水利工程激光扫描仪研究

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摘要：水利工程施工中陆域部分的地形测量和断面测量，通过地面激光扫描仪形成的点云建立三维模型还原真实地貌，较常规的测量工作，可减少大量外业作业，并可对水利工程施工区域的地形全覆盖。以水利工程中常见的地形及断面测量为例，阐述三维激光扫描仪在水利工程施工中的应用。

关键词：地面三维激光扫描仪；点云；测量；体积

1问题的提出

水利工程中存在大量的土石方工程，土石方工程部分的计量一般是按断面法按实计算，但因测量方法、计算过程及使用仪器的不同，一般都存在一定的误差，基于这种误差的存在，工程量结算时往往存在争议。可以通过逆向展示原始地形地貌的方式解决此类分岐，随着地面三维激光仪的推广使用，特别是2015年行业标准CH/Z3017—2015《地面三维激光扫描作业技术规程》的颁布，为水利工程中一些问题解决提供了较完善的逆向追溯手段，重点介绍其原理、方法以及在水利工程中应用实例。

2浙江省水利工程中测量仪器使用现状

目前浙江省在水利工程测绘仪器使用方面，工程前期项目建议书及工程规划设计阶段，基本上紧跟测量仪器的发展趋势。以GPS为代表的卫星定位系统、各个地市建立的CORS系统均发挥着重要作用，小范围的测图控制网也可省略，即可以利用CORS系统作为控制，测绘出高质量的地形图。水下地形测量方面，各种型号的测深仪均广泛使用，特别是在浙江省沿海地区的水利工程中；部分地区已投入使用遥控测量船；近年来，无人机测量技术也在一定范围内使用。这些新技术很大程度地降低了人工测量强度。施工阶段测量主要任务是施工放样及工程量计算，作业强度不高，但需贯穿施工全过程，全站仪等仪器基本上可以满足要求，一定程度上影响了新仪器新技术的推广使用。通过对浙江省沿海数十个水利工程的统计，基本上投资超过1亿元的工程项目配备才有一套RTK系统，但大多数中、小型工程只配备全站仪、测距仪等传统测量仪器，甚至老式的经纬仪等也在一定范围内还在使用。施工阶段涉水作业时必须使用的如测深仪等，大部分是靠第三方提供技术支持。软件应用方面，因原始数据采集后即可形成断面图并计算方量，故CASS系列测量软件在施工阶段应用较广；GPS专用平差软件使用普遍；部分中小工程还在手工绘图，甚至仍用求积仪进行面积计算。三维激光扫描仪、无人机测绘等新的测量手段，21世纪初部分地级市建立的CORS系统，在施工阶段应用很少。分析原因，主要是受水利施工单位现行项目管理模式的影响，即施工过程中原始的测量手段基本可以满足要求，故缺少推广的动力，所以施工阶段测量仪器新技术的使用较专业测绘单位显得落后。

3地面三维扫描仪

3.1发展简介。20世纪90年代中期，随着数字化技术及存储技术的发展（扫描仪在20世纪60年代就已经使用，但发展过程较缓慢），一种叫三维激光扫描技术开始在工程界实际应用，这种技术其实是在GPS定位并激光测距的基础上，增加扫描系统的测量仪器。随着测绘领域的发展，多数测量人员将其描述成是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。其主要测量过程是通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，从而快速、大量地采集空间点位信息，并用专用软件建立物体的三维影像模型。由于其具有快速、非接触性、实时、动态、高精度、数字化、自动化等特性，得到测量人员大力推崇，随着扫描仪技术的日趋成熟，近年来在水利工程中也得一定的应用。3.2工作原理简介。三维地面扫描仪系统的工作原理并不复杂，扫描成果其实就是无数个扫描点三维坐标组成的点云集合。扫描仪器是根据不同测距类型分类（教科书中分为激光法、相位法和时间漂移法，其实不尽准确），以市场上占多数的激光测距扫描仪器为例，工作原理就是几何三角法原理：用一台精度较高的激光测距仪进行测距，再用扫描的水平角和竖角，可以求得相对于测站的座标，如果测站坐标已知，可将测得的目标坐标值转换为系统坐标，可求得被扫描点的三维坐标（见图1）。ZXαβyPP′图1地面三维激光扫描仪工作原理示意图图1中，h=s•cosα，x=s•sinαcosβ，y=s•sinαsinβ。h为高差（m），x为纵座标，y为横座标，s为斜距（m），α为天顶距（°），β为水平角（°）。地面三维激光扫描仪工作时，激光扫描仪激光发射器射出一个激光脉冲信号，在被扫描物表面产生反射后，沿原路径反向传回到接收器，可以计算目标点P至扫描仪距离s，并同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值β和纵向扫描角度观测值α（三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在纵向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，在一个扫描站上不能完成全部扫描任务时或者需在不同的方位进行扫描时，涉及到坐标转换问题，水利工程中一般均采用国家大地坐标系统，使用高斯—克吕格投影法则，测站点一般为已知点，可用软件中的转换程序，或者预置已知点，这和全站仪相似）获得P的坐标，无数个被扫描点形成了所谓的“点云数据”。三维地面扫描仪的工作过程因不同的仪器而不尽相同，目前市场上工程所用的该类仪器，基本均是激光扫描仪。这类仪器，根据激光发射的不同，主要有灯泡式、三角式及扇形扫描仪，无论哪种形式的扫描仪，对水利工程中原始地形进行扫描，工作效率是传统断面测量方法无法比拟的。三维地面扫描仪的另一个概念，是关于真彩色点云的概念，水利工程传统测量，所测的数据最终输出的基本都是X、Y、H，但三维激光扫描仪每次测量的数据不仅包含X，Y，H三维坐标点的信息，而且还包括R（红），G（绿），B（蓝）颜色信息，这样全面的信息能使地形地貌在计算机屏幕上真实展现，是传统测量手段无法做到的，这也是扫描仪器近几年得以大量应用的重要原因。

