淺談三維激光掃描技術在水利工程中的應用研究論文
三維激光掃描技術是近年來發(fā)展起來的一門新技術，其被譽為“繼GPS技術以來測繪領域的又一次技術革命”。它通過高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標。該技術作為獲取空間數(shù)據的有效手段，可以快速、精確、大量地采集空間點位信息，已在眾多領域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前在水利工程建設的斜坡穩(wěn)定性研究、高陡邊坡地質調查、水利樞紐的地形地貌的三維數(shù)據采集，輸水、送電線路的選擇，以及CAD設計與動畫制作、虛擬現(xiàn)實技術的逆向建模、交通、醫(yī)療、古建筑修復和保護工程等方面的眾多領域得到了廣泛的應用。
一、工程簡介
上�？睖y設計研究院有限公司承擔的甬新閘泵站工程是寧波市城市重要防洪項目。甬新河與甬江交匯處現(xiàn)建有甬新閘，甬新閘泵站布置于甬新河與甬江交匯處，現(xiàn)甬新閘的西側。甬新閘總凈寬35米，共分7孔，單孔凈寬5米，而甬新河承擔著江東區(qū)部分澇水外排甬江的重要任務，是江東區(qū)主要的排澇工程。甬新閘泵站的建設對提升寧波中心城區(qū)的排澇能力具有十分重要的意義，甬新閘泵站工程主要任務是防洪、排澇。規(guī)劃建設排澇流量120立方米/秒，其中應急工程設計流量60立方米/秒。工程設計擋潮防洪標準為100年一遇。
二、數(shù)據獲取與數(shù)據處理
三維激光掃描技術在寧波甬新閘泵站工程中的整個工作流程可分為以下步驟：控制測量，外業(yè)數(shù)據采集，點云拼接和坐標轉換，點云的后期處理，點云的實際應用。
1.控制測量
三維激光掃描儀采集到的數(shù)據是獨立坐標系下的數(shù)據，為了得到甬新閘泵站工程所用坐標系下的數(shù)據，需要控制點信息。根據現(xiàn)場的施工條件，每次從測量控制網引出3個以上的點作為三維激光掃描的控制點。
2.數(shù)據采集
根據現(xiàn)場實際情況，在合適的位置設站，并設置好標靶，對需要掃描的內容進行詳盡地掃描，為了保證點云數(shù)據的順利拼接，相連站間需要掃描3個以上的特征點。在數(shù)據采集過程中，測站和標靶設置的合適與否，將直接影響到掃描的效率和精度。
3.點云拼接和坐標轉換
由于每站掃描的數(shù)據都是以掃描儀位置為參考點的獨立坐標系，各站的點云數(shù)據沒有聯(lián)系，因此需要對點云數(shù)據進行拼接處理，拼接是在隨機軟件中通過公共特征點自動進行的。要得到項目坐標系下的點云數(shù)據，就需要進行坐標轉換。其方法就是利用掃描的控制點坐標，將整個點云轉換成需要的坐標系統(tǒng)，坐標轉換的誤差與控制點誤差、點云拼接誤差等有關。
4.點云的后期處理
由于現(xiàn)場的施工環(huán)境較為復雜，點云經過拼接與坐標轉換后，還不能夠直接進行應用，需要對點云數(shù)據進行后期處理，其工作主要就是對點云進行去噪處理與著色處理。施工現(xiàn)場掃描到的腳手架、機械設備等與掃描無關的信息，在處理過程中應盡量刪除，以保證點云干凈。著色處理就是對點云賦予合適的顏色，讓點云模型更加美觀。如果采集數(shù)據的時候進行了全景掃描，則可讀取真實的RGB值賦給點云，這樣點云所展現(xiàn)的顏色就是真實的顏色。如果沒有進行全景掃描，則需要通過后處理軟件給點云賦予自定義顏色。
5.點云的實際應用
根據施工進度情況，在特定的工況節(jié)點上，對現(xiàn)場進行了若干次掃描，將掃描的點云數(shù)據主要應用于土方工程量計算、混凝土工程量計算、沉降監(jiān)測以及與BIM模型對比四個方面。
