地面三維激光掃描儀在水利工程地形測(cè)繪中的應(yīng)用

任　彤，吳昱樨

（海河水利委員會(huì)水文局，天津　300170）

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地面三維激光掃描儀在水利工程地形測(cè)繪中的應(yīng)用

任彤，吳昱樨

（海河水利委員會(huì)水文局，天津300170）

摘 要：三維激光掃描技術(shù)作為近些年發(fā)展起來的一門新技術(shù)，越來越多地應(yīng)用到水利行業(yè)。以獨(dú)流減河防潮閘周邊地形測(cè)繪為例，介紹了三維激光掃描儀的數(shù)據(jù)采集和處理方法，獲得了DEM數(shù)據(jù)和防潮閘三維模型等成果，最后對(duì)三維激光掃描儀在水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；水利工程；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；DEM；三維建模；應(yīng)急監(jiān)測(cè)

1　引言

三維激光掃描技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種快速獲取空間三維信息的新技術(shù)。與傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量方法相比，它具有無接觸、高自動(dòng)化、高精度、測(cè)量方式靈活等特點(diǎn)，能夠快速、精確地完成對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地形測(cè)量。在水利工程地形測(cè)繪中，由于周邊地況較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)測(cè)量手段需消耗大量人力物力，且測(cè)量精度很難達(dá)到要求［1］，三維激光掃描儀的無接觸測(cè)量方式就成為解決此類問題的一條新途徑。筆者以獨(dú)流減河防潮閘（以下簡稱防潮閘）周邊地形掃描為例，介紹地面三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集流程和數(shù)據(jù)處理方法，并對(duì)獲取數(shù)字高程模型（DEM）和三維建模的技術(shù)、方法進(jìn)行詳細(xì)探討。

2　三維激光掃描儀的工作原理

三維激光掃描儀通過激光測(cè)距原理，瞬時(shí)獲取物體表面的空間三維數(shù)據(jù)，稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)掃描儀搭載的運(yùn)行平臺(tái)不同，可分為空中機(jī)載掃描儀、地面掃描儀和便攜式掃描儀。地面三維激光掃描儀主要由激光掃描系統(tǒng)、數(shù)字?jǐn)z像系統(tǒng)、定位系統(tǒng)、軟件控制平臺(tái)、內(nèi)部校正系統(tǒng)和電源及其他附件構(gòu)成。三維激光掃描儀一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，XOY平面為水平面，Y軸為掃描轉(zhuǎn)向方向，Z軸為垂直方向，掃描儀發(fā)射激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射，接收器接收沿相同路徑返回的激光脈沖信號(hào)，同時(shí)測(cè)量每個(gè)激光脈沖水平掃描角度α和垂直方向角度θ，如圖1所示。

圖1　三維激光掃描儀內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)

根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差原理，計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)與掃描儀之間的距離值S。通過式（1），可確定被測(cè)物體在坐標(biāo)系中的空間三維坐標(biāo)［2］。

3　實(shí)例分析

防潮閘位于獨(dú)流減河入海口處，始建于1967年，主要功能是擋潮御沙、汛期泄洪、調(diào)度控制水位。經(jīng)改建后防潮閘共26孔，其中過流孔22孔、非過流孔4孔，每孔凈寬10 m，閘室總寬287.2 m。近兩年，由于排泥場(chǎng)、碼頭的興建，防潮閘周圍地形發(fā)生變化，為分析變化情況，需對(duì)防潮閘周邊大約5 km2范圍的地形進(jìn)行測(cè)量。防潮閘下游多以灘、洼地為主，且多處區(qū)域正在施工，測(cè)量條件較為復(fù)雜，用傳統(tǒng)GPS和全站儀無法完成測(cè)量，而使用地面三維激光掃描儀可以精確、快速地獲取變化后的地形數(shù)據(jù)。

3.1軟硬件平臺(tái)介紹

本次掃描采用奧地利RIEGL公司VZ-4000型地面三維激光掃描儀。VZ-4000是一款基于脈沖激光測(cè)量的長距離三維激光掃描儀，掃描距離達(dá)4 km，可進(jìn)行水平360°、垂直60°（俯仰角各30°）的掃描，掃描精度可達(dá)15 mm，內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)可在掃描結(jié)束后自動(dòng)獲取目標(biāo)圖像。

點(diǎn)云基礎(chǔ)處理軟件RiSCAN PRO是VZ-4000型三維激光掃描儀配套軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、去噪、過濾、抽稀、導(dǎo)出等功能。

