地面三維激光掃描儀在水利工程施工中的應(yīng)用

陳 林，馬興建

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江廣川工程項(xiàng)目管理有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

水利工程中存在大量的土石方工程，土石方工程部分的計(jì)量一般是按斷面法按實(shí)計(jì)算，但因測(cè)量方法、計(jì)算過程及使用儀器的不同，一般都存在一定的誤差，基于這種誤差的存在，工程量結(jié)算時(shí)往往存在爭議?？梢酝ㄟ^逆向展示原始地形地貌的方式解決此類分岐，隨著地面三維激光儀的推廣使用，特別是2015年行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CH/Z 3017 —2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》的頒布，為水利工程中一些問題解決提供了較完善的逆向追溯手段，重點(diǎn)介紹其原理、方法以及在水利工程中應(yīng)用實(shí)例。

2 浙江省水利工程中測(cè)量儀器使用現(xiàn)狀

目前浙江省在水利工程測(cè)繪儀器使用方面，工程前期項(xiàng)目建議書及工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，基本上緊跟測(cè)量儀器的發(fā)展趨勢(shì)。以GPS為代表的衛(wèi)星定位系統(tǒng)、各個(gè)地市建立的CORS系統(tǒng)均發(fā)揮著重要作用，小范圍的測(cè)圖控制網(wǎng)也可省略，即可以利用CORS系統(tǒng)作為控制，測(cè)繪出高質(zhì)量的地形圖。水下地形測(cè)量方面，各種型號(hào)的測(cè)深儀均廣泛使用，特別是在浙江省沿海地區(qū)的水利工程中；部分地區(qū)已投入使用遙控測(cè)量船；近年來，無人機(jī)測(cè)量技術(shù)也在一定范圍內(nèi)使用。這些新技術(shù)很大程度地降低了人工測(cè)量強(qiáng)度。

施工階段測(cè)量主要任務(wù)是施工放樣及工程量計(jì)算，作業(yè)強(qiáng)度不高，但需貫穿施工全過程，全站儀等儀器基本上可以滿足要求，一定程度上影響了新儀器新技術(shù)的推廣使用。通過對(duì)浙江省沿海數(shù)十個(gè)水利工程的統(tǒng)計(jì)，基本上投資超過1億元的工程項(xiàng)目配備才有一套R(shí)TK系統(tǒng)，但大多數(shù)中、小型工程只配備全站儀、測(cè)距儀等傳統(tǒng)測(cè)量儀器，甚至老式的經(jīng)緯儀等也在一定范圍內(nèi)還在使用。施工階段涉水作業(yè)時(shí)必須使用的如測(cè)深儀等，大部分是靠第三方提供技術(shù)支持。

軟件應(yīng)用方面，因原始數(shù)據(jù)采集后即可形成斷面圖并計(jì)算方量，故CASS系列測(cè)量軟件在施工階段應(yīng)用較廣；GPS專用平差軟件使用普遍；部分中小工程還在手工繪圖，甚至仍用求積儀進(jìn)行面積計(jì)算。

三維激光掃描儀、無人機(jī)測(cè)繪等新的測(cè)量手段，21世紀(jì)初部分地級(jí)市建立的CORS系統(tǒng)，在施工階段應(yīng)用很少。分析原因，主要是受水利施工單位現(xiàn)行項(xiàng)目管理模式的影響，即施工過程中原始的測(cè)量手段基本可以滿足要求，故缺少推廣的動(dòng)力，所以施工階段測(cè)量儀器新技術(shù)的使用較專業(yè)測(cè)繪單位顯得落后。

