三維激光掃描技術在水電站三維建模中的應用

孫監湖 張文韜 李志剛

（三峽水力發電廠）

0 引言

水電站是重要的能源供給設施，對于保障國家能源安全和經濟發展具有重要意義。隨著水電站的建設與發展，對于水電站的三維建模需求也越來越迫切。然而，傳統的建模方法受限于時間、成本和精度等方面的限制，無法滿足水電站建模的需求。因此，本文選取三維激光掃描技術作為研究對象，探討其在水電站三維建模中的應用［1］。

對三維激光掃描技術進行了深入的研究和分析。通過對激光掃描原理、設備特點以及數據處理方法的介紹，為后續的應用實踐奠定了基礎。通過實地勘測了一個實際的水電站工程，并采用三維激光掃描技術獲取了大量的點云數據。在此基礎上，通過數據處理和建模軟件，對點云數據進行了處理和分析，并實現了水電站的三維建模。綜上所述，利用三維激光掃描技術對水電站進行了三維建模，實現了可視化和可視化分析等應用。通過對技術原理和應用前景的分析，為水電站建模提供了一種新的解決方案，具有重要的理論和實際意義［2］。

1 三維激光掃描技術的研究與分析

1.1 激光掃描技術原理

如圖1為三維激光掃描儀，其工作原理是通過發射激光束，利用其與目標物表面的反射光來獲取目標物的三維幾何信息，并計算出目標物表面的紋理信息，從而實現對目標物的全方位掃描和測量。在高磁場環境中，傳統的光學測量設備由于磁場的干擾往往無法正常工作，而三維激光掃描儀通過非接觸式測量原理可以實現目標物的高精度測量。在高電壓環境下，由于電場的存在導致目標物表面電離產生放電現象，對測量設備的穩定性提出了挑戰。然而，三維激光掃描儀通過其高靈敏度的接收器和精確的光源控制，可以有效地抑制放電現象的干擾，實現對目標物的可靠測量［3］。

圖1 三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描技術作為一種新型數據獲取技術，能夠快速獲取大面積、高精度的點云數據，與傳統測量方式相比，三維激光掃描技術克服了單點測量數據量少的局限性，可以更詳盡的描述復雜區域的細節特征。目前，三維激光掃描技術已被應用于多種領域，包括地形測量、建筑測量、古建筑保護、變形監測、土木工程以及城市建模等方面。同時三維激光掃描技術也存在著一些缺陷，受待測區域的地形起伏影響較大，例如測站選擇、視角限制、其他物體對目標物的遮擋都會導致采集數據不完整，這會導致重建模型出現拉花、變形或空洞現象，這是三維激光掃描領域亟待解決的難題［4］。

1.2 三維激光掃描系統分類

隨著軟硬件技術的發展，出現了各種不同類型的三維激掃描系統并應用于不同的領域及場景。根據承載平臺的不同主要分為以下幾類：

1）機載激光掃描系統。機載激光掃描系統是承載平臺為飛機或無人機的三維激光掃描系統，該系統主要由激光測距系統、定位系統、慣導系統及相機等組成。這種方式可以在短時間內獲取海量的點云數據及影像信息，并憑借激光可以穿透茂密的樹林而廣泛應用于獲取森林區域的數字高程模型。同時也有發射藍綠激光的機載掃描系統被應用于水下地形測量［5］。

2）車載激光掃描系統。車載激光掃描系統是以車輛為搭載平臺的激光掃描系統，車輛在行駛過程中，同步進行對周圍區域的掃描測量工作，從而得到點云數據及高分辨率影像。車載移動激光掃描技術以其高效、移動掃描測量及載體特殊性的特點主要用于在道路上測量，例如該系統在交通路網的更新方面得到廣泛應用［6］。

3）地面激光掃描系統。地面三維激光掃描系統主要由激光測距系統、測角系統、CCD相機、控制系統、電源系統組成。這種掃描系統一般搭載在三腳架上，相比機載、車載激光掃描系統移動能力較差、視角有限，因此不適合大范圍區域的掃描測量。目前主要應用于古建筑保護、變形監測、建筑物三維重現等領域［7］。

2 光點云數據的配準

多測站點云數據的配準是將在不同測站測量的點云數據統一至相同坐標系的過程。通常情況下，受限于三維激光掃描儀的視角、測量距離有限且待測區域范圍較大等情況，一個測站不可能獲取整個待測區域內的全部信息，需要設置多個測站從不同角度、位置對待測區域進行掃描，不同測站測得的點云數據在不同的坐標系下，需要經過處理將多測站的點云數據統一為一個整體［8］。

多測站點云配準的方法依據配準基元的不同分為兩類。第一類是基于地面的配準，它是以所有測站中的某一測站作為基準，通過設置閾值連續迭代搜索周圍測站內的同名點對，以這些同名點對建立對應關系解算出轉換參數完成多測站點云數據配準。這種方法需要測站間有足夠的重疊，才能得到較好的配準效果。第二類是基于標靶的配準，基本原理是通過在待測區域內放置多個球形標靶或平面標靶作為配準的控制點，隨即可利用標靶的空間坐標解算出轉換參數，完成多測站點云數據配準。