3DReshaper是由法國Technodigit公司開發(fā)的一款點(diǎn)云后處理和應(yīng)用軟件，具有地形地物分離、三維建模（生成DTM）和模型優(yōu)化等功能，并可對(duì)模型進(jìn)行紋理映射、局部提取量測(cè)和特征線分析等。

除上述主要軟硬件平臺(tái)外，還用到的輔助設(shè)備有：①Trimble R8 GPS，動(dòng)態(tài)測(cè)量精度水平8 mm+1 ppm RMS、垂直15 mm+1 ppm RMS；②Motoar Sky MS670四旋翼無人機(jī)，續(xù)航時(shí)間80 min，最大飛行高度1 000 m，搭載索尼a5100微單相機(jī)，有效像素2 010萬。

3.2數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、測(cè)站坐標(biāo)信息采集和圖像采集，數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

（1）現(xiàn)場(chǎng)查勘定站。RIEGL VZ-4000掃描儀采取定點(diǎn)掃描方式，每次掃描只能獲取掃描對(duì)象某一部分點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以首先要對(duì)被掃描物體及周圍環(huán)境進(jìn)行考察，布設(shè)多個(gè)掃描站點(diǎn)對(duì)物體進(jìn)行掃描，以獲得目標(biāo)完整的點(diǎn)云信息。其原則是在保證數(shù)據(jù)獲取完全、滿足數(shù)據(jù)處理對(duì)點(diǎn)云要求的前提下，選擇盡量少的站點(diǎn)，提高工作效率。由于防潮閘周圍地況較為復(fù)雜，缺少視野寬闊的制高點(diǎn)，為保證數(shù)據(jù)完整性，經(jīng)過實(shí)地勘察，決定布設(shè)11個(gè)掃描站，其中001、007、008站分別架設(shè)在屋頂和橋上，其余掃描站均架設(shè)在局部地勢(shì)較高區(qū)域。掃描范圍和站點(diǎn)位置，如圖3所示。

圖3　掃描范圍及站點(diǎn)位置

（2）粗掃。在具體的從某一個(gè)方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行掃描尤其是對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行掃描時(shí)，目測(cè)很難判斷目標(biāo)所在的角度范圍。所以，在掃描過程中，每一站都先進(jìn)行360°全景掃描，其得到的點(diǎn)云圖稱為粗掃圖。

（3）目標(biāo)區(qū)域精掃。在粗掃圖上框選精掃目標(biāo)，同時(shí)調(diào)整點(diǎn)間距和激光發(fā)射角分辨率2個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確掃描，得到的數(shù)據(jù)稱為原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4所示（以001站為例）。

圖4 原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（4）獲取站點(diǎn)位置信息。掃描儀在進(jìn)行每一站掃描時(shí)都會(huì)建立獨(dú)立的坐標(biāo)系，我們需要獲取各站的坐標(biāo)信息進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)一，即數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。由于防潮閘周圍缺少控制點(diǎn)，我們假設(shè)閘管所內(nèi)一點(diǎn)為控制點(diǎn)，坐標(biāo)為（10 000，5 000，20），每站掃描完畢后量取儀器高度，后使用RTK測(cè)量掃描儀所在位置地面點(diǎn)坐標(biāo)。站點(diǎn)坐標(biāo)信息，見表1。

（5）獲取目標(biāo)影像圖片。在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模時(shí)，為達(dá)到還原真實(shí)的效果，需使用實(shí)拍照片對(duì)模型作無變形紋理映射。由于掃描范圍較大、地物遮擋較為嚴(yán)重，掃描儀內(nèi)置相機(jī)很難獲取到完整的影像圖片，所以我們借助無人機(jī)的航拍功能來完成。在給定航拍范圍后，Motoar Sky MS670無人機(jī)可自動(dòng)規(guī)劃飛行路徑進(jìn)行全景拍攝，極大地提升了工作效率。

3.3數(shù)據(jù)處理流程與關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)特點(diǎn)，三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理過程如圖5所示。