3 地面三維掃描儀

3.1 發(fā)展簡介

20世紀(jì)90年代中期，隨著數(shù)字化技術(shù)及存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展（掃描儀在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)使用，但發(fā)展過程較緩慢），一種叫三維激光掃描技術(shù)開始在工程界實(shí)際應(yīng)用，這種技術(shù)其實(shí)是在GPS定位并激光測(cè)距的基礎(chǔ)上，增加掃描系統(tǒng)的測(cè)量儀器。隨著測(cè)繪領(lǐng)域的發(fā)展，多數(shù)測(cè)量人員將其描述成是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)新突破。其主要測(cè)量過程是通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，并用專用軟件建立物體的三維影像模型。由于其具有快速、非接觸性、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、高精度、數(shù)字化、自動(dòng)化等特性，得到測(cè)量人員大力推崇，隨著掃描儀技術(shù)的日趨成熟，近年來在水利工程中也得一定的應(yīng)用。

3.2 工作原理簡介

三維地面掃描儀系統(tǒng)的工作原理并不復(fù)雜，掃描成果其實(shí)就是無數(shù)個(gè)掃描點(diǎn)三維坐標(biāo)組成的點(diǎn)云集合。掃描儀器是根據(jù)不同測(cè)距類型分類（教科書中分為激光法、相位法和時(shí)間漂移法，其實(shí)不盡準(zhǔn)確），以市場(chǎng)上占多數(shù)的激光測(cè)距掃描儀器為例，工作原理就是幾何三角法原理：用一臺(tái)精度較高的激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)距，再用掃描的水平角和豎角，可以求得相對(duì)于測(cè)站的座標(biāo)，如果測(cè)站坐標(biāo)已知，可將測(cè)得的目標(biāo)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)坐標(biāo)，可求得被掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)（見圖1）。

圖1 地面三維激光掃描儀工作原理示意圖

圖 1 中，h = s · cosα，x = s · sinαcosβ，y = s · sinαsinβ。h為高差（m），x為縱座標(biāo)，y為橫座標(biāo)，s為斜距（m），α為天頂距（°），β為水平角（°）。

地面三維激光掃描儀工作時(shí)，激光掃描儀激光發(fā)射器射出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，在被掃描物表面產(chǎn)生反射后，沿原路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)P至掃描儀距離s，并同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值β和縱向掃描角度觀測(cè)值α（三維激光掃描測(cè)量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在縱向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，在一個(gè)掃描站上不能完成全部掃描任務(wù)時(shí)或者需在不同的方位進(jìn)行掃描時(shí)，涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題，水利工程中一般均采用國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，使用高斯 — 克呂格投影法則，測(cè)站點(diǎn)一般為已知點(diǎn)，可用軟件中的轉(zhuǎn)換程序，或者預(yù)置已知點(diǎn)，這和全站儀相似）獲得P的坐標(biāo)，無數(shù)個(gè)被掃描點(diǎn)形成了所謂的“點(diǎn)云數(shù)據(jù)”。

三維地面掃描儀的工作過程因不同的儀器而不盡相同，目前市場(chǎng)上工程所用的該類儀器，基本均是激光掃描儀。這類儀器，根據(jù)激光發(fā)射的不同，主要有燈泡式、三角式及扇形掃描儀，無論哪種形式的掃描儀，對(duì)水利工程中原始地形進(jìn)行掃描，工作效率是傳統(tǒng)斷面測(cè)量方法無法比擬的。

三維地面掃描儀的另一個(gè)概念，是關(guān)于真彩色點(diǎn)云的概念，水利工程傳統(tǒng)測(cè)量，所測(cè)的數(shù)據(jù)最終輸出的基本都是X、Y、H，但三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)不僅包含X，Y，H三維坐標(biāo)點(diǎn)的信息，而且還包括R（紅），G（綠），B（藍(lán)）顏色信息，這樣全面的信息能使地形地貌在計(jì)算機(jī)屏幕上真實(shí)展現(xiàn)，是傳統(tǒng)測(cè)量手段無法做到的，這也是掃描儀器近幾年得以大量應(yīng)用的重要原因。

