地面三维激光扫描技术在宽浅河道整治工程测量中的应用
时间：2023-03-23 16:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
曾 涛
（惠州水务集团东江工程检测有限公司，广东 惠州 516000）
测量河道是整治河流开发、河道水文数值模拟的基础，对以往的河道进行测量时，工作效率低、工作量大，且采样密度有限，对于河流信息的获取来说，搜集数据信息的途径、信息处理方法还有很多不足之处[1]。获取河道的准确数据信息是河道的建设与治理的关键，在水资源利用、开发河流时起到关键的作用，能够将很多准确有用的数据信息传送给设计部门和工程部。测量河道的工作有勘察沿河岸重要地物、测量并绘制河道的中线纵断面与横断面、测量并绘制河道区域内的地形图等内容。随着三维激光扫描技术发展越来越快，收集数据信息的方法已逐渐使用高科技手段，使空间的数据信息通过高科技来捕捉，本文以某河道为研究对象，采用地面三维激光扫描技术获取河道信息数据，对其在宽浅河道整治工程测量中的应用进行了研究。
2.1 外业点云数据采集
云数据的外业采集主要工作有测量标靶、数据扫描以及对控制点[3]。在测程上，地面三维激光扫描技术具有一定局限性，在采集外业点云数据中，夹角不同时，扫描机器和扫描对象的空间分辨率具有差异性，扫描时的分辨率随着夹角的变化而改变，夹角越小则分辨率越低。扫描距离不同对其所测数据精准度存在影响。一般而言，工程测绘需对不同测站测量数据进行采集，使用标靶整合，并将外业点云数据拼接制成三维空间结构模型。在对数据扫描前，需进行采样间隔的设置，并确保间距合理性。若间隔较大，会对数据精确度造成影响；
间距较小，则会影响数据传输、保存及后期处理工作。通常来说，若工程现场具有较好的通视条件，则每个测站扫描40 m 左右距离，确定各测站间的重叠区域；
通视条件较差时，需选择扫描测站进行，直至所有测量目标扫描完成。
2.2 内业点云数据的处理
使用三维激光扫描技术按照1∶2 000 的地图搜索工程项目的数据信息，内部管理编制三维空间的点云数据，根据获取的信息及时更正底图数据，内部组织通过点云数据中的三维系统点云单元来获取垂直于河道中心的横断面和纵断面的数据。与此同时对现有河道进行勘察，了解道路桥梁、涵洞、扬水站、阀门等具体参数，使用AutoCAD 系统制作出河道的横断面和纵断面的底图，根据断面图的信息来决定施工方案。图1 是技术路线图。参照1∶2 000的数据图，使用三维激光扫描技术来勘察河道，根据点云数据获取的信息随时更新基础底图。点云数据中的内业通过三维系统的点云环节，获取河道中心断面的高程。
图1 技术路线
4.1 项目概况
测量某河道的目的是做好河道排污口的修缮与污水的合理排放，达到高效治理河流、横纵断面符合标准的效果。此施工项目的量尺比例是1∶2 000，测量范围包括河道两侧外围51.5 m 的平面位置以及断面之间101 m 的距离。
河道断面数为432 个，长为24.38 km。
4.2 三维激光扫描外业步骤
按照被测试河道的实际情况，在其周围放置6个激光扫描仪，就可以扫描范围内的所有点，见图2，可进行架设测量、坐标转换基站。在扫描进行时可在信号强度高、周边无障碍物且与河道距离短的A1 点架设基站。
图2 控制点分布图
4.2.1 设备初始化
设备打开后，将其放置在平稳位置，移动背包启动初始化3 min 左右，随后将相机分辨率、图片效果设定好，沿直线快速行走，行走31 m 后，快速走方形边长约11 m，2.5 min 后停止，不断改变工作方向，如此持续2.5 min，激活惯导系统。
4.2.2 数据采集
又如学习二年级课文《邓小平爷爷植树》。研读第二、三自然段之后，我让学生画出描写邓爷爷植树的句子，并说说读懂了什么？这一问题引出了智慧之花的绽放。
外部施工的数据信息由平板来设定，各种参数设置好之后可随时观察背包内的每一坐标点，共需4 人完成此工作，其中1 人带着扫描机器变换位置，另外3 人一起进行扫描，采集数据，根据规划的路线，选择GNSS 信号好的区域行走，避免数据缺失，在GNSS 信号较差时，定位定向使用SLAM 算法完成。2 人分别负责在基准站周围巡视以及打扫扫描区域的杂物。
4.2.3 数据拼接及数据过滤
拼接各站扫描数据，确保测绘成果一致性。本研究采用迭代最近点算法，该算法使用点集对点集，可将相匹配起伏曲面拟合出来。RISCAN PRO软件对其进行补充，原有数据差值越小时，则会有较好的拼接效果。根据测区实际，以相邻两测站间6 对以上同名点关联拼接点云数据，结合补充测量特征数据，分区域拼接完成测区数据。三维激光扫描仪获取点云比较密集，有大量冗余存在，可将多余点云消除，避免其影响计算结果，在整个数据编辑中数据过滤是重要环节。采用曲率采样的方法过滤点云数据，在曲率大的区域保留足够多点，精确表示曲面特征，在平缓区域保留较少点，经数据过滤后保存77 915 个点。
将搜集的信息组合在一起，保证绘制与测试结果相符。本次调查使用的计算方法是点集对点集的迭代最近点算法，这种计算方法的优势是能够把适合的起伏曲面的总数模拟出来，再由RISCAN PRO系统完善其中的空缺。原始的数据误差越小，则拼接出来的数据越准确。按照被检测区域的真实情况，距离最近的两个站点超过6 组同名点与拼接点云数据相关联，结合补充测量特征数据，每组负责1 个区域的数据测试。三维激光扫描机器测试点云数据的能力较强，可以清除其中多余的点云数据，以保证结果的准确性，数据的筛查是所有数据绘制过程中最重要的步骤，准确地显示出曲面的特点，筛查留下77 915 个点云数据，其余的全部废弃。
