三維激光掃描測量技術在水利水電工程中的應用

李旻

【摘要】：隨著信息技術研究的深入水利水電工程地質由二維平面、剖面圖向BIM三維模型的轉變，水利工程從業人員對獲取三維數據的需求更加迫切。現階段水利水電工程從業人員已熟練掌握傳統測量的方法，但它們在獲取信息數據的效率較低，多用于目標點的測量。隨著科學技術的發展，三維激光測量技術的出現為水利水電工程從業人員獲取三維數據提供了全新的技術手段。但是目前這項技術在水利水電行業中還未廣泛應用。本文章主要講述了三維激光測量技術的概念、意義，技術特點，產品類型以及應用方向。

【關鍵詞】水利水電；工程地質；三維測繪；技術特點；產品構成及類型；應用方向

一、前言

隨著我國經濟和科學技術的不斷發展，我們國家的水利水電行業發展的也越來越快，開展了許多的戰略措施，例如南水北調等等。隨著我們國家科技的進步，水利水電行業也在發生著巨大的改變，BIM工程地質建模逐漸的被人們關注，并把這一項技術逐漸應用在水利水電行業中，三維激光掃描測量技術在BIM中的應用是最基礎的一個重要環節，但在水利水電勘察中應用較少。

二、三維激光掃描測量技術的概念

三維激光掃描測量技術（實景復制技術）是20 世紀末開始出現的一種以非接觸主動測量的方式獲取大量空間點數據的技術，是繼GPS技術之后的又一次技術飛躍，該技術主要利用激光掃描儀，去采集物體表面各個點的三維坐標、反射率、顏色等數據信息，在水利水電工程中利用這些信息不僅可以快速建立BIM三維模型，也可以對后續水電工程施工測量、工程監測等工作提供準確的數據信息。

三、三維激光掃描測量技術的特點

三維激光掃描技術的特點，可以總結為高精度、高速度、高分辨率、非接觸式、優良的兼容性、實時性強、全數字特征等特點，相比以往的測量方式，可以極大地降低成本，節約時間，而且使用方便，其輸出格式可直接對接CAD、3DMAX等工具軟件，是為當下水利水電工程設計逐漸立體化、信息化獲取工程地質信息的一種新的技術手段，同時三維激光掃描測量還是一種集空間數據測量、影像測量于一身、從傳統單一的地面平面測量，轉變為三維的空間測量，可以在更復雜，測量條件更糟惡劣的地點進行測繪工作的高科技測量手段；并且測量數據的精度高，采集的數據量大，同時與計算機手段相結合，以達到更好的測量效果，對于數據處理也有著更快的效率；對于在水利水電BIM工程地質建模工作，帶來了極大的便利性。

四、三維激光掃描測量產品類型及組成

現今三維激光掃描系統，按照測量方式可以分為脈沖式和相位式，脈沖式主要運用與遠距離測量中，國外最優秀的機器最大測距可達6km，國內同技術產品測距多在1.5km左右，相位式主要用于短距離測量中，其優勢是價格較便宜，體積較小。按照操作平臺主要就是分為三大類：手持式、機載式和地面式三維激光掃描系統；

隨著科技的進步，地面脈沖式三維激光掃描系統的體積逐漸縮小、價格逐漸下降、精度不斷提高、測量范圍大，成為最適合在水利水電工程領域中使用的系統，地面脈沖式掃描儀中最有名的是瑞士Leica公司，其他的還有美國Trimble公司等。隨著我國科技的進步近年來也有企業生產出這類產品，如武漢大學和北京天遠三維科技有限公司的自主研發的三維掃描儀。

地面脈沖式三維激光掃描系統主要由掃面單元、控制單元、電源、三角架和標靶五部分組成。

五、三維激光掃描在工程測量中的應用步驟

1、現場踏勘布設控制點。隨著科技的進步，現階段新式的三維激光掃描儀已具有對中、平整功能，可像全站儀一樣設立在已知控制點上進行掃面測量工作，在對控制網進行布設過程前，需要根據擬定工程勘察范圍內的地形、環境進行簡單的勘察，選擇出適合控制點，由于控制點的精度會對三維激光掃描產生的點云坐標精度存在一定的影響，所以需先用全站儀對控制點進行布設，同時用水準儀測量控制點的高程信息，之后架設儀器開始測量。

