广东省水利电力勘测研究院 510635
摘要：地形测绘是水利工程规划和建设的基础工作，如何有效提高地形测绘的工作效率，一直是广大测绘工作者的研究方向。随着科技的发展，三维激光扫描技术在水利工程地形测绘工作中的应用越来越广泛。文章简单介绍了三维激光扫描技术的工作原理，对该技术在地形测绘中的应用做了细致的分析。
关键词：三维激光扫描技术；水利工程；地形测绘；应用
引言
三维激光扫描技术是测绘领域继ＧＰＳ技术之后的又一次技术革新，已在模型重构、虚拟现实等三维模型方面得到大规模应用。由于至今还没有一套完整、成熟的基于点云数据的地形图测绘软件，在成图的过程中需要交互使用不同的软件，制约了其在地形测绘工作中的应用，因此对三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的应用进行探究是非常重要的。
1三维激光扫描技术的工作原理
激光具有单色性、高亮度、相干性、方向性等特性，将其作为一种测距载体，能够在精度、速度、可操作性方面超越其他的测量方式。随着传感器和计算机技术的快速发展，三维激光扫描技术的速度、精确度和抗干扰能力也得到了进一步的提升，有助于实现更长距离的作业。三维激光扫描技术的操作难度和作业成本的下降，使得该技术拥有了更大的应用范围。
三维激光扫描技术最主要的设备是三维激光扫描仪，该设备根据测距方式的不同可以分为三角式、相位式和脉冲式三种，其中三角式和相位式的测量范围比较小，脉冲式的测量范围比较大，因此实际的测距工作一般采用脉冲式扫描仪。脉冲式三维激光扫描仪的测量方法是非接触式的高速激光测量，可以通过点云形式细致展现出所测物体的几何特征，其工作原理是激光发射器发射出激光脉冲投射至被测物体，反射光由接收器接受，然后根据高精度的钟表对激光脉冲往返时间差进行测量与记录。测距仪与被测物体间的距离是光速和时间差乘积的二分之一，光速精度可以通过提升影响大气折射率的气温气压等因素的测量精度来控制，时间精度可以通过合理的判别技术来控制。测距时，扫描仪可以通过内置的角度测量系统来对激光束的水平角和垂直角进行测量，从而得到扫描点在扫描仪定义的坐标系中的坐标值，同时扫描仪可以记录激光点位置物体的反射强度并将其定义为反射率。
2三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的实际应用
2.1工程简介
本文以青海某工程为例，该工程为柴达木循环经济试验区重点建设项目，集引水、发电于一体，拟建坝高120m。坝址区及库区淹没范围为无人区，几乎无植被。项目原计划采用航空摄影测量方法测绘地形图，但作业期间始终不具备飞行的气象条件，为在甲方要求的工期内完成15.6km-的地形图测绘任务，经研究决定将三维激光扫描技术应用于地形图测绘工作，测图比例尺为1：2000，基本等高距为2m。
2.2外部作业
在架站位置的选择方面，为了保证可以较为全面的观测地面信息，工作人员应该遵循保存方便的原则选择架站方式，科学合理的架站位置的视线宽阔，在使用一些测绘辅助手段时也比较方便。本工程在经过实际的勘测之后，选择了8个架站位置。工作人员可以在架设好的测量站配置扫描仪，工程开展过程中使用的扫描仪将空间点云数据作为发射器，然后进行空间极坐标系的自定义。工作人员可以利用操作手簿输入测站的坐标和后视点的坐标，之后利用专业的软件进行平移和旋转参数的求取，在将空间极坐标系的原点定义了X、Y、Z坐标和正北方向后，对后视标靶进行瞄准从而确定方向。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因为工程区域的地形有一定的起伏，工作人员应记录后视点坐标与已知数据之差，进行相应的扫描工作，扫描过程还应对沟、坎、梁等数据不易扫描完整的点进行局部精扫，实现定点补充测量。工作人员对每个站点的测量都应遵循上述原则，在扫描作业完成后再次检验数据以保证后续工作的顺利进行，按要求不同区域间的扫描重合率至少应达到30%。
2.3数据编辑工作
