地面三维激光扫描技术及其在水利工程中的应用

徐云乾，袁明道，刘建文，杨文滨

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心，广东 广州 510635）

地面三维激光扫描技术及其在水利工程中的应用

徐云乾1,2，袁明道1,2，刘建文1,2，杨文滨1,2

（1.广东省水利水电科学研究院，广东 广州 510635；2.广东省山洪灾害突发事件应急技术研究中心，广东 广州 510635）

三维激光扫描技术是一项以激光扫描的非接触方式快速、高效、高密度获取被测物的真空间三维坐标的较新的测量技术，通过后处理软件对真空间三维坐标点云进行三维测量、分析和建模仿真等。介绍了三维激光扫描技术的原理和特点，与传统的测量技术进行对比。最后以水库库容测量、溃口尺寸测量和水工建筑物断面测量三个实例，阐述了三维激光扫描技术在水利工程中的应用。

三维激光扫描；三维测量；水利工程

水利工程具有建筑物体量大，工程区范围广、地形复杂危险的特点，在勘察、设计、施工、监测、抢险中进行地形等高线测绘和长度、面积、体积等三维尺寸测量时，传统的单点测量工作量大，周期长，特别在针对陡崖、高边坡测量时危险性高。

在我国一批建成于50~80年代的水利工程中，有很大一部分的工程图纸由于各种原因已经散佚，需要对其重新测绘，以规范工程管理，并为后期的安全鉴定和除险加固提供详细的工程资料。在应对水利工程建设过程中快速开挖形成的高陡边坡，必须快速准确编录[1]。在水利工程出险如建筑物出现安全隐患、边坡失稳和溃坝时需要测量建筑物倾斜度和裂缝统计，测量滑坡土方量以及溃口大小和溃坝后坝体三维尺寸。完成以上工作，一方面需要投入大量的人力物力，一方面给作业人员带来了安全问题。

针对上述问题，也可通过常规全站仪测量、数字投影测量等方法解决，这些技术方法的应用需要配合大量的外业测量工作和数据整理、影像畸变校正等复杂的内业工作。而三维激光扫描技术为解决上述问题提供了实用、快速、准确的技术解决方案。

1 三维激光扫描技术原理及特点

三维激光扫描系统包含硬件系统和软件系统，通过硬件系统发射的脉冲激光信号对被测物的扫描，由接收器和记录器分别接收和记录物体反射回的信号经处理后转换成数字化的三维坐标点数据，这些真空间三维坐标点的集合称为真点云，真点云忠实地反映物体三维轮廓特征，通过三维点云处理软件对点云数据进行三维测量、分析和建模仿真等。因此，三维激光扫描作为一种现代新兴测量技术，在“5·12”汶川大地震造成的安县肖家桥、罐滩堰塞湖[2]、在温泉水电站大比例尺地形图测量中[3]，清凉寺滑坡监测[4]以及隋唐洛阳城定鼎门遗址唐代道路遗址保护[5]取得了良好的应用效果，在水利、地质、古建等众多领域中有巨大的潜力和市场需求[6]。

三维激光扫描技术具有以下几个特点：

（1）高效：激光扫描测量能够快速获取大范围目标空间信息。

（2）高精度：全站仪典型的测量精度一般为1~2mm，目前大部分激光扫描设备的单点精度大概是1~3mm，而使用多点测量模型化单点则可以显著的提高数据的精度。

（3）高采样率：三维激光扫描的采样速率是传统测量方式难以比拟的。采用脉冲激光三维激光扫描仪采样点速率可达到数万点/秒，采用相位激光三维激光扫描仪可以达到数十万点/秒。

（4）非接触式：三维激光扫描技术直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠，可以用于解决危险环境及人员难以企及的情况。

（5）全数字化：三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。

目前三维激光扫描仪根据载体分为三种(1)机载式（2）地面式（3）手持式，地面式三维激光扫描系统在市场上较为常见，目前市场上主流的地面三维激光扫描仪数据对比如表1。

地面式三维激光扫描技术工作流程如图1。

表1 主流地面三维激光扫描仪参数对比

图1 三维激光扫描技术工作流程

2 地面三维激光扫描技术在水利工程中的应用

瑞士徕卡(Leica)生产的Scan Station C10三维激光扫描系统，其主要技术参数见表1，已在湛江市徐闻县7宗水库挡水土坝断面测量、茂名市名湖水库引水渡槽和郁南县河田渡槽及枧峡渡槽三维尺寸测量、高州市某水库库容复核测量、清远市飞来峡广东省河口水利工程实验室建设挖填土方量测量、从化白水带重力坝三维尺寸测量和龙潭水库挡水土坝引水涵管除险加固等多宗工程中应用，分别涉及到水利工程当中三维尺寸测量、变形监测、地形测量、工程开挖、减灾防害等方面，取得了理想的技术成果。

2.1 某水库水位库容曲线和三维尺寸测量

某水库位于高州市东北部山区大坡镇格苍村境内，2013年8月14日受台风“尤特”带来的强降雨影响，挡水拱坝左坝肩穿孔破坏，利用三维激光扫描技术，为确保数据准确详实，共设置了10个测站，获取到8.32GB的原始点云数据（图2）。经过后处理，完成测量了该水库的水位库容曲线，挡水坝高以及详细溃口尺寸。