三、土方工程量計算
水利工程設計中涉及大量開挖工程量計算問題，傳統(tǒng)的做法是在二維方式下進行的，其計算結果往往與實際相差較大，對整個工程的概預算、施工進度安排以及土石方填挖平衡設計都會產生較大的影響，已不能適應現(xiàn)代工程建設的要求。而采用三維方式進行計算，則能夠克服上述不足。
我們對原始地面及開挖后的地形進行了三維激光掃描，并得到了較為干凈的點云數(shù)據，通過Bentley 軟件建立了數(shù)字地面模型。較高密度的點云數(shù)據，對建立高精度的DTM提供了保證，但DTM中就會存在大量的數(shù)據冗余，從而對計算機資源提出了較高的要求，在現(xiàn)有軟硬件環(huán)境下很難滿足實時的瀏覽編輯以及計算。由于土方工程量計算的精度要求相對較低，故對點云數(shù)據進行了抽稀處理，大大簡化了數(shù)據量，最終建立了DTM模型。
利用建立的DTM模型，計算了圖1中兩個基坑的工程量，并與施工單位所報的實際工程量(同段時間內)進行了對比.
計算的工程量與施工單位所報的實際工程量接近。由于計算所采用的邊界條件與施工單位的會有所不同，因此會導致結果有誤差。對于此工程而言，這種誤差能夠滿足要求。
四、混凝土工程量計算
根據項目現(xiàn)場管理的需求，需要知道某些工況上混凝土的澆筑量。根據三維激光掃描的結果，將點云模型參考到BIM模型中，對BIM模型進行切割處理，然后計算出混凝土的工程量.
從BIM模型中可以方便地地計算出任何范圍內混凝土的澆筑量，但是現(xiàn)場施工的混凝土澆筑到了哪個范圍，這個可以用點云數(shù)據來確定。如果沒有BIM模型，則需要采用點云數(shù)據來建立三維模型，再來計算混凝土工程量。本文是在已有BIM模型的基礎上，配合點云數(shù)據計算混凝土工程量。
五、沉降監(jiān)測
在整個泵站的建設過程中，周圍地面往往會有不同程度的下沉，因此需要進行實時的沉降觀測。本項目布設了若干沉降監(jiān)測點，采用常規(guī)的水準測量每天進行了沉降觀測，為了研究三維激光掃描儀在沉降監(jiān)測中的應用，本文采用三維激光掃描儀對基坑邊上拉森鋼板上的三個沉降點進行了掃描，并與這三個點的實時水準監(jiān)測成果進行了對比。
三維激光掃描成果與水準測量成果反映的沉降趨勢是一致的，但二者之間存在一定的誤差，這是由于兩種測量方式在實施過程中，均存在著誤差。
通過此項目的實施我們發(fā)現(xiàn)，三維激光掃描的精度能夠滿足水利工程施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測的要求，但是效率并不一定比傳統(tǒng)的水準測量高。兩種沉降監(jiān)測的測量方式各有優(yōu)缺點，具體哪種效率高，取決于現(xiàn)場的條件。
六、點云與BIM模型對比
流道是本工程中結構較為復雜的部分，采用三維激光掃描儀對整個流道層進行了掃描，并將掃描成果與BIM模型進行了對比，本文選取了出水口部分.為了更清楚地反映點云的掃描精度問題，進行了剖面分析，切取了四條橫剖面.
從上述4條中可以發(fā)現(xiàn)，點云模型與BIM模型比較吻合，但是某些局部偏差稍微偏大。這是因為在現(xiàn)場掃描時，流道層里的掃描環(huán)境較差，同時底部有水，因此底部的數(shù)據也是不準確的。從整體看，掃描效果是較好的，能夠滿足對比的要求。通過點云與BIM模型的對比分析，我們可以發(fā)現(xiàn)施工質量的好壞，從而為施工項目管理提供一定的決策依據。
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