4地面三维扫描仪在水利工程施工中的应用

4.1传统体积计算方法及激光三维扫描仪应用。水利工程前期阶段的面积计算往往以大比例地形图为基础进行估算，计算精度十分有限，不宜作为结算工程量。施工阶段的收方测量及开工时的原始地形测量，因涉及工程量的结算，测量方法的选择较慎重，过程较严谨，精度自然要求相对较高。水利工程中的土石方等非规则体的体积计算，传统的算法通常是断面法或利用地形图方格法计算。断面法主要用于线型构筑物或须局部开挖的地形，方格法主要用于大型料场或整座山开挖的地形，并且对地形图等高线精度要求较高，以便计算出相对较准确的工程量。在断面法中，断面间距、断面点的选取位置以及测量方法的不同，造成误差精度也不同，计算的体积精度也就不同。但随着RTK等测量设备的应用，虽然断面测量较方便，但断面点的选择往往因人而异，有一定的随意性，所以在测量散点组成的闭合图形中，面积计算的误差往往因人而异。若采取扫描的形式进行原始地形测量，一方面据此可计算出工程量，另一方面，可将原始地形建立三维图备份，对已破坏的地形地貌进行逆向展示，可以解决这种精度认知方面的分岐。4.2三维扫描仪在体积计算方面的应用（以某水库地形为例）。（1）扫描站的设定。布设扫描站时，应根据被扫描物的形态、位置及距离确定，扫描站要设置合理，避免遮挡及干扰，即原则上既要方便仪器操作，又要能够对被扫描物全方位无死角进行扫描。扫描站需在现场踏勘的基础上确定，对于较复杂的扫描体，应事先进行扫描方案设计并编制作业指导书，确保扫描作业的连续性、有效性，因扫描的同时也在测距，所以要注意温度、光线及附近电磁波等对仪器的影响，尽量排除干扰。本次扫描所采用仪器为徕卡HDS8800扫描仪，配置的数码相机为尼康100型。扫描前均对仪器进行检查，满足相关规定的要求。本次作业共布设9个扫描站，分区域分段对区内地形进行扫描。（2）布设反射体。反射体的作用就是控制点，用于各扫描幅间的拼接（这方面类似于摄影测量）。反射体的数量一般在2个扫描站间不应少于3个，以校正各扫描站间的误差是否满足要求。根据现场情况，本次共布设21个反射体，相邻扫描站同名反射体确保在3个以上，以保证后期数据处理时的关联。　（3）数据扫描。三维地面扫描仪和其它工程测量仪器一样，也是架设在三角架上，和电源、相机等设备相连。一般三维地面扫描仪均经过粗扫、反射体定位、影象形成、精扫等步骤。影像的色彩，要视配备的数码相机的性能而定，可以根据天气、光线等环境因素设置不同的拍摄参数，扫描时的分辨率也应根据距离等条件因素设定。本次作业因范围较大，因为反射体相对布设得较理想，扫描区域较明确，故扫描过程较顺利。根据相关方要求，设定的扫描分辨率为1mm。每个扫描站作业时间平均约30min，包括扫描站测量时间在内共计1.5d时间，结束全部外业扫描工作。（4）拼接、数据处理及三维建模。数据拼接时，靶标采用测量数据、点云特征值拟合的方法统一到同一个坐标系统下，拼接精度控制在2cm内。三维数据是由地形表面的扫描点集合组成，数据量十分庞大，在点云数据处理前，要进行必要的分析整理，发现遗漏及时补扫，扫描数据难免出现非目标扫描数据，应过滤掉多余的数据并在此基础上在进行拟合，进一步建立三维模型。点云数据的着色是建立三维图形的重要步骤，从影像像素上提取的色彩信息（即RGB）对应到各扫描点，当点云数据达到一定量时，形成逼真的实体信息，在此基础上，去除掉部分冗余数据，再进行三维建模。本次扫描的数据处理及建模是运用GeomagicStudio软件进行。图2为本次扫描后的部分三维地形图。　　图2某水库地形扫描图（局部）（5）面积计算。部分仪器所采用的软件可直接求出被扫描物的体积，根据多年来从业人员的经验，体积值受拟合线及剖面位置的影响较大，若断面位置选取不当，计算精度反而十分有限。对于工程计量而言，特别是大面积的开挖或回填，剖面位置可根据具体情况选取而不是根据软件平均距离取剖面，以保证工程量计算的精度。因为已形成了三维地形图，也可以采用剖面法或方格法进行计算，这和常规的计算方法相同。