4 地面三維掃描儀在水利工程施工中的應(yīng)用

4.1 傳統(tǒng)體積計(jì)算方法及激光三維掃描儀應(yīng)用

水利工程前期階段的面積計(jì)算往往以大比例地形圖為基礎(chǔ)進(jìn)行估算，計(jì)算精度十分有限，不宜作為結(jié)算工程量。施工階段的收方測(cè)量及開工時(shí)的原始地形測(cè)量，因涉及工程量的結(jié)算，測(cè)量方法的選擇較慎重，過程較嚴(yán)謹(jǐn)，精度自然要求相對(duì)較高。水利工程中的土石方等非規(guī)則體的體積計(jì)算，傳統(tǒng)的算法通常是斷面法或利用地形圖方格法計(jì)算。斷面法主要用于線型構(gòu)筑物或須局部開挖的地形，方格法主要用于大型料場(chǎng)或整座山開挖的地形，并且對(duì)地形圖等高線精度要求較高，以便計(jì)算出相對(duì)較準(zhǔn)確的工程量。

在斷面法中，斷面間距、斷面點(diǎn)的選取位置以及測(cè)量方法的不同，造成誤差精度也不同，計(jì)算的體積精度也就不同。但隨著RTK等測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用，雖然斷面測(cè)量較方便，但斷面點(diǎn)的選擇往往因人而異，有一定的隨意性，所以在測(cè)量散點(diǎn)組成的閉合圖形中，面積計(jì)算的誤差往往因人而異。若采取掃描的形式進(jìn)行原始地形測(cè)量，一方面據(jù)此可計(jì)算出工程量，另一方面，可將原始地形建立三維圖備份，對(duì)已破壞的地形地貌進(jìn)行逆向展示，可以解決這種精度認(rèn)知方面的分岐。

4.2 三維掃描儀在體積計(jì)算方面的應(yīng)用（以某水庫地形為例）

（1）掃描站的設(shè)定。布設(shè)掃描站時(shí)，應(yīng)根據(jù)被掃描物的形態(tài)、位置及距離確定，掃描站要設(shè)置合理，避免遮擋及干擾，即原則上既要方便儀器操作，又要能夠?qū)Ρ粧呙栉锶轿粺o死角進(jìn)行掃描。掃描站需在現(xiàn)場(chǎng)踏勘的基礎(chǔ)上確定，對(duì)于較復(fù)雜的掃描體，應(yīng)事先進(jìn)行掃描方案設(shè)計(jì)并編制作業(yè)指導(dǎo)書，確保掃描作業(yè)的連續(xù)性、有效性，因掃描的同時(shí)也在測(cè)距，所以要注意溫度、光線及附近電磁波等對(duì)儀器的影響，盡量排除干擾。

本次掃描所采用儀器為徠卡HDS 8800掃描儀，配置的數(shù)碼相機(jī)為尼康100型。掃描前均對(duì)儀器進(jìn)行檢查，滿足相關(guān)規(guī)定的要求。本次作業(yè)共布設(shè)9個(gè)掃描站，分區(qū)域分段對(duì)區(qū)內(nèi)地形進(jìn)行掃描。

（2）布設(shè)反射體。反射體的作用就是控制點(diǎn)，用于各掃描幅間的拼接（這方面類似于攝影測(cè)量）。反射體的數(shù)量一般在2個(gè)掃描站間不應(yīng)少于3個(gè)，以校正各掃描站間的誤差是否滿足要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本次共布設(shè)21個(gè)反射體，相鄰掃描站同名反射體確保在3個(gè)以上，以保證后期數(shù)據(jù)處理時(shí)的關(guān)聯(lián)。

（3）數(shù)據(jù)掃描。三維地面掃描儀和其它工程測(cè)量儀器一樣，也是架設(shè)在三角架上，和電源、相機(jī)等設(shè)備相連。一般三維地面掃描儀均經(jīng)過粗掃、反射體定位、影象形成、精掃等步驟。影像的色彩，要視配備的數(shù)碼相機(jī)的性能而定，可以根據(jù)天氣、光線等環(huán)境因素設(shè)置不同的拍攝參數(shù)，掃描時(shí)的分辨率也應(yīng)根據(jù)距離等條件因素設(shè)定。

