黄河水利委员会水文局 河南郑州 450004
摘要：水文地形测绘作为“智慧黄河”建设的体系的重要组成部分，本文对如何提高黄河水文测验中水库河道地形测绘的质量以及效率进行了探讨，介绍了应用地面三维激光扫描技术精确、高效的完成水库河道地形测绘工作进行了分析，并利用点云数据处理技术分析了水库河道地形测绘当中数据处理的相关注意事项。
关键词：地面三维激光扫描技术；黄河水文；水库河道地形测绘
水文工作是水利工作的基础，水文测报又是水文工作的基础。为了加快黄河水文测报能力的提升，应对突发洪水引起的自然灾害，近两年黄河水文引进了无人机摄影测量技术，水下多波束测深三维成像技术，形成了水上水下三维建模的无缝对接，为黄河防汛决策提供了完善的可视化数据。地面三维激光扫描技术由于受地形条件限制少、安装携带方便、不受空中管制及恶劣天气的影响等，必将在黄河防汛抗灾中发挥重要作用。
1 地面三维激光扫描技术的基本工作原理
地面三维激光扫描仪技术是由多部件组成的复合系统，包括地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备等，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。目前常用的三维激光扫描技术被分为相位式、脉冲式以及三角式，因为脉冲式三维激光扫描技术的测量范围在 1~6000m 的范围当中，三角式三维激光扫描技术的测量范围在0.5~100m的范围当中，因此，应用最为广泛的三维激光扫描技术是脉冲式的。
工作原理：三维激光扫描仪对目标扫描后，采集到的空间位置信息是以扫描坐标系为基准的。发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。
2 地面三维激光扫描技术在河道地形测绘中的应用
2017年6月，黄河水文应急监测演练在黄河小浪底反调节水库西霞院坝下河段举行，我们采用了RIEGL VZ-6000地面三维激光扫描系统进行了河道地形图测绘。
2.1数据获取与数据处理
地面三维激光扫描技术整个工作流程可分为以下步骤：控制测量，外业数据采集，点云拼接和坐标转换，点云的后期处理，点云的实际应用。
2.1.1控制测量
地面三维激光扫描仪采集到的数据是独立坐标系下的数据，为了得到国家2000坐标系下的数据，需要控制点信息。根据现场的条件，每次从测量控制网引出3个以上的点作为三维激光扫描的控制点。
2.1.2数据采集
根据现场实际情况，在合适的位置设站，并设置好标靶，对需要扫描的内容进行详尽地扫描，为了保证点云数据的顺利拼接，相连站间需要扫描3个以上的特征点。在数据采集过程中，测站和标靶设置的合适与否，将直接影响到扫描的效率和精度。
2.1.3点云拼接和坐标转换
各站的点云数据是以扫描仪位置为参考点的独立坐标系，没有直接连续，所以需要在随机软件中通过公共特征点进行拼接。要得到项目坐标系下的点云数据，就需要进行坐标转换。其方法就是利用扫描的控制点坐标，将整个点云转换成需要的坐标系统，坐标转换的误差与控制点误差、点云拼接误差等有关。
2.1.4点云的后期处理
作业现场扫描到与扫描无关的信息，在处理过程中应尽量删除，以保证点云干净。着色处理就是对点云赋予合适的颜色，让点云模型更加美观。如果采集数据的时候进行了全景扫描，则可读取真实的RGB值赋给点云，这样点云所展现的颜色就是真实的颜色。如果没有进行全景扫描，则需要通过后处理软件给点云赋予自定义颜色。
2.2点云的实际应用
根据河道水位涨落变化情况，在特定的时间节点上，对现场进行了若干次扫描，将扫描的点云数据主要应用于河道冲淤量计算。
2.2.1冲淤量计算
水库河道冲淤量计算问题，传统的做法是在河道上布设有干能代表本河段地形断面，然后采用断面法进行冲淤量计算，在二维方式下进行的，其计算结果往往与实际相差较大，已不能适应“智慧水文”发展的要求。而采用三维方式进行计算，则能够克服上述不足。
我们对冲淤前后的地形进行了三维激光扫描，并得到了较为干净的点云数据，建立了数字地面模型。较高密度的点云数据，对建立高精度的DTM提供了保证，但DTM中就会存在大量的数据冗余，从而对计算机资源提出了较高的要求，在现有软硬件环境下很难满足实时的浏览编辑以及计算。由于冲淤量计算的精度要求相对较低，故对点云数据进行了抽稀处理，大大简化了数据量，最终建立了DTM模型。
3总结与展望
地面三维激光扫描仪这种无接触、高自动化、高精度的测量方式较传统测量方式有很大的优势，在地况较复杂的水文地形测绘中更是一条捷径。本文介绍了地面三维激光扫描仪数据采集处理的流程和方法，并对数据处理中的点云处理和应用做了简单论述，地面三维激光扫描仪在水库河道地形测绘等水文监测领域存在巨大潜力，需要我们进一步探索与研究。
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.北京测绘，2015（2）：89—92
[2]徐锐.康慨.王陆军．RIEGL VZ-4000 三维激光扫描仪在水利水电工程地形测绘中的应用[J]地矿测绘.2015，01.38~40．
论文作者:孔德志,赵世斗,任小凤
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/18
标签：激光论文; 黄河论文; 水文论文; 地形论文; 数据论文; 河道论文; 地面论文; 《建筑学研究前沿》2017年第19期论文;