三维激光扫描技术在水电站三维建模中的应用

孙监湖 张文韬 李志刚

（三峡水力发电厂）

0 引言

水电站是重要的能源供给设施，对于保障国家能源安全和经济发展具有重要意义。随着水电站的建设与发展，对于水电站的三维建模需求也越来越迫切。然而，传统的建模方法受限于时间、成本和精度等方面的限制，无法满足水电站建模的需求。因此，本文选取三维激光扫描技术作为研究对象，探讨其在水电站三维建模中的应用［1］。

对三维激光扫描技术进行了深入的研究和分析。通过对激光扫描原理、设备特点以及数据处理方法的介绍，为后续的应用实践奠定了基础。通过实地勘测了一个实际的水电站工程，并采用三维激光扫描技术获取了大量的点云数据。在此基础上，通过数据处理和建模软件，对点云数据进行了处理和分析，并实现了水电站的三维建模。综上所述，利用三维激光扫描技术对水电站进行了三维建模，实现了可视化和可视化分析等应用。通过对技术原理和应用前景的分析，为水电站建模提供了一种新的解决方案，具有重要的理论和实际意义［2］。

1 三维激光扫描技术的研究与分析

1.1 激光扫描技术原理

如图1为三维激光扫描仪，其工作原理是通过发射激光束，利用其与目标物表面的反射光来获取目标物的三维几何信息，并计算出目标物表面的纹理信息，从而实现对目标物的全方位扫描和测量。在高磁场环境中，传统的光学测量设备由于磁场的干扰往往无法正常工作，而三维激光扫描仪通过非接触式测量原理可以实现目标物的高精度测量。在高电压环境下，由于电场的存在导致目标物表面电离产生放电现象，对测量设备的稳定性提出了挑战。然而，三维激光扫描仪通过其高灵敏度的接收器和精确的光源控制，可以有效地抑制放电现象的干扰，实现对目标物的可靠测量［3］。

图1 三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描技术作为一种新型数据获取技术，能够快速获取大面积、高精度的点云数据，与传统测量方式相比，三维激光扫描技术克服了单点测量数据量少的局限性，可以更详尽的描述复杂区域的细节特征。目前，三维激光扫描技术已被应用于多种领域，包括地形测量、建筑测量、古建筑保护、变形监测、土木工程以及城市建模等方面。同时三维激光扫描技术也存在着一些缺陷，受待测区域的地形起伏影响较大，例如测站选择、视角限制、其他物体对目标物的遮挡都会导致采集数据不完整，这会导致重建模型出现拉花、变形或空洞现象，这是三维激光扫描领域亟待解决的难题［4］。

1.2 三维激光扫描系统分类

随着软硬件技术的发展，出现了各种不同类型的三维激扫描系统并应用于不同的领域及场景。根据承载平台的不同主要分为以下几类：

1）机载激光扫描系统。机载激光扫描系统是承载平台为飞机或无人机的三维激光扫描系统，该系统主要由激光测距系统、定位系统、惯导系统及相机等组成。这种方式可以在短时间内获取海量的点云数据及影像信息，并凭借激光可以穿透茂密的树林而广泛应用于获取森林区域的数字高程模型。同时也有发射蓝绿激光的机载扫描系统被应用于水下地形测量［5］。

2）车载激光扫描系统。车载激光扫描系统是以车辆为搭载平台的激光扫描系统，车辆在行驶过程中，同步进行对周围区域的扫描测量工作，从而得到点云数据及高分辨率影像。车载移动激光扫描技术以其高效、移动扫描测量及载体特殊性的特点主要用于在道路上测量，例如该系统在交通路网的更新方面得到广泛应用［6］。

3）地面激光扫描系统。地面三维激光扫描系统主要由激光测距系统、测角系统、CCD相机、控制系统、电源系统组成。这种扫描系统一般搭载在三脚架上，相比机载、车载激光扫描系统移动能力较差、视角有限，因此不适合大范围区域的扫描测量。目前主要应用于古建筑保护、变形监测、建筑物三维重现等领域［7］。

2 光点云数据的配准

多测站点云数据的配准是将在不同测站测量的点云数据统一至相同坐标系的过程。通常情况下，受限于三维激光扫描仪的视角、测量距离有限且待测区域范围较大等情况，一个测站不可能获取整个待测区域内的全部信息，需要设置多个测站从不同角度、位置对待测区域进行扫描，不同测站测得的点云数据在不同的坐标系下，需要经过处理将多测站的点云数据统一为一个整体［8］。

多测站点云配准的方法依据配准基元的不同分为两类。第一类是基于地面的配准，它是以所有测站中的某一测站作为基准，通过设置阈值连续迭代搜索周围测站内的同名点对，以这些同名点对建立对应关系解算出转换参数完成多测站点云数据配准。这种方法需要测站间有足够的重叠，才能得到较好的配准效果。第二类是基于标靶的配准，基本原理是通过在待测区域内放置多个球形标靶或平面标靶作为配准的控制点，随即可利用标靶的空间坐标解算出转换参数，完成多测站点云数据配准。

