水利工程激光掃描儀研究

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摘要：水利工程施工中陸域部分的地形測量和斷面測量，通過地面激光掃描儀形成的點云建立三維模型還原真實地貌，較常規的測量工作，可減少大量外業作業，并可對水利工程施工區域的地形全覆蓋。以水利工程中常見的地形及斷面測量為例，闡述三維激光掃描儀在水利工程施工中的應用。

關鍵詞：地面三維激光掃描儀；點云；測量；體積

1問題的提出

水利工程中存在大量的土石方工程，土石方工程部分的計量一般是按斷面法按實計算，但因測量方法、計算過程及使用儀器的不同，一般都存在一定的誤差，基于這種誤差的存在，工程量結算時往往存在爭議。可以通過逆向展示原始地形地貌的方式解決此類分岐，隨著地面三維激光儀的推廣使用，特別是2015年行業標準CH/Z3017—2015《地面三維激光掃描作業技術規程》的頒布，為水利工程中一些問題解決提供了較完善的逆向追溯手段，重點介紹其原理、方法以及在水利工程中應用實例。

2浙江省水利工程中測量儀器使用現狀

目前浙江省在水利工程測繪儀器使用方面，工程前期項目建議書及工程規劃設計階段，基本上緊跟測量儀器的發展趨勢。以GPS為代表的衛星定位系統、各個地市建立的CORS系統均發揮著重要作用，小范圍的測圖控制網也可省略，即可以利用CORS系統作為控制，測繪出高質量的地形圖。水下地形測量方面，各種型號的測深儀均廣泛使用，特別是在浙江省沿海地區的水利工程中；部分地區已投入使用遙控測量船；近年來，無人機測量技術也在一定范圍內使用。這些新技術很大程度地降低了人工測量強度。施工階段測量主要任務是施工放樣及工程量計算，作業強度不高，但需貫穿施工全過程，全站儀等儀器基本上可以滿足要求，一定程度上影響了新儀器新技術的推廣使用。通過對浙江省沿海數十個水利工程的統計，基本上投資超過1億元的工程項目配備才有一套RTK系統，但大多數中、小型工程只配備全站儀、測距儀等傳統測量儀器，甚至老式的經緯儀等也在一定范圍內還在使用。施工階段涉水作業時必須使用的如測深儀等，大部分是靠第三方提供技術支持。軟件應用方面，因原始數據采集后即可形成斷面圖并計算方量，故CASS系列測量軟件在施工階段應用較廣；GPS專用平差軟件使用普遍；部分中小工程還在手工繪圖，甚至仍用求積儀進行面積計算。三維激光掃描儀、無人機測繪等新的測量手段，21世紀初部分地級市建立的CORS系統，在施工階段應用很少。分析原因，主要是受水利施工單位現行項目管理模式的影響，即施工過程中原始的測量手段基本可以滿足要求，故缺少推廣的動力，所以施工階段測量儀器新技術的使用較專業測繪單位顯得落后。

3地面三維掃描儀

3.1發展簡介。20世紀90年代中期，隨著數字化技術及存儲技術的發展（掃描儀在20世紀60年代就已經使用，但發展過程較緩慢），一種叫三維激光掃描技術開始在工程界實際應用，這種技術其實是在GPS定位并激光測距的基礎上，增加掃描系統的測量儀器。隨著測繪領域的發展，多數測量人員將其描述成是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術新突破。其主要測量過程是通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據，從而快速、大量地采集空間點位信息，并用專用軟件建立物體的三維影像模型。由于其具有快速、非接觸性、實時、動態、高精度、數字化、自動化等特性，得到測量人員大力推崇，隨著掃描儀技術的日趨成熟，近年來在水利工程中也得一定的應用。3.2工作原理簡介。三維地面掃描儀系統的工作原理并不復雜，掃描成果其實就是無數個掃描點三維坐標組成的點云集合。掃描儀器是根據不同測距類型分類（教科書中分為激光法、相位法和時間漂移法，其實不盡準確），以市場上占多數的激光測距掃描儀器為例，工作原理就是幾何三角法原理：用一臺精度較高的激光測距儀進行測距，再用掃描的水平角和豎角，可以求得相對于測站的座標，如果測站坐標已知，可將測得的目標坐標值轉換為系統坐標，可求得被掃描點的三維坐標（見圖1）。ZXαβyPP′圖1地面三維激光掃描儀工作原理示意圖圖1中，h=s•cosα，x=s•sinαcosβ，y=s•sinαsinβ。h為高差（m），x為縱座標，y為橫座標，s為斜距（m），α為天頂距（°），β為水平角（°）。地面三維激光掃描儀工作時，激光掃描儀激光發射器射出一個激光脈沖信號，在被掃描物表面產生反射后，沿原路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點P至掃描儀距離s，并同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值β和縱向掃描角度觀測值α（三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在縱向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，在一個掃描站上不能完成全部掃描任務時或者需在不同的方位進行掃描時，涉及到坐標轉換問題，水利工程中一般均采用國家大地坐標系統，使用高斯—克呂格投影法則，測站點一般為已知點，可用軟件中的轉換程序，或者預置已知點，這和全站儀相似）獲得P的坐標，無數個被掃描點形成了所謂的“點云數據”。三維地面掃描儀的工作過程因不同的儀器而不盡相同，目前市場上工程所用的該類儀器，基本均是激光掃描儀。這類儀器，根據激光發射的不同，主要有燈泡式、三角式及扇形掃描儀，無論哪種形式的掃描儀，對水利工程中原始地形進行掃描，工作效率是傳統斷面測量方法無法比擬的。三維地面掃描儀的另一個概念，是關于真彩色點云的概念，水利工程傳統測量，所測的數據最終輸出的基本都是X、Y、H，但三維激光掃描儀每次測量的數據不僅包含X，Y，H三維坐標點的信息，而且還包括R（紅），G（綠），B（藍）顏色信息，這樣全面的信息能使地形地貌在計算機屏幕上真實展現，是傳統測量手段無法做到的，這也是掃描儀器近幾年得以大量應用的重要原因。

