三维激光扫描技术在溧阳抽水蓄能电站变形监测中的应用

周 振

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334)

0 引 言

三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一项测绘技术，该技术通过高速激光扫描能够高精度、大面积的获取扫描物的三维坐标数据，即点云数据，还可以通过内置相机直接获得目标物的影像。相比于传统测量技术，三维激光扫描是由单点测量到面测量的突破，具有采集数据精度高、数据更全面、速度更快的特点。目前该技术被广泛应用于文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、数字城市、军事分析等领域。

传统的变形监测主要有近景摄影测量或者“GPS+全站仪”两种方法。这两种方法都需要在建筑物上设置监测点，数量有限，因此得到的信息也有限，不足以完全体现整个变形体的实际情况。而采用激光扫描技术可以方便地获取高密度高精度的观测数据，且这些观测数据可以完整地覆盖整个被监测对象。

本次溧阳抽水蓄能电站利用一次上库放空检查的机会，首次使用了三维激光扫描技术对上库部分区域进行扫描测量，并建立了上库的三维数据模型。

1 三维激光扫描仪器简介

三维激光扫描仪器的原理是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。

按照测距原理，三维激光扫描仪器可分为相位式和脉冲式两种类型。相位式测距原理是根据激光发射到接收间隔内相位的变化来计算所测距离；脉冲式测距原理是通过激光从发射到接收之间的脉冲个数计算距离。相位式仪器扫描速度快、高点云密度、高精度、扫描距离短；脉冲式仪器扫描距离远、应用范围广。

本次溧阳抽水蓄能电站使用的是美国法如S350相位式三维扫描仪，测距精度可达1 mm；测距半径350 m，10 m处最高点密度可达1.5 mm，测量速度为97万点/s；主机内置有高清HDR彩色相机，像素高达1.65亿；主机同时还内置了GPS、测高仪、指南针等传感器。为配合扫描仪采集特征点坐标，测量标靶球的真实坐标，本次观测还使用了索佳NET1AX全站仪，为整个观测精度提供保障。

2 实施方案

2.1 现场查勘

由于待测量的场地很大，测量精度要求较高，现场扫描时需要通过多个位置进行扫描，所以现场合理布置架站位置极为重要。在进行扫描作业前对施工现场进行勘察，准确设定扫描仪的架设位置、测量用标靶球、测量标志的布设等，确保快速、完整的扫描到所需数据。

2.2 扫描作业

以上水库原施工控制网TN03、TN04两个控制点作为初始基础数据，平面坐标采用电站独立坐标系(近似1954年北京坐标系)，投影面高程180 ，高程采用1956年黄海高程系。扫描过程中全站仪配合三维激光扫描仪共同作业，整个区域扫描站点共155个，扫描组1人负责每站扫描仪的数据采集，1人负责摆放定位拼接的标靶球，全站仪组则负责测量标靶球的真实坐标。当天扫描结束后，需将设备内数据拷贝到电脑中并检查数据的完整性，确保采集数据的质量。

2.2.1 点云数据处理

外业数据采集完成后，将数据导入FARO三维激光扫描仪专用的后处理软件Scene中，在软件中进行去噪、过滤、拼接、坐标转换等工作。具体为:

(1)噪声去除。指除去点云数据中扫描对象之外的数据。在扫描过程中，由于某些环境因素的影响，比如移动的行人也会被扫描仪采集，这些数据就需要删除。

(2)点云过滤。由于原始点云比较散乱，建模之前要对点云进行平滑，另外对于建模对象来说，原始点云数据密度过大，增加了很大的数据量，数据的简化也是必要的。

(3)点云拼接。该技术是点云数据处理的关键技术，由于每个扫描位置都有自己的局部坐标系，点云的拼接就是把各个局部坐标系通过坐标变换统一到一个坐标系中，从而把多个角度的扫描数据合成完整的物体。

(4)坐标转化。将点云数据坐标转化到全站仪所测的全局坐标系中，即电站所采用的独立坐标系。

2.2.2 全景数据输出及剖面成果生成

点云数据处理完后可以输出全角度的全景影像数据，全景数据含有坐标及尺寸信息，同时也可以根据需要生成剖面图以及提取需要位置的点位信息。

2.2.3 三维建模

将整体点云数据导入专业建模软件中，建成上水库的三维模型，模型可以用于展示、尺寸量取，也可以用于作为后期变形监测的基准参考。

3 数据成果

通过本次测量，可以取得如下的数据成果。

(1)上水库整体全景图及上水库整体点云数据，如图1、2所示。在全景图中可以量取面积及长度数据，经验证，上库现场量取的某段距离与全景图中量取的数据基本一致，但需要注意的是全景图平面上的面积距离可直接量取，但在斜面上的面积距离需要点进单站后在斜面上量取。

图1 全景图示意

图2 点云数据

(2)单站彩色点云。任意单站点进去可以查看任意点的三维坐标数据，如图3所示。

图3 单站彩色点云示意

(3)上水库整体三维模型，如图4所示。该模型可作为上库变形监测分析的基础数据。

4 结 语

本次测量利用全站仪对溧阳抽水蓄能电站的上库部分点进行测量记录，利用这些数据对点云进行精度验证，得出结论点云数据真实有效、精度可靠，数据可作为日后上库变形监测分析的基础数据。

图4 三维模型示意

随着三维激光扫描技术不断发展，模型后期处理软件的升级完善以及国家对三维激光扫描技术相关规范的制定和完善，相信三维激光扫描技术将在各个领域越来越普及，为广大测量人员提供更方便快捷的测绘方法，同时大大提高测绘成果的质量。