后在專業(yè)的三維建模軟件中實現(xiàn)實景三維模型的構(gòu)建，三維激光點云數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波處理后得到地面點云數(shù)據(jù)，從而可以構(gòu)建研究區(qū)域內(nèi)的地形模型，技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 基于三維激光掃描的模型重建技術(shù)

3.2 點云數(shù)據(jù)處理

采集得到的掃描數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)并不能直接使用，需經(jīng)過專業(yè)的點云數(shù)據(jù)處理軟件處理后才能轉(zhuǎn)換為常用的數(shù)據(jù)格式，最終得到具有完整信息的成果點云。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。點云預(yù)處理是點云數(shù)據(jù)處理的第一步，也是至關(guān)重要的一步，關(guān)系到后續(xù)點云成果及利用點云數(shù)據(jù)構(gòu)建的模型的精度、質(zhì)量問題。點云數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是進行點云去噪和著色。

（2）點云拼接。三維激光掃描儀在采集研究區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)時，受測區(qū)范圍大小、地形起伏及儀器本身視角的限制，通常需要多個測站才能覆蓋整個區(qū)域。每個測站所測得的點云數(shù)據(jù)都是獨立的坐標(biāo)系，需要將所有測站的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系下。

（3）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。所有測站的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過點云拼接操作后并沒有轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系，需要以外業(yè)實測的棋盤紙作為控制點坐標(biāo)，建立控制點與點云數(shù)據(jù)間的對應(yīng)關(guān)系，將點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至目標(biāo)坐標(biāo)系下。

3.3 結(jié)果與分析

完成基于三維激光掃描的地形模型構(gòu)建和三維模型重建，質(zhì)量評價不僅要包括傳統(tǒng)的精度評價，還要包括模型的結(jié)構(gòu)和紋理精度評價。以檢查點的實際測量坐標(biāo)與模型上的量測坐標(biāo)的差值來評定位置精度，其中包括平面精度和高程精度。采用目視判別法來評價模型的結(jié)構(gòu)和紋理精度。

（1）位置精度評價。位置精度評價主要是對比實測坐標(biāo)與模型上對應(yīng)點的量測坐標(biāo)，計算二者坐標(biāo)的差值，并利用如下誤差計算公式計算出X、Y方向上的中誤差以及平面中誤差、高程中誤差。

（2）結(jié)構(gòu)和紋理精度評價。通過目視判別評價模型的結(jié)構(gòu)和紋理質(zhì)量，主要從模型完整性、細節(jié)特征兩方面展開。如圖3所示，三維激光點云在距離測站較遠的區(qū)域點云比較稀疏，掃描過程中的遮擋部分還會出現(xiàn)點云空洞，這也導(dǎo)致利用三維激光點云構(gòu)建的地形模型精細度不均勻，距離測站中心較近的區(qū)域精細度高，而距離測站中心較遠的區(qū)域精細度較低，在點云空洞區(qū)域甚至?xí)霈F(xiàn)模型重建錯誤。

圖3 三維激光掃描技術(shù)在水電站三維建模

綜上所述，利用三維激光點云的模型重建方法位置精度高。但是點云數(shù)據(jù)密度不均勻，導(dǎo)致構(gòu)建的地形模型精細度差異較大，且易受待測區(qū)域內(nèi)的地物遮擋，導(dǎo)致點云空洞。實景三維模型的中下部信息表達得較好，基本可以還原出真實的場景；但受限于三維激光掃描儀的視角有限，無法獲取到建筑物的全部數(shù)據(jù)，導(dǎo)致利用三維激光點云重建的三維模型不完整，存在大面積空洞。

4 結(jié)束語

本文通過研究三維激光掃描技術(shù)在水電站三維建模中的應(yīng)用，闡述了該技術(shù)在水電站工程建設(shè)和管理中的重要性和優(yōu)勢。通過應(yīng)用這一技術(shù)，能夠準確地獲取水電站的三維形狀和結(jié)構(gòu)信息，為水電站的設(shè)計、維護和管理提供了有力支持。未來的研究還可以進一步探討基于激光數(shù)據(jù)的水電站三維建模方法的優(yōu)化和改進，以適應(yīng)更加復(fù)雜和多變的水電站工程需求。