三維激光掃描技術在水利工程安全鑒定中的應用

王靈鋒，祁敏敏，許燁璋，段文義

(浙江省河海測繪院，浙江 杭州 310008)

近年來，隨著我國各類水利工程建設的相繼建成和投入運行，大量水工建筑物都進入運營維護階段，部分水工建筑物建設完成時間久遠，建造工藝及質量良莠不齊，且這些水利設施由于老化和年久失修等原因，不僅造成了使用功能的下降，還帶來了諸多的安全隱患。因此，相關的安全鑒定工作勢在必行。浙江省水利部門于2017年率先開展了針對架空引水渡槽的安全鑒定工作，開展這項工作首先需要了解其外部幾何形態，關注這些渡槽柱體的垂直度及上部槽身相對于支撐柱體的水平相對位移情況，獲取相關數據。

三維激光掃描技術能夠快速獲取被測物體表面大量的、連續的、密集的點云數據，能夠全面地反映被測物體的幾何外形信息，有效地克服了傳統單點反映信息不全面的局限性[1-4]。本文采用天寶TX8三維激光掃描儀采集渡槽表面的點云數據，利用配套的RealWorks點云處理軟件計算各項參數[5-9]。

1 三維激光掃描原理

從單個空間三維點P(X,Y,Z)的采集過程來看，其測量原理為：首先通過激光測距系統測得掃描儀器中心到被測物體表面的距離S，同時與之對應的橫向掃描的水平角度值α和豎直方向的角度值θ也被記錄下來，由這3個基本數據可以計算出P點的三維坐標，另外測點的反射強度I也被獲得，一般根據它的大小賦予點云灰度值[10-11]。數據的坐標系為儀器內部軸系定義的獨立坐標系，圖1為坐標掃描原理示意圖。

圖1 掃描點三維坐標計算

坐標計算公式為

(1)

2 渡槽檢測流程

在進行針對渡槽的三維激光掃描及內業分析前首先制定了詳細的技術方案，圖2為本案例的技術流程。

圖2 技術流程

2.1 柱體傾斜度分析

在配準好的渡槽點云數據基礎上，利用天寶TX8配套的Realworks點云處理軟件對柱體部分點云創建一條連接柱體上下中點的線段，上下柱體中心點的求取采用最小二乘原理，分段擬合出柱體上下兩端的幾何中心。以柱體底部中心點為起點繪制一條豎直向上的直線，利用幾何體修改功能，使其垂直于水平面，再利用水平測量功能測量柱體上端中點到垂線段的距離，偏差距離即可反映出柱體的傾斜程度，并且將偏差距離分解到X、Y軸上顯示，便于進一步分析傾斜與水流的相互關系。排架柱傾斜值量取如圖3所示。

圖3 排架柱傾斜值量取

由圖3可知渡槽排架柱上部中心相對于下部中心的偏差為6.8 cm，X軸方向即水流方向傾斜4.8 cm，Y軸方向即垂直水流方向傾斜4.7 cm。利用幾何量測功能進一步量測出柱體上下端點的空間距離如圖4所示。

圖4 渡槽排架柱上下兩個中心點距離量取

由此可計算出排架柱整體傾斜度：0.068/14.00=0.004 8(4.8‰)。

2.2 槽身相對柱體位移分析

2.2.1 渡槽中心線提取

通過分割渡槽點云數據，并利用點云建模工具進行三維體的擬合，進而生成擬合三維模型體。

將擬合后的柱體兩個端點坐標信息單獨提取出來，利用Realworks自由建模工具，分別新建成點，再建立連接兩點的直線，形成渡槽中心線。采用相同的辦法建立柱體頂部的中心線。如圖5、圖6所示。

圖5 渡槽點云提取

圖6 渡槽點云擬合

2.2.2 相對位移量取

通過量算渡槽槽身中心線和排架柱中心線兩端的距離求得渡槽偏移程度，渡槽位移情況如圖7所示。

圖7 渡槽槽身整體偏移程度示意圖

對提取的渡槽中心線與排架柱上部中心線量測后得，該渡槽在146號排架柱處，水流方向上往右偏移0.2 cm，在147號排架處，水流方向上往右偏移6.2 cm，即渡槽整體相對于下部支柱體，在水流方向上平均向右側偏移3.2 cm。

3 結 語

三維激光掃描技術以其數據量大而密集的顯著優勢結合功能強大的內業處理軟件，可以解決傳統單點測量技術無法解決的問題， 為水利工程安全鑒定工作的順利開展帶來了極大便利。本文初步介紹了三維激光掃描技術在渡槽傾斜和位移檢測方面的作用，其在水利工程領域更多、更深的作用仍需進一步挖掘和拓展，隨著三維大數據測量時代的到來，其作用和影響會越來越大。