摘要：针对全站仪等传统测量仪器无法一次性测量反映水工建筑物整体的倾斜度和相对位移情况，本文介绍了三维激光扫描技术运用于甘肃省堤坝安全鉴定项目的技术流程，证明了三维激光扫描技术能够有效反映出淤地坝坝体形变分析，为水利及其他行业的相关应用提供了一种新方法。
关键词：三维激光扫描技术；工程测量；测绘成果
改革开放到现在，我国的经济发展的是相当的快，利用三维激光扫描仪进行扫描测量，只需要花费1d的时间来进行扫描勘察，就能得到完整的三维坐标数据与图像，而且不会影响到变电站及输电线路的正常运作，无接触式测量，现场作业安全采用三维激光扫描技术进行地形测绘是对传统方式的重大变革。
1 三维激光扫描在工程中的应用
近年来，随着我国各类水利工程建设的相继建成和投入运行，大量水工建筑物都进入运营维护阶段，部分水工建筑物建设完成时间久远，建造工艺及质量良莠不齐，且这些水利设施由于老化和年久失修等原因，不仅造成了使用功能的下降，还带来了诸多的安全隐患。因此，相关的安全鉴定工作势在必行。浙江省水利部门于2017年率先开展了针对架空引水渡槽的安全鉴定工作，开展这项工作首先需要了解其外部几何形态，关注这些渡槽柱体的垂直度及上部槽身相对于支撑柱体的水平相对位移情况，获取相关数据。
三维激光扫描技术能够快速获取被测物体表面大量的、连续的、密集的点云数据，能够全面地反映被测物体的几何外形信息，有效地克服了传统单点反映信息不全面的局限性。本文采用天宝TX8三维激光扫描仪采集渡槽表面的点云数据，利用配套的RealWorks点云处理软件计算各项参数。
1.1 工程概况
称钩流域位于甘肃省定西市安定区西北部，距离市区45km，属黄土丘陵沟壑区第Ⅴ副区，系黄河流域祖厉河水系二级支流，流域总面积118km2。地理位置介于104°1415104°2831E，35°41735°3510N。流域内梁峁起伏，沟壑纵横，海拔1957～2273m，相对高差316m。流域主沟道长17．5km，比降1／230，由花园、李家坪、双乐、新胜4条支流汇聚而成。流域内大于3km2的支沟有14条，小于3km2的支毛沟有24条，沟壑密度2．72km／km2。地质构造为陇西旋卷构造体系内旋回褶带的一部分，主要有泥岩、砂岩、砾岩、石灰岩、泥灰岩、黏土岩类等沉积岩，基岩上为第三系上新统临夏组的红砂岩系及第四纪黄土所覆盖，表岩多为黄土层覆盖，沟谷下部有红土出露。流域属中温带半干旱气候，主要在沟谷阶地和阴坡耕地，黑垆土质地较轻，结构性好，有机质含量平均为1．075％，全氮0．08％，全磷0．06％，速效钾125．7mg／kg，是良好的耕作土壤，约占总土地面积的80％；黄绵土主要分布在梁峁陡坡、沟谷边缘及称钩河耕地；红土分布在沟谷部分滑坡面及谷底；灰钙土在阳山陡坡呈带状分布；潮土只在沟谷下游台地有分布。流域内地形破碎，土质结构疏松，抗蚀性差，加之人类经济活动频繁，长期以来水土流失一直是制约当地经济发展的瓶颈因素。严重的水土流失，导致了流域内土壤肥力降低，土地生产力下降，严重影响了当地的农业生产，致使生态环境恶化。
1.2 监测方法
通过NoveMS50全站扫描仪对南湾骨干坝和别杜川骨干坝坝体沉降、水平移位及坝体表面侵蚀进行定期激光扫描，通过等间隔的点云记录坝体和河道不规则形态，采集海量点云数据，利用徕卡infinitycyclone软件建立形态变化数据库，将保存的数据进行形态分析，分析结果以色谱及数据的格式呈现。通过后期的软件分析处理，旨在论证多周期三维激光扫描观测进行淤地坝坝体形变分析的可行性。
1.3 监测过程
现场监测由于测试现场无已知控制点，也没有RTK等设备，通过自定义独立坐标系统来完成测站的架设，且由于现场地势复杂，地质较松软，扫描范围较大，为了提高架站的效率及保证架站位置稳定性，现场通过后方交会的方式进行架站，现场监测总共从A0－A8架设8站，HJ01及HJ02作为后视点，进行辅助设站。为了确保研究的客观时效，本次研究从汛期开始，第1期测试扫描在（2015／06／17）实施，历时2d，第2期测试扫描在（2015／12／02）实施，历时2d。
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内业数据处理利用徕卡infinity软件导入各站数据，考虑到扫描时行人、植被等采样盲区干扰，通过设定偏差限制和迭代次数，对原始点云空间数据进行滤波、去噪等预处理后，将误差降低到最小，为了确保模型更接近真实，利用空间差值对数据进行修补，对数据整合后生成格网及等高线，并对各站数据依据设站时的空间绝对坐标实现自动拼接，利用预处理所得的点云数据，在GeomagicStudio软件中进行建模，对点云数据进行封装处理，用大量空间三角形面来逼近还原实体，然后用填充孔命令将缺失数据补齐，最后使用快速光顺来去除表面的不光顺处。通过infinity软件的contour功能，在DEM的基础上可自动生成等高线，主次等高线的间隔可以自定义，等高线的宽度及颜色均可自行设定。