圖5三維激光掃描的數(shù)據(jù)處理過程

3.3.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)冗余點(diǎn)，我們稱為噪點(diǎn)。這些點(diǎn)對(duì)后期數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和建模有很大影響，所以要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理。由掃描儀自身掃描特性決定，一些遠(yuǎn)距離的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)以噪帶方式顯示，我們使用RiSCAN PRO中MTA功能對(duì)噪帶作點(diǎn)云還原處理。受陽光和空氣懸浮顆粒物等外部條件影響，數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)離散的噪點(diǎn)，這些點(diǎn)的激光反射率、振幅等參數(shù)與正常數(shù)據(jù)有較大差異。在去噪工具中設(shè)定Reflection和Amplitude的閾值，噪點(diǎn)將自動(dòng)被過濾刪除。原始數(shù)據(jù)中還存在剩余噪點(diǎn)、水下倒影和移動(dòng)物體的拖影等無用數(shù)據(jù)，要進(jìn)行手動(dòng)刪除。

3.3.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

要獲取目標(biāo)完整的三維數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行多測(cè)站掃描。每一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系是相互獨(dú)立的，那么就需要將每站點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一坐標(biāo)系里，統(tǒng)一坐標(biāo)系的過程稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，也稱數(shù)據(jù)拼接。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接過程中，會(huì)對(duì)坐標(biāo)系進(jìn)行三維變換，如平移、旋轉(zhuǎn)和縮放等，其實(shí)質(zhì)就是三維圖形的變換和處理［3］。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的精度直接影響著三維建模的精度，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)。

（1）坐標(biāo)系及有關(guān)概念說明。Seanner's Own Coordinate System（SOCS）即掃描儀坐標(biāo)系，也就是掃描儀自身的局部坐標(biāo)系。Project Coordinate System （PRCS）即項(xiàng)目坐標(biāo)系，是一種局部坐標(biāo)系，在使用特征點(diǎn)拼接中可將各站局部坐標(biāo)系統(tǒng)移到項(xiàng)目坐標(biāo)系中。Global Coordinate System（GLCS）即全局坐標(biāo)系，也稱全球坐標(biāo)系，是通過GPS或全站儀獲取的位置信息定義的坐標(biāo)系，可以看作是大地坐標(biāo)系統(tǒng)的一種。

各坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)換方式如圖6所示，圖中下標(biāo)SP代表SOCS、下標(biāo)PR代表PRCS、下標(biāo)GL代表GLCS。Msop（SOP）是把掃描儀坐標(biāo)系變換成項(xiàng)目坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，Mpop（POP）是把項(xiàng)目坐標(biāo)系變換成全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣。

圖6坐標(biāo)系及其轉(zhuǎn)換方式

（2）坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。通過圖形變換可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維圖形的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放，這就等同于對(duì)局部坐標(biāo)系進(jìn)行的相應(yīng)變換。圖形坐標(biāo)變換是點(diǎn)云拼接的基本原理，點(diǎn)云拼接的任務(wù)就是找到局部坐標(biāo)系與全局坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣。多視站點(diǎn)云拼接只涉及點(diǎn)云的平移與旋轉(zhuǎn)，不包含投影和縮放，其三維坐標(biāo)系變換矩陣形式為：

將RTK測(cè)量的數(shù)據(jù)導(dǎo)入RiSCAN PRO軟件中，軟件會(huì)聯(lián)合本站的電子羅經(jīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行后視定向計(jì)算，確定旋轉(zhuǎn)與平移矩陣參數(shù)，得到矩陣T3D，即SOP （Msop），如圖7（以001站為例）所示。

在計(jì)算過程中，項(xiàng)目坐標(biāo)系（PRCS）與全局坐標(biāo)系（GLCS）默認(rèn)是相同的，POP（Mpop）為單位矩陣。分別計(jì)算后，11站全部轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)系，拼接完成。

圖7　001站坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣

3.3.3基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模

將拼接好的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立網(wǎng)格模型是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵步驟，它直接關(guān)系到DEM數(shù)據(jù)的獲取和模型的應(yīng)用。根據(jù)三維模型自身特點(diǎn)，模型構(gòu)建可以分為2種方法［4］：一種是幾何模型重建，常用在規(guī)則物體的建模中，利用幾何體如平面、柱體、四面體等對(duì)物體進(jìn)行擬合；另一種是三維表面模型重建，根據(jù)區(qū)域內(nèi)有限個(gè)點(diǎn)集將區(qū)域劃分為相連的不規(guī)則三角面網(wǎng)絡(luò)，在區(qū)域中任意點(diǎn)云數(shù)據(jù)落在三角面的頂點(diǎn)、邊上或三角形內(nèi)，利用三角網(wǎng)格逼近掃描物體表面。

