三維激光掃描技術(shù)在水電站3D建模中的應(yīng)用

王洋+王金+楊志鋒等

摘要：為了建立起庫(kù)區(qū)的3D模型，文章基于地面三維激光掃描儀和車載激光掃描儀技術(shù)所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一方面利用地面三維激光掃描儀技術(shù)的點(diǎn)云密度高、精度高的特點(diǎn)，另一方面結(jié)合車載激光掃描儀掃描速度快的特點(diǎn)，將兩種不同的數(shù)據(jù)源進(jìn)行融合以實(shí)現(xiàn)3D建模，在河南寶泉蓄能電站的3D建模中取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；水電站；3D建模；數(shù)據(jù)融合；點(diǎn)云數(shù)據(jù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：P228 文章編號(hào)：1009-2374（2015）13-0046-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.13.024

1 概述

隨著三維地理信息管理系統(tǒng)在水利建筑領(lǐng)域的深入研究，建立水庫(kù)的三維模型日益成為研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的人工測(cè)量方法耗時(shí)耗力，檢核工作難進(jìn)行。攝影測(cè)量的方法可以快速獲取被測(cè)區(qū)域的影像，但是高程精度不高，同時(shí)由于拍攝高度的限制，對(duì)尺寸較小的目標(biāo)物辨識(shí)能力有限。三維激光掃描儀技術(shù)以其高精度、高密度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和非接觸性主動(dòng)獲取物體表面3D信息的特點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)就得到了廣泛的應(yīng)用。三維激光掃描儀技術(shù)通常包括地面激光掃描儀、車載激光掃描儀和機(jī)載雷達(dá)。利用地面激光掃描儀技術(shù)，Kim等對(duì)預(yù)制鋼構(gòu)件的尺寸（長(zhǎng)、寬和面積）進(jìn)行高精度掃描。Virtanen等利用地面激光掃描儀技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行快速的數(shù)字化建模。Wang利用激光掃描儀技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同測(cè)站點(diǎn)云的高精度匹配。劉求龍等利用地面激光掃描儀對(duì)慧泉變電站進(jìn)行三維建模。為了能夠完整、精確地建立起水庫(kù)的三維模型，利用地面激光掃描儀的精度優(yōu)勢(shì)和車載激光掃描儀的速度優(yōu)勢(shì)，對(duì)車載激光掃描儀和地面激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，進(jìn)而得到整個(gè)庫(kù)區(qū)的三維構(gòu)架是目前最快捷有效的方式之一。本文以河南寶泉電站為例，自主研制探討如何利用車載激光掃描儀和地面激光掃描儀技術(shù)獲取數(shù)據(jù)并快速建立電站三維模型。

2 寶泉抽水蓄能電站概況

寶泉抽水蓄能電站位于河南省輝縣西部薄壁鎮(zhèn)，電站的主要建筑物包括上下水庫(kù)大壩、引水道、地下廠房洞群系統(tǒng)及地面開關(guān)站等。上水庫(kù)位于寶泉水庫(kù)峪河左岸支流東溝內(nèi)，距寶泉村約1km，引水道進(jìn)/出水口位于水庫(kù)左岸，距大壩左壩頭約200m。下水庫(kù)進(jìn)/出水口位于寶泉水庫(kù)左岸，距寶泉水庫(kù)大壩約1km。上水庫(kù)檔水建筑物為混凝土面板堆石壩，下水庫(kù)是利用峪河上已建成的寶泉水庫(kù)，但對(duì)大壩加高、加固。壩頂高程268.0m，壩頂長(zhǎng)為535.5m，其中左岸擋水壩壩長(zhǎng)277.0m、右岸檔水壩段長(zhǎng)197.5m。寶泉抽水蓄能電站引水道主洞直徑為6.5m，上游調(diào)壓井前、后段及尾水段洞徑均為6.5m，岔管段洞徑為4.5m；上水庫(kù)總庫(kù)容為827萬(wàn)立方米，發(fā)電庫(kù)容620萬(wàn)立方米；下水庫(kù)總庫(kù)容6750萬(wàn)立方米，灌溉興利庫(kù)容3575萬(wàn)立方米，擴(kuò)大興利庫(kù)容515萬(wàn)立方米。

