水利工程地形測繪中三維激光掃描技術的應用研究

摘要：以某水利工程為例，探究了三維激光掃描技術在地形測繪中的應用。在設定掃描站點及其后視點和檢核點后，首先，選用RIEGL"VZ-2000三維激光掃描儀進行測區掃描，將獲取的外業數據導入到RiSCAN"PRO軟件中進行噪點過濾處理；其次，提取地物和特征點，并進行數據拼接、數據過濾；最后，將各項資料導入清華山維EPS軟件中，繪制1：500比例尺地形圖。精度檢測結果表明，繪制地形圖的平面誤差和高程誤差均符合《水利水電工程測量規范（SL"197-2013）》的精度要求。

關鍵詞：水利工程""地形測繪""三維激光掃描""內業數據

Application"of"3D"Laser"Scanning"Technology"in"Topographic"Mapping"of"Water"Conservancy"Engineering

CHEN"Dongliang

Cangzhou"Water"Resources"Survey，"Planning"and"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Cangzhou，"Hebei"Province，"061003"China

Abstract："Taking"a"certain"water"conservancy"project"as"an"example，"this"paper"explores"the"application"of"3D"laser"scanning"technology"in"terrain"surveying"and"mapping."After"settingnbsp;scanning"stations"back"viewpoints"and"inspection"points，"the"RIEGL"VZ-2000"3D"laser"scanner"is"selected"for"scanning"the"survey"area."The"obtained"field"data"is"imported"into"the"RiSCAN"PRO"software"for"noise"filtering"processing，"and"then"the"ground"objects"and"feature"points"are"extracted"and"data"stitching"and"filtering"are"performed."The"processed"data"is"imported"into"Tsinghua"3D"（EPS）"software"to"draw"a"1：500"scale"topographic"map."Accuracy"tests"show"that"the"plane"error"and"elevation"error"of"the"topographic"map"comply"with"the"accuracy"requirements"of"the"\"Code"for"Surveying"of"Water"Resources"and"Hydropower"Engineering"（Sl197-2013）\".

KeyWords："Water"conservancy"engineering;"Topographic"mapping;"3D"laser"scanning;"Internal"data

三維激光掃描技術具有非接觸、高精度、全自動化、超長測距等優勢，在地質災害監測、文物修復保護、地形圖測繪等領域均有良好的應用表現。尤其是在地形復雜的山區水利工程地形測繪中，應用三維激光掃描技術，可以解決傳統測量存在的危險性高、工作效率低、成圖精度差等一系列問題，為水利工程的建設、維護等提供了幫助。在應用三維激光掃描技術時，除了要科學布置掃描站點、進水數據降噪與拼接處理外，還要對照相關規范檢查成圖精度，確保最終生成的地形圖精度符合要求，保證地形測繪結果具有實用價值。

1"水利工程概況

某水庫壩址以上流域面積4.46"km2，總庫容89.5"萬m3，最大壩高43.1"m，屬小（2）型水庫。該工程所處位置地形復雜，地表植被較為茂盛，局部有巖石裸露，使控制點的布設難度較大，不利于外業工作開展。為提高水利工程地形測繪的精度與效率，本文提出了以三維激光掃描為主、配合使用全球定位系統-實時動態差分技術（Global"Positioning"System-Real-Time"Kinematic，GPS-RTK）與全站儀的復合測繪方案。

2"三維激光掃描儀的選型

三維激光掃描技術是利用三維激光掃描儀獲得被測對象表面各點的空間坐標，然后基于所得測量數據自動生成被測對象三維模型的一種測量技術。從實際應用效果來看，該技術具有自動化程度高、掃描速度快、支持超長測距等優勢[1]。本次水利工程地形測繪中選用了RIEGL"VZ-2000三維激光掃描儀，可以在獲取數據的過程中同步完成點云拼接、添加地理參考等操作，具有較強的靈活性和便捷性；整機重量僅為9.8"kg，方便攜帶；防護等級為IP64，可適應復雜工作環境。

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3"三維激光掃描技術的應用

3.1"掃描站點的選擇

在現場踏勘后，挑選視野開闊、地面結實的地方作為掃描站點，共選取11個掃描站點。在距離200"m處布置1個后視點，另選1個合適位置布設檢核點，保證檢核點與基站點之間良好通視。盡量使每個掃描站點的掃描視角覆蓋全部的地形地貌特征點，任意兩個相鄰掃描站點之間的掃描范圍保持至少20%的重疊率，防止出現“漏掃”情況。利用GPS-RT，K以導線點測量方法，得到每個掃描站點及其相應后視點、檢核點的地理坐標。

3.2"掃描作業與數據初查

一名測繪人員把三維激光掃描儀平穩放置在已經確定的掃描站點上，另外兩名測繪人員分別在后視點、檢核點上放置反射標靶，合作完成對中工作，以便于在下一步掃描作業中獲取精細數據。完成準備工作后，設置好視場角、激光脈沖發射頻率、測量速率等重要參數后，將三維激光掃描儀與計算機連接，開始進行掃描。掃描所得數據直接傳輸到計算機中保存，在掃描完成后，測繪人員對獲取數據進行篩查[2]。依次打開各個站點的掃描數據，判斷掃描視角是否完全覆蓋目標地形范圍，如果未能完全覆蓋，則需要進行補充掃描。本次外業掃描共獲取58"G原始數據。