為獲取有效的DEM數(shù)據(jù)和真實(shí)的建模效果，需對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)作分割提取，將地物、植被等數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)分離。使用3DReshape軟件中地形提取功能，可自動(dòng)生成地形三角網(wǎng)模型，即DEM數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8　地形數(shù)字高程模型

該數(shù)據(jù)可以.obj和.tif等格式導(dǎo)出作后期應(yīng)用。對(duì)于閘體和房屋，3DReshape可將物體的輪廓線、截面線提取出來，然后通過拉伸、填充等操作完成三維模型的建立。防潮閘及部分房屋模型，如圖9所示。

圖9　防潮閘和房屋模型

3.3.4紋理映射

精確建立三維模型后，為了描述具有真實(shí)感的物體、增強(qiáng)物體表面細(xì)節(jié)的表現(xiàn)力，需使用實(shí)拍圖片對(duì)模型作無變形紋理映射。確定各幅照片與三維模型之間的映射關(guān)系，即要解決照片與三維模型的配準(zhǔn)問題。與3.3.2節(jié)中點(diǎn)云配準(zhǔn)類似，紋理映射也是通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方式實(shí)現(xiàn)。

數(shù)碼相機(jī)成像可通過4個(gè)坐標(biāo)系的3次轉(zhuǎn)換來表達(dá)，即全局坐標(biāo)系（Xw，Yw，Zw）到相機(jī)坐標(biāo)系（Xc，Yc，Zc）的轉(zhuǎn)換、相機(jī)坐標(biāo)系（Xc，Yc，Zc）到圖像坐標(biāo)系（X，Y）的轉(zhuǎn)換、圖像坐標(biāo)系（X，Y）到像素坐標(biāo)系（U，V）的轉(zhuǎn)換。根據(jù)相機(jī)針孔成像模型和坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)、平移變換矩陣，對(duì)空間中任意一點(diǎn)P可通過式（3）建立世界坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系［5］。

式中：f為鏡頭到成像平面的距離；R，T為旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。

由式（3）可知相機(jī)的待標(biāo)定參數(shù)有10個(gè)，即4個(gè)內(nèi)部參數(shù)（f/dx、f/dy、u0、v0）以及R、T各有的3個(gè)外部參數(shù)。其中，相機(jī)內(nèi)部參數(shù)主要與相機(jī)鏡頭的焦距、光圈大小等參數(shù)有關(guān)，外部參數(shù)主要與相機(jī)拍攝時(shí)的姿態(tài)、高度等參數(shù)有關(guān)。在使用3DReshape進(jìn)行紋理映射時(shí)，通過指定圖像和模型中對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)（不少于10個(gè)），軟件將計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)，將像素坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系，完成無變形紋理映射。模型效果，如圖10所示。

4　總結(jié)與展望

三維激光掃描儀這種無接觸、高自動(dòng)化、高精度的測(cè)量方式較傳統(tǒng)測(cè)量方式有很大的優(yōu)勢(shì)，在地況較復(fù)雜的水利工程地形測(cè)繪中更是一條捷徑。筆者通過對(duì)防潮閘周邊地形掃描，介紹了三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集處理的流程和方法，并對(duì)數(shù)據(jù)處理中的點(diǎn)云拼接、三維建模和紋理映射技術(shù)作了詳細(xì)的探討，最后獲得防潮閘及周邊區(qū)域的三維紋理模型和DEM數(shù)據(jù)。

圖10紋理效果

后期應(yīng)用中，對(duì)于建好的紋理模型可通過3DMax軟件進(jìn)行渲染，利用Converse3D或VRP等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件實(shí)現(xiàn)操作者與模型的三維交互。水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，對(duì)于山體滑坡形成堰塞湖的情況，我們可將滑坡后掃描數(shù)據(jù)與滑坡前的DEM數(shù)據(jù)作對(duì)比分析，計(jì)算出滑坡量和堰塞體的體積，為搶險(xiǎn)決策提供數(shù)據(jù)支持。三維激光掃描儀在水工建筑物的變形監(jiān)測(cè)和蓄滯洪區(qū)地形測(cè)繪等水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域存在巨大潛力，需要我們進(jìn)一步探索與研究。

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中圖分類號(hào)：TV221.1；P217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-7328（2016）01-0054-05

DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2016.01.020

收稿日期：2015—11—10

作者簡介：任彤（1990—），男，助理工程師，主要從事水文應(yīng)急監(jiān)測(cè)工作。