4地面三維掃描儀在水利工程施工中的應用

4.1傳統體積計算方法及激光三維掃描儀應用。水利工程前期階段的面積計算往往以大比例地形圖為基礎進行估算，計算精度十分有限，不宜作為結算工程量。施工階段的收方測量及開工時的原始地形測量，因涉及工程量的結算，測量方法的選擇較慎重，過程較嚴謹，精度自然要求相對較高。水利工程中的土石方等非規則體的體積計算，傳統的算法通常是斷面法或利用地形圖方格法計算。斷面法主要用于線型構筑物或須局部開挖的地形，方格法主要用于大型料場或整座山開挖的地形，并且對地形圖等高線精度要求較高，以便計算出相對較準確的工程量。在斷面法中，斷面間距、斷面點的選取位置以及測量方法的不同，造成誤差精度也不同，計算的體積精度也就不同。但隨著RTK等測量設備的應用，雖然斷面測量較方便，但斷面點的選擇往往因人而異，有一定的隨意性，所以在測量散點組成的閉合圖形中，面積計算的誤差往往因人而異。若采取掃描的形式進行原始地形測量，一方面據此可計算出工程量，另一方面，可將原始地形建立三維圖備份，對已破壞的地形地貌進行逆向展示，可以解決這種精度認知方面的分岐。4.2三維掃描儀在體積計算方面的應用（以某水庫地形為例）。（1）掃描站的設定。布設掃描站時，應根據被掃描物的形態、位置及距離確定，掃描站要設置合理，避免遮擋及干擾，即原則上既要方便儀器操作，又要能夠對被掃描物全方位無死角進行掃描。掃描站需在現場踏勘的基礎上確定，對于較復雜的掃描體，應事先進行掃描方案設計并編制作業指導書，確保掃描作業的連續性、有效性，因掃描的同時也在測距，所以要注意溫度、光線及附近電磁波等對儀器的影響，盡量排除干擾。本次掃描所采用儀器為徠卡HDS8800掃描儀，配置的數碼相機為尼康100型。掃描前均對儀器進行檢查，滿足相關規定的要求。本次作業共布設9個掃描站，分區域分段對區內地形進行掃描。（2）布設反射體。反射體的作用就是控制點，用于各掃描幅間的拼接（這方面類似于攝影測量）。反射體的數量一般在2個掃描站間不應少于3個，以校正各掃描站間的誤差是否滿足要求。根據現場情況，本次共布設21個反射體，相鄰掃描站同名反射體確保在3個以上，以保證后期數據處理時的關聯。　（3）數據掃描。三維地面掃描儀和其它工程測量儀器一樣，也是架設在三角架上，和電源、相機等設備相連。一般三維地面掃描儀均經過粗掃、反射體定位、影象形成、精掃等步驟。影像的色彩，要視配備的數碼相機的性能而定，可以根據天氣、光線等環境因素設置不同的拍攝參數，掃描時的分辨率也應根據距離等條件因素設定。本次作業因范圍較大，因為反射體相對布設得較理想，掃描區域較明確，故掃描過程較順利。根據相關方要求，設定的掃描分辨率為1mm。每個掃描站作業時間平均約30min，包括掃描站測量時間在內共計1.5d時間，結束全部外業掃描工作。（4）拼接、數據處理及三維建模。數據拼接時，靶標采用測量數據、點云特征值擬合的方法統一到同一個坐標系統下，拼接精度控制在2cm內。三維數據是由地形表面的掃描點集合組成，數據量十分龐大，在點云數據處理前，要進行必要的分析整理，發現遺漏及時補掃，掃描數據難免出現非目標掃描數據，應過濾掉多余的數據并在此基礎上在進行擬合，進一步建立三維模型。點云數據的著色是建立三維圖形的重要步驟，從影像像素上提取的色彩信息（即RGB）對應到各掃描點，當點云數據達到一定量時，形成逼真的實體信息，在此基礎上，去除掉部分冗余數據，再進行三維建模。本次掃描的數據處理及建模是運用GeomagicStudio軟件進行。圖2為本次掃描后的部分三維地形圖。　　圖2某水庫地形掃描圖（局部）（5）面積計算。部分儀器所采用的軟件可直接求出被掃描物的體積，根據多年來從業人員的經驗，體積值受擬合線及剖面位置的影響較大，若斷面位置選取不當，計算精度反而十分有限。對于工程計量而言，特別是大面積的開挖或回填，剖面位置可根據具體情況選取而不是根據軟件平均距離取剖面，以保證工程量計算的精度。因為已形成了三維地形圖，也可以采用剖面法或方格法進行計算，這和常規的計算方法相同。