5地面三维扫描仪测量的精度控制

5.1扫描过程中精度控制。地面三维扫描仪是高灵敏度的电子机械仪器，有自身的使用条件，其工作精度主要受温度、磁场等影响，应避免在极端温度条件和地磁异常的地区进行扫描作业。扫描过程中的精度主要受仪器自身精度、原始点精度、反射体精度、被扫描物遮挡情况、影响激光束的环境因素（如温度、大气压等）等方面影响。其中被扫描物遮掩在植被茂密情况下对精度影响较大，须采取人工改正措施（如GPS测点加密等）确保精度，其它因素类似于常规仪器如全站仪测量时的精度控制。5.2拼接、建模精度控制。通过靶标将分散扫描的点云数据拼接成图时，扫描的位置、标靶的布置及拼接方式的选择等是影响拼接精度的主要因素。较理想的拼接方式是在控制点处也设置靶标，进行同名点拼接，并且各靶标点间互相通视，对一个靶点在不同的站点多次扫描，并在数据处理时进行去噪处理。另外，目前市场上各类仪器使用的软件不尽相同，但建模时尽量避免不必要的格式转化，避免转化过程中的拟合误差。

6地面三维扫描仪的特点

三维激光扫描仪较传统测量仪器，优点主要表现在作业时间短，效率高，所测得的是三维地形图，精度较高，并且外业操作相对简单；缺点是仪器价格较高，推广起来难度较大，软件缺乏统一的操作平台。相对于其它测量仪器，三维地面扫描仪在水利工程中主要有以下特点。6.1数据采集的快速性。在断面测量手段中，以使用较多的RTK为例，每一点的测量费时基本在2s以上，若要以数字化的方式建立三维模型，面对庞大的点云数据，这样的测量速度根本不能满足数据采集的需求，但三维激光扫描仪改变了这一现状，脉冲扫描仪（Scanstation2）最大速度已经达到50000点/s，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点/s，这种三维激光扫描仪对水利工程而言，足以对原始地形地貌全方位用数据进行描述并快速建立局部的三维模型，这也是地面三维激光扫描仪在工程中得以应用的主要原因。6.2真实的地形复制三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立复杂地形的三维可视化模型，既省时又省力，这种能力是现行三维建模软件所不可比拟的。6.3为工程量结算提供依据。水利工程因其自身特点，土石方工程费用占工程投资的比重较大，随着浙江省水利工程建设的发展，各方面对工程量的计算精度均提出新的要求，特别是近年来审计部门的介入，往往因工程原始地形已破坏不能对部分有疑义的工程量提供原始的计算凭据，因工程量引起的纠纷无法从根本上进行判定，三维扫描仪的出现解决了此类争议。6.4工程原始地形档案的全覆盖和可视化。较传统的地形测量方式，三维扫描仪可以将原始地形地貌以三维图像的形式保存下来，可实现施工区域地形全覆盖（水下部分除外），并以立体的方式对工程形成局部逆向的展示，工程原始地形档案资料立体可视化。

7结语

水利工程施工阶段的土石方工程占工程投资的比重较大，开工前的原始地形测量往往是各方关注的重点，极易形成合同争议。若在原始地形破坏前将地形扫描并建立三维立体图形存档备查，既可替代传统的地形测量工作（水下地形测量除外），又对土方工程量争议的解决起到见证作用。随着三维扫描技术的日趋成熟，特别是CH/Z3017—2015《地面三维激光扫描作业技术规程》的颁布，为其在水利工程中的应用提供重要的技术支持，主管部门应予以重点引导，鼓励相关方进一步论证并落实建立原始地形三维图像，推动提高水利工程建设水平。

参考文献：

[1]马立广.地面三维激光扫描仪的分类与应用[J].地理空间信息，2005(3)：60-62.

作者:陈林 马兴建 单位:1.浙江省水利河口研究院 2.浙江广川工程项目管理有限公司