本次作業(yè)因范圍較大，因?yàn)榉瓷潴w相對(duì)布設(shè)得較理想，掃描區(qū)域較明確，故掃描過程較順利。根據(jù)相關(guān)方要求，設(shè)定的掃描分辨率為1 mm。每個(gè)掃描站作業(yè)時(shí)間平均約30 min，包括掃描站測(cè)量時(shí)間在內(nèi)共計(jì)1.5 d時(shí)間，結(jié)束全部外業(yè)掃描工作。

（4）拼接、數(shù)據(jù)處理及三維建模。數(shù)據(jù)拼接時(shí)，靶標(biāo)采用測(cè)量數(shù)據(jù)、點(diǎn)云特征值擬合的方法統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)下，拼接精度控制在2 cm內(nèi)。

三維數(shù)據(jù)是由地形表面的掃描點(diǎn)集合組成，數(shù)據(jù)量十分龐大，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前，要進(jìn)行必要的分析整理，發(fā)現(xiàn)遺漏及時(shí)補(bǔ)掃，掃描數(shù)據(jù)難免出現(xiàn)非目標(biāo)掃描數(shù)據(jù)，應(yīng)過濾掉多余的數(shù)據(jù)并在此基礎(chǔ)上在進(jìn)行擬合，進(jìn)一步建立三維模型。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的著色是建立三維圖形的重要步驟，從影像像素上提取的色彩信息（即RGB）對(duì)應(yīng)到各掃描點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)達(dá)到一定量時(shí)，形成逼真的實(shí)體信息，在此基礎(chǔ)上，去除掉部分冗余數(shù)據(jù)，再進(jìn)行三維建模。本次掃描的數(shù)據(jù)處理及建模是運(yùn)用Geomagic Studio軟件進(jìn)行。圖2為本次掃描后的部分三維地形圖。

圖2 某水庫地形掃描圖（局部）

（5）面積計(jì)算。部分儀器所采用的軟件可直接求出被掃描物的體積，根據(jù)多年來從業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)，體積值受擬合線及剖面位置的影響較大，若斷面位置選取不當(dāng)，計(jì)算精度反而十分有限。對(duì)于工程計(jì)量而言，特別是大面積的開挖或回填，剖面位置可根據(jù)具體情況選取而不是根據(jù)軟件平均距離取剖面，以保證工程量計(jì)算的精度。

因?yàn)橐研纬闪巳S地形圖，也可以采用剖面法或方格法進(jìn)行計(jì)算，這和常規(guī)的計(jì)算方法相同。

5 地面三維掃描儀測(cè)量的精度控制

5.1 掃描過程中精度控制

地面三維掃描儀是高靈敏度的電子機(jī)械儀器，有自身的使用條件，其工作精度主要受溫度、磁場(chǎng)等影響，應(yīng)避免在極端溫度條件和地磁異常的地區(qū)進(jìn)行掃描作業(yè)。掃描過程中的精度主要受儀器自身精度、原始點(diǎn)精度、反射體精度、被掃描物遮擋情況、影響激光束的環(huán)境因素（如溫度、大氣壓等）等方面影響。其中被掃描物遮掩在植被茂密情況下對(duì)精度影響較大，須采取人工改正措施（如GPS測(cè)點(diǎn)加密等）確保精度，其它因素類似于常規(guī)儀器如全站儀測(cè)量時(shí)的精度控制。

5.2 拼接、建模精度控制

通過靶標(biāo)將分散掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接成圖時(shí)，掃描的位置、標(biāo)靶的布置及拼接方式的選擇等是影響拼接精度的主要因素。較理想的拼接方式是在控制點(diǎn)處也設(shè)置靶標(biāo)，進(jìn)行同名點(diǎn)拼接，并且各靶標(biāo)點(diǎn)間互相通視，對(duì)一個(gè)靶點(diǎn)在不同的站點(diǎn)多次掃描，并在數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行去噪處理。另外，目前市場(chǎng)上各類儀器使用的軟件不盡相同，但建模時(shí)盡量避免不必要的格式轉(zhuǎn)化，避免轉(zhuǎn)化過程中的擬合誤差。