5地面三維掃描儀測量的精度控制

5.1掃描過程中精度控制。地面三維掃描儀是高靈敏度的電子機械儀器，有自身的使用條件，其工作精度主要受溫度、磁場等影響，應避免在極端溫度條件和地磁異常的地區進行掃描作業。掃描過程中的精度主要受儀器自身精度、原始點精度、反射體精度、被掃描物遮擋情況、影響激光束的環境因素（如溫度、大氣壓等）等方面影響。其中被掃描物遮掩在植被茂密情況下對精度影響較大，須采取人工改正措施（如GPS測點加密等）確保精度，其它因素類似于常規儀器如全站儀測量時的精度控制。5.2拼接、建模精度控制。通過靶標將分散掃描的點云數據拼接成圖時，掃描的位置、標靶的布置及拼接方式的選擇等是影響拼接精度的主要因素。較理想的拼接方式是在控制點處也設置靶標，進行同名點拼接，并且各靶標點間互相通視，對一個靶點在不同的站點多次掃描，并在數據處理時進行去噪處理。另外，目前市場上各類儀器使用的軟件不盡相同，但建模時盡量避免不必要的格式轉化，避免轉化過程中的擬合誤差。

6地面三維掃描儀的特點

三維激光掃描儀較傳統測量儀器，優點主要表現在作業時間短，效率高，所測得的是三維地形圖，精度較高，并且外業操作相對簡單；缺點是儀器價格較高，推廣起來難度較大，軟件缺乏統一的操作平臺。相對于其它測量儀器，三維地面掃描儀在水利工程中主要有以下特點。6.1數據采集的快速性。在斷面測量手段中，以使用較多的RTK為例，每一點的測量費時基本在2s以上，若要以數字化的方式建立三維模型，面對龐大的點云數據，這樣的測量速度根本不能滿足數據采集的需求，但三維激光掃描儀改變了這一現狀，脈沖掃描儀（Scanstation2）最大速度已經達到50000點/s，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經達到120萬點/s，這種三維激光掃描儀對水利工程而言，足以對原始地形地貌全方位用數據進行描述并快速建立局部的三維模型，這也是地面三維激光掃描儀在工程中得以應用的主要原因。6.2真實的地形復制三維激光掃描儀，其掃描結果直接顯示為點云，利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據，可快速建立復雜地形的三維可視化模型，既省時又省力，這種能力是現行三維建模軟件所不可比擬的。6.3為工程量結算提供依據。水利工程因其自身特點，土石方工程費用占工程投資的比重較大，隨著浙江省水利工程建設的發展，各方面對工程量的計算精度均提出新的要求，特別是近年來審計部門的介入，往往因工程原始地形已破壞不能對部分有疑義的工程量提供原始的計算憑據，因工程量引起的糾紛無法從根本上進行判定，三維掃描儀的出現解決了此類爭議。6.4工程原始地形檔案的全覆蓋和可視化。較傳統的地形測量方式，三維掃描儀可以將原始地形地貌以三維圖像的形式保存下來，可實現施工區域地形全覆蓋（水下部分除外），并以立體的方式對工程形成局部逆向的展示，工程原始地形檔案資料立體可視化。

7結語

水利工程施工階段的土石方工程占工程投資的比重較大，開工前的原始地形測量往往是各方關注的重點，極易形成合同爭議。若在原始地形破壞前將地形掃描并建立三維立體圖形存檔備查，既可替代傳統的地形測量工作（水下地形測量除外），又對土方工程量爭議的解決起到見證作用。隨著三維掃描技術的日趨成熟，特別是CH/Z3017—2015《地面三維激光掃描作業技術規程》的頒布，為其在水利工程中的應用提供重要的技術支持，主管部門應予以重點引導，鼓勵相關方進一步論證并落實建立原始地形三維圖像，推動提高水利工程建設水平。

參考文獻：

[1]馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應用[J].地理空間信息，2005(3)：60-62.

作者:陳林 馬興建 單位:1.浙江省水利河口研究院 2.浙江廣川工程項目管理有限公司