（1）水位库容曲线测量

假定参考水平面为山塘蓄水水面，高程每升高1m计算一次参考平面及其以下点云所构成的几何体的体积（即相应高程水位的库容），直到21m高程（图3），填挖土方的计算也采用相同的计算方法。所得水位库容关系如表2所示。

（2）溃口尺寸测量

沿溃口边缘选取40个点，获取40个点的空间XYZ坐标，将点坐标输入到CAD中，可得到直观的溃口尺寸图（见图4）。

本次测量不仅对水位库容关系和溃口尺寸做了测量，还结合三维拍摄照片和点云数据分析了拱坝上游面的裂缝并对坝顶高程做了测量，这些成果为工程抢险和事故分析提供了全方位的数据支持。

图2 电站拱坝照片（左）和扫描所得的点云数据（右）

2.2 上坑水库断面测量

上坑水库位于湛江市徐闻县下洋镇，工程1973年竣工投入使用，坝长300m，最大坝高6m，库容810万m3，是一宗以灌溉为主，结合防洪、养殖的小（1）型水库。

该土坝外业共测量5站，外业单站的测量时间约15min，内业整理1h。扫描多站获取数据，经过拼接得到整体点云图（见图5）。由于扫描得到的点云为三维坐标点，经过三维坐标校正，每间隔1m甚至10cm利用工作平面对坝体点云进行一次纵向切割，可得到坝体纵剖面点云，导入到CAD中可以直接测量坝体剖面各部位的尺寸（见图6上）。三维激光扫描技术可以实现水工建筑物断面高效高密度高精度测量。

图3 工作平面水平切割库区点云图

3 结论

三维激光扫描能获取真实反映物体的三维坐标点云，因此，后处理中可对被测物进行任何方式的三维测量（地形、体积、角度、长度、高程等）。其高效、高精度、高采样率的特点可以减轻作业人员的工作强度，提高工作效率和测绘精度。本文结合工程实例介绍了三维激光扫描技术在水利工程中常见的水位库容和三维尺寸测量，总结了三维激光扫描技术的特点和使用时应注意的问题。与传统测绘结果相对比，三维激光扫描技术具有很强的实用性。

图4 溃口尺寸图（单位：m）

表2 水位库容关系表

但经过实际应用发现，三维激光扫描技术仍存在以下不足：

(1)激光扫描有效距离有限，在大范围、长距离扫描时需要多站扫描；(2)激光光斑随距离延长而增大，影响了测绘精度；(3)激光对一些介质如水等反射性差，测量结果会出现盲区；（4）遇到雨雪等不利天气时，点云噪点明显增多。

目前三维激光扫描技术正处于发展更新阶段，尽管存在以上局限性，但是应用前景仍然十分广阔。

图5 坝体点云俯视图

图6 大坝0+80剖面三维扫描仪成果（上图）与全站仪测量成果（下图）对比（单位：mm）

[1] 董秀军，黄润秋.三维激光扫描技术在高陡边坡地质调查中的应用[J].岩石力学与工程学报，2006，25(2).

[2] 何秉顺，赵进勇，王力，等.三维激光扫描技术在堰塞湖地形快速测量中的应用[J].防灾减灾工程学报，2008，28(3)：394-398.

[3] 许映林.3维激光扫描技术在温泉水电站大比例尺地形图测量中的应用[J].测绘通报，2007，(6)：40-42.

[4] 刘锦程.三维激光扫描技术在滑坡监测中的应用研究[D].长安大学，2012.

[5] 杨蔚青，李永强，王阁，等.三维激光扫描技术在土遗址保护中的应用——以隋唐洛阳城定鼎门遗址唐代道路遗址保护为例[J].中原文物，2012，(4)：98-101.

[6] 孙瑜，严明，覃秀玲.HDS4500三维激光扫描仪的地质工程应用[J]河北工程大学学报（自然科学版），2008，25（4）：86-88.

Terrestrial 3D Laser Scanning Technology and Its Application in Hydraulic

Engineering
XU Yun-qian1,2, YUAN Ming-dao1,2, LIU Jian-wen1,2, YANG Wen-bin1,2(1 Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510635, China; 2 Emergency Technology Research Center of Guangdong Mountain Torrents Disaster Emergencies, Guangzhou 510635, China)

3D laser scanning technology is a new measurement technique of non-contact laser scanning, which can obtain the real 3D coordinates of the measured object's space efficiently and with high density, and thereafter use post processing software to conduct the measurement, analysis, modeling and simulation of real 3D coordinate of real 3D coordinate of the point cloud. This paper introduces the principle and characteristics of 3D laser scanning technology,compares it with traditional measurement techniques, and discusses the application of 3D laser scanning technology in water conservancy project with 3 examples, including the reservoir capacity measurement, burst size measurement and hydraulic structures section measurement.

3D laser scanning; 3D measurement; water conservancy project

P234.4/TV52

B

1672-2841（2016）01-0013-04

2016-02-25

徐云乾，男，工程师，硕士，研究方向为水工结构。