2.1 基于平面的配准

基于平面的配准是指以某一站点云数据中的一点作为基准，通过寻找相邻测站中与之对应的点，并建立对应关系解算转换参数，从而经过迭代计算使得两测站点云数据的坐标系趋于同一坐标系，是被业界认可的方法，学者们也经过不断研究发现其中的不足并对其加以改进。此方法不适合用于高差较大、遮挡较严重的区域，在外业工作时合理选择测站位置，因为第一个测站是基准站，进行扫描工作时第一个测站必须严格整平，为后续的点云配准提供精确的位置。

2.2 基于目标的配准

一般将基于目标的配准根据选取目标的不同分为两种：一种是基于标靶的配准，基于标靶的配准一般需要在待测区域布设三个或三个以上的人工标靶，同时确保人工标靶位于两个相邻测站点云数据的重叠区域，并以人工标靶作为同名点对，进而建立对应关系求解转换参数，完成多测站点云数据配准。另一种式基于点云本身特征的配准，其基本原理与基于目标的配准一样，但是不需要布设标靶，而是需要相邻测站的重叠区域有明显的特征点。配准的大致过程如下：

在软件中有基于目标的配准程序，可以全自动配准也可以半自动配准，一般使用半自动配准为宜，因为点云数据通常数据量较大，利用全自动配准容易导致同名点识别错误，造成不必要的时间浪费。大致步骤为：首先拟合出每个在不同测站下的三维坐标，并对其编号，编号规则为同一个标靶在不同测站的编号相同，最后建立对应关系解算转换参数。

3 水电站三维建模的应用

3.1 三维激光扫描数据获取与处理

本次研究以水电站大坝为研究区域，选用三维激光扫描仪进行测量，通过设置多个测站采集区域及周围建筑的扫描数据，再经过数据处理后，得到研究区域内完整的三维激光点云数据，然后在专业的三维建模软件中实现实景三维模型的构建，三维激光点云数据经过滤波处理后得到地面点云数据，从而可以构建研究区域内的地形模型，技术流程如图2所示。

图2 基于三维激光扫描的模型重建技术

3.2 点云数据处理

采集得到的扫描数据、影像数据并不能直接使用，需经过专业的点云数据处理软件处理后才能转换为常用的数据格式，最终得到具有完整信息的成果点云。

（1）数据预处理。点云预处理是点云数据处理的第一步，也是至关重要的一步，关系到后续点云成果及利用点云数据构建的模型的精度、质量问题。点云数据预处理主要是进行点云去噪和着色。

（2）点云拼接。三维激光扫描仪在采集研究区域内的数据时，受测区范围大小、地形起伏及仪器本身视角的限制，通常需要多个测站才能覆盖整个区域。每个测站所测得的点云数据都是独立的坐标系，需要将所有测站的点云数据转换到同一个坐标系下。

（3）坐标转换。所有测站的点云数据经过点云拼接操作后并没有转换至目标坐标系，需要以外业实测的棋盘纸作为控制点坐标，建立控制点与点云数据间的对应关系，将点云数据转换至目标坐标系下。

3.3 结果与分析

完成基于三维激光扫描的地形模型构建和三维模型重建，质量评价不仅要包括传统的精度评价，还要包括模型的结构和纹理精度评价。以检查点的实际测量坐标与模型上的量测坐标的差值来评定位置精度，其中包括平面精度和高程精度。采用目视判别法来评价模型的结构和纹理精度。

（1）位置精度评价。位置精度评价主要是对比实测坐标与模型上对应点的量测坐标，计算二者坐标的差值，并利用如下误差计算公式计算出X、Y方向上的中误差以及平面中误差、高程中误差。

（2）结构和纹理精度评价。通过目视判别评价模型的结构和纹理质量，主要从模型完整性、细节特征两方面展开。如图3所示，三维激光点云在距离测站较远的区域点云比较稀疏，扫描过程中的遮挡部分还会出现点云空洞，这也导致利用三维激光点云构建的地形模型精细度不均匀，距离测站中心较近的区域精细度高，而距离测站中心较远的区域精细度较低，在点云空洞区域甚至会出现模型重建错误。

图3 三维激光扫描技术在水电站三维建模

综上所述，利用三维激光点云的模型重建方法位置精度高。但是点云数据密度不均匀，导致构建的地形模型精细度差异较大，且易受待测区域内的地物遮挡，导致点云空洞。实景三维模型的中下部信息表达得较好，基本可以还原出真实的场景；但受限于三维激光扫描仪的视角有限，无法获取到建筑物的全部数据，导致利用三维激光点云重建的三维模型不完整，存在大面积空洞。

4 结束语

本文通过研究三维激光扫描技术在水电站三维建模中的应用，阐述了该技术在水电站工程建设和管理中的重要性和优势。通过应用这一技术，能够准确地获取水电站的三维形状和结构信息，为水电站的设计、维护和管理提供了有力支持。未来的研究还可以进一步探讨基于激光数据的水电站三维建模方法的优化和改进，以适应更加复杂和多变的水电站工程需求。