2.1 基于平面的配準

基于平面的配準是指以某一站點云數據中的一點作為基準，通過尋找相鄰測站中與之對應的點，并建立對應關系解算轉換參數，從而經過迭代計算使得兩測站點云數據的坐標系趨于同一坐標系，是被業界認可的方法，學者們也經過不斷研究發現其中的不足并對其加以改進。此方法不適合用于高差較大、遮擋較嚴重的區域，在外業工作時合理選擇測站位置，因為第一個測站是基準站，進行掃描工作時第一個測站必須嚴格整平，為后續的點云配準提供精確的位置。

2.2 基于目標的配準

一般將基于目標的配準根據選取目標的不同分為兩種：一種是基于標靶的配準，基于標靶的配準一般需要在待測區域布設三個或三個以上的人工標靶，同時確保人工標靶位于兩個相鄰測站點云數據的重疊區域，并以人工標靶作為同名點對，進而建立對應關系求解轉換參數，完成多測站點云數據配準。另一種式基于點云本身特征的配準，其基本原理與基于目標的配準一樣，但是不需要布設標靶，而是需要相鄰測站的重疊區域有明顯的特征點。配準的大致過程如下：

在軟件中有基于目標的配準程序，可以全自動配準也可以半自動配準，一般使用半自動配準為宜，因為點云數據通常數據量較大，利用全自動配準容易導致同名點識別錯誤，造成不必要的時間浪費。大致步驟為：首先擬合出每個在不同測站下的三維坐標，并對其編號，編號規則為同一個標靶在不同測站的編號相同，最后建立對應關系解算轉換參數。

3 水電站三維建模的應用

3.1 三維激光掃描數據獲取與處理

本次研究以水電站大壩為研究區域，選用三維激光掃描儀進行測量，通過設置多個測站采集區域及周圍建筑的掃描數據，再經過數據處理后，得到研究區域內完整的三維激光點云數據，然后在專業的三維建模軟件中實現實景三維模型的構建，三維激光點云數據經過濾波處理后得到地面點云數據，從而可以構建研究區域內的地形模型，技術流程如圖2所示。

圖2 基于三維激光掃描的模型重建技術

3.2 點云數據處理

采集得到的掃描數據、影像數據并不能直接使用，需經過專業的點云數據處理軟件處理后才能轉換為常用的數據格式，最終得到具有完整信息的成果點云。

（1）數據預處理。點云預處理是點云數據處理的第一步，也是至關重要的一步，關系到后續點云成果及利用點云數據構建的模型的精度、質量問題。點云數據預處理主要是進行點云去噪和著色。

（2）點云拼接。三維激光掃描儀在采集研究區域內的數據時，受測區范圍大小、地形起伏及儀器本身視角的限制，通常需要多個測站才能覆蓋整個區域。每個測站所測得的點云數據都是獨立的坐標系，需要將所有測站的點云數據轉換到同一個坐標系下。

（3）坐標轉換。所有測站的點云數據經過點云拼接操作后并沒有轉換至目標坐標系，需要以外業實測的棋盤紙作為控制點坐標，建立控制點與點云數據間的對應關系，將點云數據轉換至目標坐標系下。

3.3 結果與分析

完成基于三維激光掃描的地形模型構建和三維模型重建，質量評價不僅要包括傳統的精度評價，還要包括模型的結構和紋理精度評價。以檢查點的實際測量坐標與模型上的量測坐標的差值來評定位置精度，其中包括平面精度和高程精度。采用目視判別法來評價模型的結構和紋理精度。

（1）位置精度評價。位置精度評價主要是對比實測坐標與模型上對應點的量測坐標，計算二者坐標的差值，并利用如下誤差計算公式計算出X、Y方向上的中誤差以及平面中誤差、高程中誤差。

（2）結構和紋理精度評價。通過目視判別評價模型的結構和紋理質量，主要從模型完整性、細節特征兩方面展開。如圖3所示，三維激光點云在距離測站較遠的區域點云比較稀疏，掃描過程中的遮擋部分還會出現點云空洞，這也導致利用三維激光點云構建的地形模型精細度不均勻，距離測站中心較近的區域精細度高，而距離測站中心較遠的區域精細度較低，在點云空洞區域甚至會出現模型重建錯誤。

圖3 三維激光掃描技術在水電站三維建模

綜上所述，利用三維激光點云的模型重建方法位置精度高。但是點云數據密度不均勻，導致構建的地形模型精細度差異較大，且易受待測區域內的地物遮擋，導致點云空洞。實景三維模型的中下部信息表達得較好，基本可以還原出真實的場景；但受限于三維激光掃描儀的視角有限，無法獲取到建筑物的全部數據，導致利用三維激光點云重建的三維模型不完整，存在大面積空洞。

4 結束語

本文通過研究三維激光掃描技術在水電站三維建模中的應用，闡述了該技術在水電站工程建設和管理中的重要性和優勢。通過應用這一技術，能夠準確地獲取水電站的三維形狀和結構信息，為水電站的設計、維護和管理提供了有力支持。未來的研究還可以進一步探討基于激光數據的水電站三維建模方法的優化和改進，以適應更加復雜和多變的水電站工程需求。