摘要：随着科学技术的不断发展，越来越多的科学技术的应用给我们的日常生活带了许多便利，其中将三维激光扫描技术应用于水利工程地形测绘中能够有效提升水利工程地形测绘作业的测绘效率和测绘精度，非常值得大规模的推广和应用。本文结合实际的水利工程建设项目，研究探讨在水利工程地形测绘中使用三维激光扫描技术进行地图测绘的方法。
关键词：三维激光扫描技术；水利工程；地形测绘；应用
1三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是将拥有的单色性、高亮度、方向性等特性的激光，作为一种测距的载体的测量技术，这些特性让三维激光扫描技术拥有了超越其他测量方式的测量精度和测量效率，同时它还具有操作简易的特点。随着时代的发展，科学技术的不断进步，在21世纪初，激光技术、计算机技术以及传感器技术三方面的技术的发展使得三维激光扫描仪的精度、效率、抗干扰以及测量距离等方面都得到非常明显的提升，而在其功能进步的同时，它的操作难度以及价格也在不断下降，使得三维激光扫描仪的实用性大幅度增加，使得它的应用范围大大增加。常规的三维激光扫描仪根据它的测量距离可以分为三种，分别是三角式三维激光扫描仪、相位式三维激光扫描仪以及脉冲式三维激光扫描仪。由于三角式三维激光扫描仪和相位式三维激光扫描仪的测量范围较小，测量范围为0.5m~100m，而脉冲式三维激光扫描仪的测量范围较大，为1m~6000m。因此，在水利工程中的地形测绘工作使用的三维激光扫描仪大多数都是脉冲式三维激光扫描仪。脉冲式三维激光扫描仪是使用非接触式高速激光来进行地图测绘工作的，然后将测量目标的物体表面几何的特征用点云的方法表现出来。它的测量距离的方式是通过激光发生器发射级别为ClassI的激光脉冲，通过接收器接收从被测量物体表面反射回来的激光脉冲，并记录下高精度下的往返时间差，计算光速和时间差乘积，将结果除以2就得出了三维激光测距仪和被测量物体相隔的距离。在测量被测物体与三维激光测量仪之间的距离时，可以通过内置角度测量系统来测量每一束激光打的垂直角以及水平角，从而获得每一个扫描点在三维激光扫描仪所定义坐标系内的Ｘ、Ｙ、Ｚ坐标值。三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时还会对被测物体的反射强度值进行记录，并将它命名为“反射率”。
2三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的实践应用
2.1水利工程简介
某水利工程为例，工程全长385km，流域面积18426km2，洪水期流量388m2/s，本工程集发电和引水与一体，工程拟建坝高约为110m。大坝建设区域为无人区，无植被覆盖。在工程建设之初，计划使用航空摄影技术进行地形测绘，但是在被测绘区域内的飞行情况比较差，航空摄影比较困难，很难在规定时间内完成相关的地形测绘工作，经过研究决定，使用三维激光扫描技术进行地形测绘。
2.2利用三维激光扫描技术进行地形测绘的过程
本次工程使用RIEGLVZ—1000三维激光扫描仪进行地形测绘，这台扫描仪的最远扫描距离能够达到1400m，水平测绘范围能够达到360°，垂直测绘范围能够达到100°。在对水利工程进行地形测绘时，能够使用全波形回波技术与实时全波形数字化处理分析技术进行测绘，即便是在环境比较恶劣的情况下，也能够顺利完成测绘工作。扫描仪所使用的数据处理软件为仪器自带的RiSCANPRO软件包和南方cass9.1成图系统。在使用这台仪器进行地形测绘时，可以把三维激光扫描仪看作是自动观测的免棱镜全站仪，只要是在仪器可视范围内的地点，便能够顺利展开测绘。为了更加全面的对地面信息进行观测，一定要按照方便保存、方便使用的原则进行三维激光扫描仪架站位置的选择，测量过程中还要注意能够与其他测量方式联合展开测量，所以架站位置的选择一定要开阔。经过对水利工程进行实地勘察后最终决定选择8个位置作为设站点。在对水利工程的地形进行测绘时，按照常规的测量方式在监测站上架设三维激光扫描仪，在测绘过程中使用的是以空间点云数据为发射器的自定义空间极坐标系。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了使云数据和水利工程的坐标系保持一致，首先输入测站坐标和后视点坐标，使用RiSCANPRO软件计算出平移和旋转的参数，为空间坐标系原点赋予X、Y、Z坐标和正北方向之后，对后视标靶进行定向，然后开始扫描作业，获取测绘所需数据。由于工程所在地的地形、地势非常复杂，使用三维激光扫描仪得出的数据可能会出现不准确或者不完整的状况，所以三维激光扫描仪的操作员需要对局部地区进行精准扫描，与司尺员配合使用标靶进行定点补充测量，确保扫描数据的准确性与完整性。一个测绘站完成测绘之后，把仪器运到下一个测绘站重复上述的测量工作，对8个测绘站分别进行测绘，为了方便后期的处理，在进行地形测绘时要保证相邻两个测绘站的扫描范围有30%以上的重复率。全部测绘工作完成之后，使用GPS—RTK对测绘区域的部分特征点进行测量记录，并利用所得数据对点云进行精度验证。