数据预处理方面，将外业采集的数据在RiSCANPRO软件中进行预处理，复核现场输入的测站与后视坐标信息，同时将UPS-RTK实测的特征点导入比对，确认点云数据配准到正确位置。由于外部环境的变化和测量设备系统内部的影响，RIEUI，VZ-1000扫描的数据不可避免地包含多种噪点：裸岩表面点、流动物体点等，需要分别或综合使用孤点过滤、拓扑过滤等不同方法剔除噪点，然后对数据进行必要的平滑处理。
特征提取方面，RiSCANPRO软件可以使用不同视图模式（二维、三维、全景视图）显示获得的扫描数据，每个点都有实际位置的颜色信息，能直观地在图中看到地形与地物形状。对于能完整观察到的特征线，比如沟、梁、坎、路等，要捕捉特征点、线，注记分明，导出为单独的dxf格式文件，结合补充测量的特征数据为地形图编辑作准备。
数据拼接方面，为保证测绘成果的一致性，需要对各站扫描数据进行拼接工作。现在常用的是迭代最近点算法，该算法采用点集对点集的迭代算法，可以拟合出相匹配的起伏曲面。RiSCANPRO软件对其进行了补充完善，一般情况下，原有数据差值越小拼接效果越好。结合测区实际情况，以相邻2个测站之间6对以上同名点的关联进行点云数据的拼接，同时生成拼接误差分析报告，结合补充测量的特征数据，在满足限差要求之后，分区域完成测区数据拼接。
数据过滤方面，三维激光扫描仪获取的点云非常密集，存在大量冗余，为减少后续计算的工作量，消除多余点云对计算结果的影响，数据过滤在整个数据编辑过程中处于重要环节。根据测区实际情况，应用曲率采样的方法对点云数据进行过滤，基本思想是：在曲率大的区域保留足够多的点以完整精确地表示曲面特征，在相对平缓的区域则保留较少的点。在满足精度要求的前提下，经数据过滤后保存78300个点。
2.4生成地形图
RiSCANPRO软件将处理好的数据导出为dxf格式文件，用南方caaa软件打开，再导入补充测量的特征数据和特征点、线文件，依据有关技术标准进行编辑，然后构建三角网，绘制等高线，生成地形图成果，最终图形文件的格式为dwg格式。
2.5精度分析
激光扫描技术的精度分析有一定不足之处，在直观生成扫描数据时应对测站中的重合区域进行高差起伏方面的比较。工作人员还应根据测绘完成结果进行测量精度方面的检验以保证其精度符合要求。
结语
我国的大型水利工程的施工地点主要位于比较偏僻的地区，建设区域的地形一般比较复杂且具有多变特征。三维激光扫描技术具备测绘效率高、速度快、实用性强、数字化程度高的特点，且可以凭借其非接触主动测量的方式获得较大范围内测得的三维空间数据，因此该技术在水利工程地形测绘方面的优越性十分显著。三维激光扫描技术可以极大提升测量效率和测量结果的精度，极大减少了工作人员的劳动强度，保证了施工企业单位的社会和经济效益。相关单位应提高对三维激光扫描技术的重视程度，加强该方面的研究，为水利工程的顺利开展提供技术支持。
参考文献：
[1]虞道祥.三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的运用研究[J].工程技术研究，2018（16）：52-53.
[2]烟雷刚，烟静红.三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的实践应用[J].科技经济导刊，2018，26（12）：12-13.
[3]刘晓芳，田兰芬.三维激光扫描技术在水利工程地形测绘中的应用[J].科技创新与应用，2017（27）：141+143.
[4]崔亦芳，丁双林，施攀，陈晓龙.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（02）：89-92.
论文作者:黄潮民
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第21期
论文发表时间:2019/5/14
标签：激光论文; 数据论文; 地形论文; 测量论文; 技术论文; 水利工程论文; 地形图论文; 《建筑细部》2018年第21期论文;