6 地面三維掃描儀的特點(diǎn)

三維激光掃描儀較傳統(tǒng)測(cè)量儀器，優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在作業(yè)時(shí)間短，效率高，所測(cè)得的是三維地形圖，精度較高，并且外業(yè)操作相對(duì)簡單；缺點(diǎn)是儀器價(jià)格較高，推廣起來難度較大，軟件缺乏統(tǒng)一的操作平臺(tái)。相對(duì)于其它測(cè)量儀器，三維地面掃描儀在水利工程中主要有以下特點(diǎn)。

6.1 數(shù)據(jù)采集的快速性

在斷面測(cè)量手段中，以使用較多的RTK為例，每一點(diǎn)的測(cè)量費(fèi)時(shí)基本在2 s以上，若要以數(shù)字化的方式建立三維模型，面對(duì)龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這樣的測(cè)量速度根本不能滿足數(shù)據(jù)采集的需求，但三維激光掃描儀改變了這一現(xiàn)狀，脈沖掃描儀（Scanstation2）最大速度已經(jīng)達(dá)到50 000點(diǎn)/s，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng)達(dá)到120萬點(diǎn)/s，這種三維激光掃描儀對(duì)水利工程而言，足以對(duì)原始地形地貌全方位用數(shù)據(jù)進(jìn)行描述并快速建立局部的三維模型，這也是地面三維激光掃描儀在工程中得以應(yīng)用的主要原因。

6.2 真實(shí)的地形復(fù)制

三維激光掃描儀，其掃描結(jié)果直接顯示為點(diǎn)云，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立復(fù)雜地形的三維可視化模型，既省時(shí)又省力，這種能力是現(xiàn)行三維建模軟件所不可比擬的。

6.3 為工程量結(jié)算提供依據(jù)

水利工程因其自身特點(diǎn)，土石方工程費(fèi)用占工程投資的比重較大，隨著浙江省水利工程建設(shè)的發(fā)展，各方面對(duì)工程量的計(jì)算精度均提出新的要求，特別是近年來審計(jì)部門的介入，往往因工程原始地形已破壞不能對(duì)部分有疑義的工程量提供原始的計(jì)算憑據(jù)，因工程量引起的糾紛無法從根本上進(jìn)行判定，三維掃描儀的出現(xiàn)解決了此類爭議。

6.4 工程原始地形檔案的全覆蓋和可視化

較傳統(tǒng)的地形測(cè)量方式，三維掃描儀可以將原始地形地貌以三維圖像的形式保存下來，可實(shí)現(xiàn)施工區(qū)域地形全覆蓋（水下部分除外），并以立體的方式對(duì)工程形成局部逆向的展示，工程原始地形檔案資料立體可視化。

7 結(jié) 語

水利工程施工階段的土石方工程占工程投資的比重較大，開工前的原始地形測(cè)量往往是各方關(guān)注的重點(diǎn)，極易形成合同爭議。若在原始地形破壞前將地形掃描并建立三維立體圖形存檔備查，既可替代傳統(tǒng)的地形測(cè)量工作（水下地形測(cè)量除外），又對(duì)土方工程量爭議的解決起到見證作用。隨著三維掃描技術(shù)的日趨成熟，特別是CH/Z 3017 — 2015《地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程》的頒布，為其在水利工程中的應(yīng)用提供重要的技術(shù)支持，主管部門應(yīng)予以重點(diǎn)引導(dǎo)，鼓勵(lì)相關(guān)方進(jìn)一步論證并落實(shí)建立原始地形三維圖像，推動(dòng)提高水利工程建設(shè)水平。