2.3对测绘数据进行编辑的方法
全部的测绘工作完成之后，需要把得到的数据放到RiSCANPRO软件中进行预处理，与此同时，还需要把GPS—RTK测得的特征点导入数据进行对比，确认点云数据配准到正确位置。由于在进行水利工程测绘时，外部环境的变化和测量设备都会对测得的数据产生一定的影响，所以可能导致数据中出现很多的噪点，在进行后期计算时，需要对这些数据进行平滑处理。RiSCANPRO软件有很多种视图模式，不同的点的颜色信息也会存在很大的差别，通过不同的颜色信息，可以清楚的看到图中物体的形状。对于其中具有特点的直线要进行特殊的标记，并建立独立的dxf文件，对不同特征的数据进行补充，完成对测量数据的编辑工作。为了保证地形测绘成果的一致性，需要对各个站点的扫描数据进行拼接，经常使用的拼接方法是迭代最近点算法，这种算法使用的是点集对点集的迭代算法，能够拟合出匹配的起伏曲面。使用RiSCANPRO软件能够对数据进行补充和完善，测量所得的原数据差值越小，所获得的拼接效果越好。结合各个测绘区域的不同情况进行点云数据拼接，最后生成拼接误差分析报告，满足限差要求之后，完成对各个区域的数据拼接。由于使用三维激光扫描技术获得的点云非常密集，并且会存在大量的冗余，所以为了减少后期计算过程中的工作量，需要消除多余的点云，防止这些多余的点云影响计算结果。数据过滤是整个数据编辑的重要环节，在进行数据过滤时，需要根据测区的具体情况，使用曲率采样的方法对点云数据进行过滤。在曲率比较大的区域要保留较多的点，以便对曲面的特征进行完整、精确的表示，在那些比较平缓的区域，可以保留相对较少的点。RiSCANPRO软件能够将处理好的数据导出为dxf文件，使用南方cass软件打开dxf文件，然后导入补充测量的特征数据，使用相关的技术对数据进行编辑，构建三角网，生成地形图成果，得到最终的图形文件。由于目前使用三维激光扫描仪所测量的精度还有所欠缺，所以还需要对各个测站中的重合区域进行高差起伏比较，依据测绘成果对测量精度进行检查和验收，保证测量的精度符合相关规定，由扫描数据所生成的地物点平面位置误差为1.02m，高程注记点误差为0.56m。
3三维激光扫描仪在使用过程中的注意事项
（1）三维激光扫描仪本身具有一些缺陷，因此如果在扫描的工作之中增加扫描距离的话，其测量的精度就会下降。在这样的情况下，在进行测绘工作的时候就需要根据不同的比例尺安排测绘工作，避免三维激光扫描仪的自身限制，保证其合理有效的扫描范围，这样就能保证实际测量之后，架设站点的设计方案和测量区域的实际情况相符合。（2）在工作人员进行后期数据拼接的工作的时候，工作人员需要注意到两个相邻的站点的扫描范围会存在着重合率的情况，如果重合率比较大的话，外业工作的工作量就会加大，如果重合率较小的话，就会对拼接工作的精度造成影响。因此在实际测绘工作的时候，要使用比例尺掌握好实际的地形情况。（3）受到地形测绘软件的影响，使得水利工程工作人员进行外业扫描的工作时，还要对考虑到之后的数据编辑工作。在一些相对较为特别的地区进行测量工作时，就要使用相对应的ITA测量方法，这样对于测量的精度有着较为明显的提升作用。
4结语
根据三维激光测绘技术在水利工程项目中的实践应用，可以看出其不仅对于水利工程项目的测绘精度和测绘效率都有着较大的提升之外，还具有着操作简易和价格适中等实用性较强的优点，其对于水利工程项目的建设具有着积极的促进作用，具有广泛应用的价值，值得我们大力推广。
参考文献：
[1]崔亦芳，丁双林，施攀，等.三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的应用[J].北京测绘，2015（2）：89-92.
[2]郭琳娜，张吉平，柳永全，等.利用地面三维激光扫描技术进行地形测绘[J].中国科技论文，2015（9）：1014-1018.
论文作者:张发顺1,何幸栓2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/25
标签：激光论文; 测量论文; 扫描仪论文; 地形论文; 数据论文; 水利工程论文; 技术论文; 《基层建设》2018年第32期论文;