摘要：三维激光扫描仪作为一种新的空间数据获取手段，可高速、高精度获取物体表面点云的三维坐标值和实体纹理信息。从三维激光扫描技术的工作原理出发阐述了该技术在水利测绘工程中的应用。
关键词：水利测绘；三维激光扫描；技术应用
三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”，是20世纪90年代中期出现的新型三维测量技术。它以非接触式高速激光的测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。通过后处理软件对采集的点云数据或者影像数据进行处理，进而转换成空间坐标系中的位置坐标或模型，并可以以多种不同的格式输出，以提供满足空间信息数据库建库的数据源和不同行业应用的需要。是集成了多种新技术的新型空间信息数据获取的手段与工具。三维激光扫描技术是继全站仪和GNSS之后，测绘领域又一次技术新突破。作为一种新的数据获取手段，以其非接触性、高效率、精确、高时效性和可获得大量测量目标物的三维坐标数据的优势广泛应用于各个研究领域，克服了传统测量技术的局限性，在国内外都有很好的发展和应用。
一、三维激光扫描测量技术原理
三维激光扫描仪的工作原理是通过发射红外线光束到旋转式镜头的中心，旋转检测环境周围的激光，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪，由记录器记录并计算出激光发射点与物体的距离，最后再配合扫描的水平和垂直方向角，以获得每个点的X、Y、Z坐标。设测点到目标点的观测距离为S，精密时钟编码器同步测量获得每个激光脉冲的水平方向扫描角度观测值α和垂直方向扫描角度观测值θ。一般采用内部坐标系统，X轴在水平扫描面内，Y轴在垂直扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。则激光扫描点的坐标的计算公式为：
扫描过程中，在每个站点上都可以获取大量的点云测量数据，且每个点云的位置信息在扫描坐标中均以极坐标（α，ζ，d）形式来存储。如果是用传统测量手段获取了控制点的大地坐标，则可以将将点云数据的扫描数据转换为大地坐标，然后应用到测绘领域的各项工程建设中。
二、三维激光扫描技术在水利测绘中的应用
（一）工程概述
某水利工程，流域面积超过2万km2，在洪水期总水流量为415m3/s，为满足周围社会经济发展和农作物灌溉的需求，需要建立一条高达120m的大坝工程发电和引水。该大坝工程主要位于无人区，并无任何植被覆盖，采用了三维激光扫描技术进行地形图测绘，取得了良好效果。
（二）合理选择架站点位
在该水利工程地形图测绘过程中，为实现对地面信息的全面监控和观测，在进行架站点位选择时，充分考虑了辅助测绘工具的使用，经过地质勘探，从本工程E级GPS测点点位上选择了8地进行架站，有效满足了对测绘精度的要求。
（三）地形图测绘
第一，在水工工程测点上架设三维激光扫描设备，三维激光扫描的工作原理以空间点数据为发射器定义一个三维空间极坐标系，为保证二者数据的一致性，需要先输入测量站点和后视点这个两个坐标。第二，计算出上述两个坐标的平面参数和旋转参数，整个计算过程可在RISACNPRO软件中完成。第三，赋予三维空间极坐标原点x，y，z方向的具体数据，通过瞄准后视镜标靶的方法进行定向处理。为确保地形图测绘的精度，需要通过三维激光扫描后视点坐标和已知数据的差值。但是，三维激光扫描水利工程沟、梁、坎等复杂地形时，扫描数据可能发生不完整的问题。因此，通常采用先局部扫描，然后使用标靶定位补充的方法得到整合水利工程全方位的地形数据，进而为地形图测绘提供高质量数据支持。
（四）采集数据处理
当三维激光扫描到水利工程全面数据后，就可以进行采集数据处理，数据处理是整个测绘过程的重点和难点，涉及到的内容比较多，而且工序繁杂，任何一个环节控制不当，都会影响水利工程测绘的精度。整个处理过程都可以在RISCANPRO软件中完成。在该软件中录入测量站点和后视坐标这两个信息，再通过GPS实时动态技术测量的方法对各项数据进行比较，进而验证数据匹配的精确性，发现误差较大的数据及时重新测量，以保证各项数据的误差都在允许范围中。此外，在三维激光扫描过程中，还可能受到自然因素和天气因素等方面的影响，在数据中容易发生多种噪点的问题。因此，在数据处理中还要对采集到的数据做平化处理，对水利工程测绘数据进行修正，保证测绘的精度和质量。