3 三維激光掃描儀技術(shù)介紹

三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集的過(guò)程就是將連續(xù)的三維空間經(jīng)空間采樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)云的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)激光頭在水平面內(nèi)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鏡頭在豎直面內(nèi)做往復(fù)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成激光束在空間上的掃描。激光頭的角速度、轉(zhuǎn)鏡的角速度及激光脈沖的發(fā)射頻率共同決定了該型號(hào)在空間掃描的分辨率?？紤]到地面激光掃描儀測(cè)量精度高，同時(shí)相比較車載激光掃描儀來(lái)講比較靈活，本次研究運(yùn)用車載激光掃描儀對(duì)水庫(kù)周圍的道路進(jìn)行掃描，對(duì)于壩體等需要精細(xì)建模的目標(biāo)物使用地面激光掃描儀進(jìn)行掃描獲取數(shù)據(jù)。

3.1 地面激光掃描儀

地面激光掃描儀是基于地面的使用激光來(lái)有序、自動(dòng)地測(cè)量指定目標(biāo)物的三維坐標(biāo)。地面激光掃描儀記錄的有物體的距離、垂直角和水平角（＼* MERGEFORMAT）（圖1），同時(shí)還有被測(cè)物體的反射信號(hào)。由于其相對(duì)高密度、高精度的點(diǎn)云獲取技術(shù)，可以用來(lái)對(duì)壩體等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行掃描。當(dāng)一個(gè)測(cè)站所獲取的點(diǎn)云不能反映整個(gè)物體的全貌時(shí)，需要多站測(cè)量，而這些不同測(cè)站之間需要布設(shè)公共點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)不同測(cè)站數(shù)據(jù)的拼接和轉(zhuǎn)換。公共點(diǎn)通常有兩類：第一類是平面靶標(biāo)；第二類是球型靶標(biāo)。其中，球型靶標(biāo)保證了從不同角度掃描測(cè)量時(shí)都能獲取準(zhǔn)確的球心坐標(biāo)，避免了平面靶標(biāo)使用過(guò)程中入射角有時(shí)影響過(guò)大的問(wèn)題。

圖1 地面激光掃描儀測(cè)量坐標(biāo)

3.2 車載激光掃描儀

車載激光掃描儀也稱車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，主要由激光掃描儀、全景相機(jī)、Global Positioning System（GPS）、Inertial Measurement Unit（IMU）、里程計(jì)和后處理軟件等組成。將該系統(tǒng)安裝在車輛上，在車輛行駛過(guò)程中獲取道路及道路兩側(cè)的三維信息。相比地面激光掃描儀來(lái)講，其數(shù)據(jù)獲取速度快，更適用于在道路等遠(yuǎn)距離的掃描工作中。車載激光掃描技術(shù)由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，牽扯到GPS、慣導(dǎo)、陀螺儀、激光掃描頭以及全景相機(jī)等各方面的融合和同步問(wèn)題，因此數(shù)據(jù)采集的精度比較低，在對(duì)精度要求不高的情況下可以充分發(fā)揮其掃描速度比較快的優(yōu)勢(shì)。地面激光掃描儀所測(cè)得的點(diǎn)位精度可以達(dá)到5mm左右，車載激光掃描儀由于組合系統(tǒng)的復(fù)雜性，目前精度在40cm左右。二者的結(jié)合，一方面可以避免精度太低造成的模型偏差大，另一方面車載激光掃描儀的引入有效的提高了工作效率。

4 3D建模

4.1 數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描儀的特點(diǎn)是所見即所得。通過(guò)采集大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)展示物體的表面模型。車載三維激光掃描儀具有速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于道路不通交通不便的區(qū)域，很難采集到有效數(shù)據(jù)。而地面激光掃描儀具有架站方便、測(cè)程較遠(yuǎn)、精度較高的優(yōu)點(diǎn)，二者合理搭配可以很大程度上提高工作效率。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，發(fā)現(xiàn)測(cè)區(qū)內(nèi)交通情況良好，因此采用車載設(shè)備采集水庫(kù)整體框架信息，包括道路、護(hù)欄和邊坡防護(hù)部分。車載設(shè)備采集不到的區(qū)域使用地面設(shè)備補(bǔ)充采集。本次數(shù)據(jù)采集車載設(shè)備使用GeoBIM-C300車載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，地面設(shè)備使用北科天繪UA-1345地面三維激光掃描儀（圖2）。endprint