2、采樣間隔的設定。采樣間隔過大，采集的點數據就較少，后期在處理數據時，精度就會受到影響，相反采樣間隔過小，采集的點數據就較多，后期在處理數據時，數據量會比較大，影響工作效率。因此在比較通視的場景下，每個測站點的間距建議設在100m左右，最好相鄰測站見有一部分測量區重合。在不通視的測量區內，適當增加測站點，確保所有待測區均被儀器掃描到。

3、點云數據的處理。經過外業掃描工作得到的數據量非常龐大，其中含有有用的地質數據信息；也包含植被、風沙等無用的數據信息點。因此這些點數據必須經過處理才能更好的運用，構建BIM地質模型。首先將位于不同控制點下測量的數據拼接在同一個坐標系統內，其中Leica公司的掃描儀帶有Cyclone和I-Site軟件可以將所有測站點測量的數據轉換后一次性放入需要的地理坐標系中。同時掃描過程中無用的數據信息點也可以用Cyclone軟件手動刪除，如果點數據信息過于龐大，則可以用軟件先進行數據抽稀之后在將無用數據信息手動刪除。

4、導入BIM軟件建立地質模型。經過處理的點云數據是由大量的離散點在空間中進行排列，將這些點數據導入BIM軟件中即可生成連續的不規則三角網，同時軟件還將對這些面進行平滑優化處理，相比較現在所使用的利用地形圖數據輸入轉化為三維模型的方法，利用點數據生成的模型有多種優勢，其一就是精確度，現階段水利水電行業的BIM模型是由地形圖在轉化為三維模型，在轉化過程中不可避免的會丟失一些信息，同時BIM軟件對地形圖中有效的信息識別并不是那么智能化，因此轉化出的模型常常有許多部分與實際不符，所以利用地形圖轉化BIM模型的方法在前期有大量的優化工作要做。其二是三維掃描系統除了點云數據外還有顏色、圖像和反射率等信息，在后續完善地質模型的過程中三維影像、圖形資料和現場測繪資料的結合能大大提高模型資料的準確度和真實度。

六、三維激光掃描測量在水利水電工程中的應用

三維激光掃描測量技術在水利水電工程中除了可以采集三維信息建立BIM模型外。還可以貫穿整個工程建設周期，主要有以下六個方面：

1、地質測繪。三維激光掃描測量是工程測量的一種，其在多方面可以代替傳統的測量手段，而且相比傳統測量手段，三維激光掃描測量同時采集三維影像和顏色數據，結合勘探資料，在BIM模型中建立的地層接觸面、不良結構面等更加準確。

2、滑坡監測。利用三維激光掃描技術對滑坡體的測量，可以準確判斷滑坡體是否發生滑動，滑坡體的穩定性如何，滑坡體體積大小，以及滑動后原始地貌和現狀地貌的區別準確判斷滑坡發生量。

3、大壩監測。現階段利用傳統手段在大壩運行過程中難以發現大壩細微的變化，通常是在發生明顯滲漏，沉降裂縫和變形裂縫時在利用探查手法尋找原因，而通過三維激光掃描測量，可以建立不同時刻的大壩模型，（下轉第頁）

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以用來時刻監測大壩是否發生變形、沉降、滲漏等。

4、變形監測。同大壩監測，傳統變形監測過程復雜，在施工過程中小的變形常常被施工單位忽視，等發生明顯形變時在尋找補救措施，而三維激光掃描測量的便利性和快速性使得變形監測過程簡單化、準確化。

5、開挖量的計算。現階段工程隧洞、渠線工程開挖量的結算多是采用連續斷面求平均結合隧洞、渠線長度求得開挖量，這種方法在實際生產過程中有很多問題，一是工程較大需要很多的開挖斷面，二是測量數據的準確性，因為工程工期的限制和監理人員的短缺，測量數據常常有很多問題，在單一斷面中看影響不大，但是在系統工程里總量的差別是距大的，而三維激光掃描技術對于實際開挖發生量的計算提供了簡單、準確、快捷的手段。

6、病險水庫的加固。通過三維激光掃描技術監測大壩，可以準確、清楚的標出水庫發生問題的具體發生部位，結合一定的勘探手段可以使病險水庫的加固更加可靠、穩定。

七、結束語

三維激光掃描技術早已誕生，隨著科技進步，先已逐漸進入工程建設領域，目前在主要應用在建筑領域，水利水電工程中的應用較少，但是隨著BIM系統工程在水利水電行業中的興起，這項技術對于BIM系統工程的建立有著巨大的作用，我們應當積極引進這項技術，與水利水電工程勘察、施工、設計結合成為一種新的系統體系，為水利水電行業的發展起到幫助和促進作用。

參考文獻：

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