4.2.4 生成地形图
RISCAN PRO 系统把分析好的信息以DXF 的形式输出，CASS 系统可打开此文件，并输入有特点的坐标点，补充数据以及线文件，建立三角格网，绘制高程形成河道地形基础图。
4.3 河道断面信息提取
在本次的研究中，AutoCAD 软件通过扫描的信息自动绘制出河道的断面，利用1∶2 000 的地形图在河道主流线的上游开始的地方获取点云数据，要确保在河中心提取特征点，在中线画完后，通过计算机辅助设计生成中线桩号、点坐标。在中心线上进行特征点的添加，并添加桩号。以河流中心为准，在测试区域最初的地点，每102 m 生成一个断面与河道主流呈垂直状。把河道中心的线面与点云数据依次组合在一起，从而选取河道的纵断面，横断面由与河道中心垂直的断面中选取。点云数据的密度受选取断面的准确性的影响，点云密度越密集，获取的特征点的准确性就越高且数量多。内业处理结合地形图数据、点云数据，当地形图中地物、中心线与横纵断面相交等位置要扫描出点云高程数据，获取数量越多，提供数据越可靠[6]。图3 为1∶2 000 成果图。
图3 1∶2 000 成果图
5.1 DEM 插值分析
利用地形空间三维的异质性和相关的性质是DEM 插值理论的依据。地理学为这种算法提供了基础条件，能够及时调整影响插值点与已有采样点的权重，它可以反映出距离最近两个空间之间的关系，实验数据是通过RBF、SPD、KRIGING、TIN 和IDW 这五个插值计算方式来分析，把DEM 格网设为0.15 m。目前我们肉眼所见，SPD 的插值效果最弱，SPD 插值依旧有空洞，与河道的真实地形存在明显误差；
RBF 的缺点是格网不够凹凸不平；
由于TIN插值呈三角形，所以形成的格网也不够平滑；
河道地形与另外两个插值形成的格网比较匹配，KRIGING形成的格网比较平滑，IDW 与河道实际地形更相似。不同的插值法的误差我们可以通过表1 来了解。
表1 不同内插算法的误差
表1 显示，不同插值方法的DEM 误差均较小，差异不明显，误差值接近。就计算效率而言，TIN 插值方法速度最快，其次依次为SPD、IDW、RBF 算法。本文选取生成DEM 格网效果较优、误差小、计算效率较高的IDW 算法。
5.2 河道断面信息及高程值的变化
本研究采用基于DEM 生成河道断面，可快速解决传统河床断面测量效率低的问题。根据河道主流线，从上游起始点开始，每隔一定距离生成等距离河道断面。根据河流中心线，从起始点位置每隔2.5 m距离生成等距离与河道主流线垂直的断面。在断面生成中，可编辑、修改断面线。图4 为断面线上的特征点，由图4 知，每条断面线均由特征点构成，且特征点都较密集。本文通过DEM 生成河道断面，在很大程度上改善了以往测量河床的困难之处。河道断面是在河道主流上游的起点每隔一段相同距离而形成的。在河流中的起点位置开始，生成一个垂直于河道主流线的断面。在形成断面的过程中，可对其进行改善或补充。在图4 中我们可以看出一些特征点，从中可以发现有很多个特征点，它们组成一个断面线，这说明断面具有较好的提取效果。
图4 断面线上的特征点
分析断面内的数据信息，获得断面获取的结果。将里面的数据全部导出包括中心线信息、断面线的特征点的位置。选择1 个带有特征点的断面线开始研究。图5 是水平方向上升状态时高程值的改变，通过这个图我们可以看出高程值随着水平方向变化而改变，且河道地表的特点也可以在图中反映出来。
图5 水平方向上的高程值的变化
5.3 精度分析
本文选择的实测点区域之间的高低落差大，相互重合，与地图上名字相同的站点进行对比，从而直观将扫描数据生成地形图成果精度反映出来，表2为实测点和地形图上的同名点比较。
表2 实测点和地形图上的同名点比较
根据有关精度测试绘制的结果、检验合格的标准得到如下计算公式：
在这个公式里，n是检测的点数，Δ 是坐标差，M是误差。通过扫描获取的信息能够知道地形图地物点与河道实际的位置存在1.316 m 的误差，高程标记的高程位置存在最大的误差为0.67 m，高程标记的位置存在0.207 m 的误差。地物点平面存在的最大误差不超过0.67 m，扫描精度符合检验标准。
本文以某河道为研究对象，采用地面三维激光扫描技术获取河道信息数据，对其在宽浅河道整治工程测量中的应用进行了研究，得出以下结论：
（1）断面提取的精度影响同一三维空间内点云数据的数量，点云密度越高获取越多的特征点，而且准确度越高。
（2）地形图地物点与河道实际的位置存在1.316 m 的误差，高程标记的位置存在0.207 m 的误差，地物点平面位置存在的误差最大不超过0.67 m，高程标记的高程位置存在最大的误差为0.67 m，测试精度符合标准要求。
（3）通过三维激光扫描技术在最短的时间内获得河道高密度点云数据，可以减少施工过程中人力及财力的投入，提高了工作的效率。随着社会发展，今后三维激光扫描的使用范围会越来越广，地面三维激光扫描技术使用于多个领域，获得人们的信任与推广。
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