圖2 地面三維激光掃描儀（左）和車載激光掃描儀（右）

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于受儀器本身、周圍環(huán)境、被測(cè)物體的特征和布置網(wǎng)絡(luò)等的影響，使得采集的數(shù)據(jù)存在一定程度的誤差和噪聲干擾。因此，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除是預(yù)處理過(guò)程中的重要步驟之一。數(shù)據(jù)采集完成后，所得到的數(shù)據(jù)如圖3所示，先對(duì)每站數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理，將多余掃描的點(diǎn)云刪除，使用儀器配套軟件SS-UCtrl_v2.0.1

進(jìn)行點(diǎn)云去噪，特征點(diǎn)提取，為點(diǎn)云拼接做好準(zhǔn)備。

圖3 地面激光掃描儀所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)示例 圖4 水庫(kù)的3D模型（部分）

4.3 拼接和融合

一直以來(lái)不同測(cè)站點(diǎn)云之間的拼接融合都是三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。拼接質(zhì)量的問(wèn)題直接影響到最終成果的精度。傳統(tǒng)的拼接方式有兩種：（1）公共點(diǎn)拼接，兩站數(shù)據(jù)中找出最少四個(gè)公共特征點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)，將兩站點(diǎn)云拼接在一起；（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，外業(yè)采集中每站獲取的數(shù)據(jù)都具有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間直角坐標(biāo)系。利用四個(gè)或四個(gè)以上的已知坐標(biāo)控制點(diǎn)，可以將整個(gè)測(cè)站完成坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，只要布設(shè)覆蓋整個(gè)測(cè)區(qū)的控制網(wǎng)，就可以通過(guò)控制點(diǎn)將所有的測(cè)站轉(zhuǎn)換到相同的坐標(biāo)系下，這樣也可以做到點(diǎn)云的拼接融合。但由于水庫(kù)范圍較大、測(cè)站較多，采用公共點(diǎn)拼接的方法容易造成拼接誤差的累計(jì)，影響最終成果精度。采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法需要布設(shè)很多控制點(diǎn)坐標(biāo)，既增加了外業(yè)工作量，又無(wú)法保證精度。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，此次試驗(yàn)分別結(jié)合了兩種方法的優(yōu)勢(shì)，即在整個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)根據(jù)地形、范圍等因素劃分為幾個(gè)區(qū)域，每個(gè)單獨(dú)區(qū)域內(nèi)布設(shè)四個(gè)控制點(diǎn)，區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用公共點(diǎn)拼接的方式將整個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云拼接在一起，然后利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式將該區(qū)域點(diǎn)云轉(zhuǎn)到已知坐標(biāo)的控制點(diǎn)坐標(biāo)系下，最后再將轉(zhuǎn)換到相同坐標(biāo)系下的不同區(qū)域的點(diǎn)云在同一個(gè)軟件內(nèi)加載融合，最終達(dá)到整個(gè)測(cè)區(qū)點(diǎn)云拼接融合的效果。

4.4 建模

拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量很大，通過(guò)一定比例抽稀導(dǎo)入Geomagic Studio中后，依次對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行孤點(diǎn)刪除、點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云數(shù)量?jī)?yōu)化等操作，然后進(jìn)行封裝。封裝后的模型經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理后，再導(dǎo)入3DMax進(jìn)行貼紋理工作，對(duì)水工建筑物進(jìn)行三維建模、材質(zhì)粘貼、特效處理，生成逼真的工程模型，最終可以得到整個(gè)電站的全尺寸3D真實(shí)模型（圖4），實(shí)現(xiàn)在開發(fā)大壩安全監(jiān)測(cè)地理信息應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)可直接查詢展示大壩安全監(jiān)測(cè)成果。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)水電站等類似大型建筑物進(jìn)行建模時(shí)，地面激光掃描儀技術(shù)和車載激光掃描儀技術(shù)的結(jié)合，一方面保證了主要壩體數(shù)據(jù)建模的精度，另一方面又能快速地獲取壩體周圍道路等的信息，這兩者的結(jié)合揚(yáng)長(zhǎng)避短，有效地提高了數(shù)據(jù)采集的速度以及數(shù)據(jù)處理的效率。該方法適用于在水庫(kù)、變電站、橋梁、工業(yè)廠區(qū)等需要粗建模和精細(xì)建模結(jié)合的地方。下一步的研究將著重考慮將車載和地面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過(guò)一定的算法進(jìn)行融合。

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作者簡(jiǎn)介：王洋（1982-），男，吉林吉林人，河南國(guó)網(wǎng)寶

泉抽水蓄能有限公司工程師，研究方向：水利水電工程項(xiàng)目管理。

（責(zé)任編輯：陳 倩）endprint