（五）特征提取
在RISCANPRO软件中可为水利工程测绘提供多种多样的样式图，主要原因是相异的测量数据点在此软件中显示的颜色信号存在较大差别。因此，可快速分辨出水利工程地形形状，完成地形测绘图中特征线标记，并建立成DXF格式文件，为水利工程设计和施工提供数据支持和理论指导。特征提取完成以后，还要对特征数据进行合理补充，得到更加全面的水利工程特征数据，保证地形图编辑的质量和规范性。
（六）数据拼接
单个测站很难获知水利工程全面的数据，需要设置多测站，才能对水利工程进行全面系统测绘，为获得一张完整的测绘图，就需要对不同测站三维激光扫描的数据进行合理拼接。通过利用迭代点算法，对扫描的数据进行点集对点集的拼接，通常情况下，在三维激光扫描中中间位置的差值越小，数据拼接的效果就更好。在数据拼接中，如果可以实现同时对六对以上的同名点关联拼接，则可以大幅度降低数据误差，提升水利工程测绘的精度和质量。
（七）绘制水利工程地形图
绘制水利工程地形图是水利工程测绘的重要环节，先从RISCANPRO软件中导出经过处理的数据，并形成DXF文件，通过地形图绘制专用软件CASS打开DXF而文件，对数据进行补充测量，再通过一系列编辑，就能形成DWG格式地形图。
（八）精度分析
我国三维激光扫描技术缺乏必要应用软件，因此，在测量精度评价过程中还存在一定的缺陷，此时就需要对测站中重合区域进行高差起伏比较，从而形成更加直观、立体的三维扫描数据。就案例工程而言，在测绘过程中应用了三维激光扫描技术，扫描数据形成的第五点平面位置误差在1．02m左右，高程误差在0．56m左右，满足水利工程施工对测量精度的要求。
三、注意事项
（1）我国三维激光扫描技术还不够成熟，自身还存在一定的缺陷，如果在具体应用过程中随意增加扫描距离，就会降低测绘的精度。在此种条件下，需要根据水利工程测绘对不同比例尺的需求合理安排测绘工作，降低三维激光扫描技术自身对测量精度的限制，确保三维激光扫描设备时刻处于最佳范围中，确保实际测量以后，架设点站的设计方案和测量区域中的实际情况相互吻合。
（2）三维激光扫描的坐标数据通过后视标靶的仪器时，云数据受到标靶扫描后精度会受到一定的影响。因此，在应用三维激光扫描技术时，需要充分注意这一点，在进行标靶坐标精度提升时，需要根据标靶的规格，合理确定扫描距离，进而保证测绘的精度。
（3）在进行数据拼接时，要注意两个相邻站点扫描范围也会存在重合情况，如果重合率比较大，则会提升水利工程测绘外业的工作量，如果重合率过小，则会影响数据拼接的精度。因此，在具体测绘过程中，必须合理控制比例尺的选择。
（4）受到地形测绘软件的影响，在进行三维激光扫描时，还要充分考虑数据编辑工作，通过ITA测量方法，来提升测量的精度。
综上所述，本文结合工程实例，分析了三维激光扫描技术在水利测绘中的应用，分析结果表明，在水利工程测绘中成功应用三维激光扫描技术，既能大幅度提升测绘的精度和效率，又能降低操作的复杂性，价格也比较适中。可为水利工程后期施工提供数据支持和理论指导，符合目前我国水利工程事业发展相关规范和标准的需求，具有非常广泛的应用价值，可进行大力推广应用。
参考文献：
[1]徐锐，罗天文.地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提取研究[J].中国农村水利水电，2019（06）
[2]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）
论文作者:汤艳芳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第19期
论文发表时间:2019/9/21
标签：数据论文; 激光论文; 水利工程论文; 测量论文; 精度论文; 技术论文; 地形图论文; 《基层建设》2019年第19期论文;