1.4 数据处理
点处理阶段，使用三维激光扫描仪对附近一个电塔以及一小段线路进行了一次扫描。使用GeomagicStudio12对点云数据进行优化，去除噪点、杂点，减少点云密度，减少数据量后能更方便地进行后续处理。
2 三维激光扫描在工程中的结果与分析
通过徕卡Infinity软件导出点云通用PTS格式，然后将导出的pts数据导入到3Dreshaper软件中，在3Dreshaper中对数据进行裁剪处理后，然后生成不规则三角形网络，最后生成表面模型。
利用南湾骨干坝和别杜川骨干坝第1，2期三维扫描模型对比，进行表面监测分析，来研究坝面的变化，并设置合理的色谱带，不断调试，使得表现效果最佳，可通过注记信息进行标记，显示实际变化量及变化的方向。
南湾骨干坝经过第一、二期三维扫描模型对比分析，坝坡种植苜蓿的区域大约有60～70cm的一个变化，而没有植被的部分变化不明显，经过与现场实际照片对比，可以得知植被的生长对三维扫描监测的精度有显著影响。
将色谱带的变化范围进行调整，调整至最大负值范围－0．12m，南湾骨干坝接近路面的部分有约1cm的变化，左侧库岸有明显的变化，变化量约为0．8cm，日后可继续观察其变化，如再发生变化，极有可能会发生小规模坍塌。别杜川骨干坝坝坡及库岸变形监测经过第一、二期三维扫描模型的对比分析，与前一期数据相比，整个堤坝在半年的时间内，右侧部分约有1～2cm的下降变化，监测结果和管理部门常规监测变形结果有一致性。
3 三维激光扫描在工程中的结论
淤地坝作为黄土高原丘陵地区主要工程措施，多年来监测主要围绕淤地坝蓄水拦沙、生态、经济、社会效益目标进行，多采用定点监测、调查统计和宏观分析等方法。
随着全球气候异常变化和淤地坝运行时间的增加，淤地坝防汛和安全运行压力很大。但淤地坝在运行中的变化都是缓慢和微小的，如果变化一旦明显异常，往往已经对坝体安全构成严重威胁，因此淤地坝安全监测及风险评估体系亟待完善。
本研究将三维激光扫描技术应用于淤地坝变形监测，对数据采集、处理、建模、提取变形特征点等进行了研究尝试，说明了利用三维激光扫描技术可及时、准确、全面、直观获取淤地坝坝体和库岸表面数据，使得变形监测工作更全面、更便捷，监测方法可行，结果可信。但研究也发现由于三维激光扫描获取的数据量大，信息量丰富冗杂，因此数据的算法和模型构建及试验数据验证亟待完善。
下一步将在淤地坝坝体内埋设传感器等辅助方法，配合渗透观测传感器等仪器设备，使用高效率、高精度、非接触性的测量技术，使淤地坝安全监测进一步向系统化、即时化、智能化、网络化方向发展。
4 结束语
本文基于三维激光扫描技术提出测绘成果的数学精度、地理精度的检测方法，并在生产实际中验证其可行性、可靠性。该方法不仅可以应用于三维激光扫描技术测绘成果，也可用于传统测绘手段获取的测绘成果。与传统精度检测方法相比，本检测方法的外业检查人员在车内遥控扫描作业，减轻作业强度，提高作业效率，对于检测出的错误可以直观表现，便于检查人员与测图人员沟通以及测绘成果错漏的进一步修改。随着激光扫描技术在测绘领域的普及应用，本文提出的检测方法具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]霍文强.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].科技视界,2018(30):228-229+237.
[2]周京兵.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].智能城市,2018,4(19):52-53.
[3]冯耀能.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].工程建设与设计,2018(16):40-41.
论文作者:郭琳,
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第08期
论文发表时间:2019/7/16
标签：激光论文; 数据论文; 技术论文; 流域论文; 测量论文; 工程论文; 骨干论文; 《工程管理前沿》2019年第08期论文;