3.3"內業數據的預處理

啟動計算機中安裝的RiSCAN"PRO軟件，對外業掃描數據進行預處理。首先，再次檢查站點坐標和后視坐標，確認坐標無誤后，導入GPR"RTK測量的特征點坐標，通過對比，將點云數據配準到正確位置。另外，考慮到外業掃描數據受到外界環境變化（如光照）和儀器設備自身因素影響容易出現不同數量的噪點，直接使用這些數據繪制地形圖會影響結果精度，因此還需要使用孤點過濾、拓撲過濾等技術，從原始數據中提出噪點。為了使點云模型更加接近于真實場景，以及方便下一步的特征點提取，在內業數據預處理環節，還需要使用三維激光掃描儀的外置數碼相機拍攝的相片對點云進行上彩著色[3]。

3.4"地物和特征點的提取

RiSACN"PRO軟件支持從不同視角呈現掃描所獲得的地物，讓測繪人員更加全面地掌握被測對象的地形地貌、植被分布等重要信息，這就為地物與特征點的準確提取創造了有利條件。需要注意的是，由于測區植被茂密，使用該軟件不能完全剔除植被，因此，軟件自動采集高程點時會存在粗差。針對這一情況，采取了人工采集水利工程高程點的方式，并將采集的高程點保存在.dxf格式文件中，以滿足下一步編輯出圖的需要。本工程中提取的特征點有溝、梁、坎、路、高程點等。

3.5"數據拼接與過濾

要想使最終的測繪成果具備一致性，在內業數據處理中，需要對11個站點掃描所得的數據進行拼接。現階段，常用的數據拼接方法有Excel函數拼接、Pandas拼接等。本文選擇了“迭代最近點”拼接技術。其實現方法是采用點集對點集的迭代算法擬合出相匹配的起伏曲面[4]，在原始數據差值越小的情況下，得到的拼接效果越理想。另外，由于本次外業測量中三維激光掃描儀獲取的點云密度較大，加上掃描范圍的重疊率較高，因此不可避免地會存在數據冗余的情況。為了減輕編輯出圖的工作量，還需要進行數據的過濾處理。本文使用曲率采樣方法進行點云數據過濾。其實現方法是：在曲率較大的區域，盡可能留下更多的點云數據，以便于精確反應曲面特征；在曲率較小的區域，只保留少部分點。這樣既可以滿足制圖的精度要求，又能達到數據過濾目的，過濾后僅保留69"500個點。

3.6"編輯出圖

將.dxf文件、GPS-RTK和全站儀補充測量文件等全部導入到清華山維EPS軟件中，根據相關圖示圖例標準要求進行編輯處理，構建三角網、繪制等高線，得到最終的地形圖，并且以.dwg格式保存。

3.7"精度分析

本次測繪區域屬于山地，平面特征點相對較少，因此，在精度分析環節，從平面上挑選了10檢查點（A1～A10）。對比RTK檢查數據和圖解數據的差值，誤差要求參照《水利水電工程測量規范（SL"197-2013）》（以下簡稱“規范”）中的相關規定，精度分析結果見表2。

式（3）、式（4）中：ΔX、ΔY、ΔH見表2，將表2數據帶入式（3）、式（4）后，可以求得測區平面誤差M1值為±0.154"m、高程誤差M2值為±0.142"m。根據“規范”要求，對于山地1：500比例尺地形圖，地物點平面位置允許最大誤差為±0.4"m，高程允許最大誤差為±0.667"m。通過對比，可以發現，本文繪制地形圖的平面誤差和高程誤差均在“規范”要求范圍以內，說明測繪成果精度較高。

4"結語

在水利工程的建設、維護中，需要參考地形圖，因此，保證地形圖中地物信息的豐富性和準確性至關重要。采用三維激光掃描儀獲取掃描數據，并進行數據降噪、數據過濾、數據拼接等一系列處理，配合專業軟件生成相應的地形圖，在保證出圖精度符合相關規范要求的基礎上，可以將其應用在水利工程建設、維護中，對發揮水利工程價值和維護水利工程安全起到了積極作用。

參考文獻

[1]王振立，繆鵬飛，余建軍.基于三維激光掃描、無人機航測的三維地形測繪技術融合研究[J].測繪與空間地理信息，2022，45（10）：196-197，200.

[2]趙帥華.無人機航測技術及其在地形測繪工作中的應用探討[J].工程技術研究，2020，5（3）：41-42.

[3]路曉峰，鄒仁均，尚金光.手持式移動三維激光掃描儀在大比例尺地形圖測繪中的應用[J].測繪，2023，46（4）：158-162.

[4]趙米傲.基于雙目線激光掃描的三維點云真實紋理生成系統[D].天津：天津工業大學，2022.

[5]陳昌文.基于三維激光掃描技術的隧道滲漏水檢測及裂縫識別[D].重慶：重慶交通大學，2023.