三维激光扫描技术在水利工程安全鉴定中的应用

王灵锋，祁敏敏，许烨璋，段文义

(浙江省河海测绘院，浙江 杭州 310008)

近年来，随着我国各类水利工程建设的相继建成和投入运行，大量水工建筑物都进入运营维护阶段，部分水工建筑物建设完成时间久远，建造工艺及质量良莠不齐，且这些水利设施由于老化和年久失修等原因，不仅造成了使用功能的下降，还带来了诸多的安全隐患。因此，相关的安全鉴定工作势在必行。浙江省水利部门于2017年率先开展了针对架空引水渡槽的安全鉴定工作，开展这项工作首先需要了解其外部几何形态，关注这些渡槽柱体的垂直度及上部槽身相对于支撑柱体的水平相对位移情况，获取相关数据。

三维激光扫描技术能够快速获取被测物体表面大量的、连续的、密集的点云数据，能够全面地反映被测物体的几何外形信息，有效地克服了传统单点反映信息不全面的局限性[1-4]。本文采用天宝TX8三维激光扫描仪采集渡槽表面的点云数据，利用配套的RealWorks点云处理软件计算各项参数[5-9]。

1 三维激光扫描原理

从单个空间三维点P(X,Y,Z)的采集过程来看，其测量原理为：首先通过激光测距系统测得扫描仪器中心到被测物体表面的距离S，同时与之对应的横向扫描的水平角度值α和竖直方向的角度值θ也被记录下来，由这3个基本数据可以计算出P点的三维坐标，另外测点的反射强度I也被获得，一般根据它的大小赋予点云灰度值[10-11]。数据的坐标系为仪器内部轴系定义的独立坐标系，图1为坐标扫描原理示意图。

图1 扫描点三维坐标计算

坐标计算公式为

(1)

2 渡槽检测流程

在进行针对渡槽的三维激光扫描及内业分析前首先制定了详细的技术方案，图2为本案例的技术流程。

图2 技术流程

2.1 柱体倾斜度分析

在配准好的渡槽点云数据基础上，利用天宝TX8配套的Realworks点云处理软件对柱体部分点云创建一条连接柱体上下中点的线段，上下柱体中心点的求取采用最小二乘原理，分段拟合出柱体上下两端的几何中心。以柱体底部中心点为起点绘制一条竖直向上的直线，利用几何体修改功能，使其垂直于水平面，再利用水平测量功能测量柱体上端中点到垂线段的距离，偏差距离即可反映出柱体的倾斜程度，并且将偏差距离分解到X、Y轴上显示，便于进一步分析倾斜与水流的相互关系。排架柱倾斜值量取如图3所示。

图3 排架柱倾斜值量取

由图3可知渡槽排架柱上部中心相对于下部中心的偏差为6.8 cm，X轴方向即水流方向倾斜4.8 cm，Y轴方向即垂直水流方向倾斜4.7 cm。利用几何量测功能进一步量测出柱体上下端点的空间距离如图4所示。

图4 渡槽排架柱上下两个中心点距离量取

由此可计算出排架柱整体倾斜度：0.068/14.00=0.004 8(4.8‰)。

2.2 槽身相对柱体位移分析

2.2.1 渡槽中心线提取

通过分割渡槽点云数据，并利用点云建模工具进行三维体的拟合，进而生成拟合三维模型体。

将拟合后的柱体两个端点坐标信息单独提取出来，利用Realworks自由建模工具，分别新建成点，再建立连接两点的直线，形成渡槽中心线。采用相同的办法建立柱体顶部的中心线。如图5、图6所示。

图5 渡槽点云提取

图6 渡槽点云拟合

2.2.2 相对位移量取

通过量算渡槽槽身中心线和排架柱中心线两端的距离求得渡槽偏移程度，渡槽位移情况如图7所示。

图7 渡槽槽身整体偏移程度示意图

对提取的渡槽中心线与排架柱上部中心线量测后得，该渡槽在146号排架柱处，水流方向上往右偏移0.2 cm，在147号排架处，水流方向上往右偏移6.2 cm，即渡槽整体相对于下部支柱体，在水流方向上平均向右侧偏移3.2 cm。

3 结 语

三维激光扫描技术以其数据量大而密集的显著优势结合功能强大的内业处理软件，可以解决传统单点测量技术无法解决的问题， 为水利工程安全鉴定工作的顺利开展带来了极大便利。本文初步介绍了三维激光扫描技术在渡槽倾斜和位移检测方面的作用，其在水利工程领域更多、更深的作用仍需进一步挖掘和拓展，随着三维大数据测量时代的到来，其作用和影响会越来越大。