淺談三維激光掃描技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用研究論文

　　三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，其被譽(yù)為“繼GPS技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)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(biāo)。該技術(shù)作為獲取空間數(shù)據(jù)的有效手段，可以快速、精確、大量地采集空間點(diǎn)位信息，已在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前在水利工程建設(shè)的斜坡穩(wěn)定性研究、高陡邊坡地質(zhì)調(diào)查、水利樞紐的地形地貌的三維數(shù)據(jù)采集，輸水、送電線路的選擇，以及CAD設(shè)計(jì)與動畫制作、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逆向建模、交通、醫(yī)療、古建筑修復(fù)和保護(hù)工程等方面的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

　　一、工程簡介

　　上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)的甬新閘泵站工程是寧波市城市重要防洪項(xiàng)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(cè)。甬新閘總凈寬35米，共分7孔，單孔凈寬5米，而甬新河承擔(dān)著江東區(qū)部分澇水外排甬江的重要任務(wù)，是江東區(qū)主要的排澇工程。甬新閘泵站的建設(shè)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(wù)是防洪、排澇。規(guī)劃建設(shè)排澇流量120立方米/秒，其中應(yīng)急工程設(shè)計(jì)流量60立方米/秒。工程設(shè)計(jì)擋潮防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。

　　二、數(shù)據(jù)獲取與數(shù)據(jù)處理

　　三維激光掃描技術(shù)在寧波甬新閘泵站工程中的整個(gè)工作流程可分為以下步驟：控制測量，外業(yè)數(shù)據(jù)采集，點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，點(diǎn)云的后期處理，點(diǎn)云的實(shí)際應(yīng)用。

　　1.控制測量

　　三維激光掃描儀采集到的數(shù)據(jù)是獨(dú)立坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，為了得到甬新閘泵站工程所用坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，需要控制點(diǎn)信息。根據(jù)現(xiàn)場的施工條件，每次從測量控制網(wǎng)引出3個(gè)以上的點(diǎn)作為三維激光掃描的控制點(diǎn)。

　　2.數(shù)據(jù)采集

　　根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，在合適的位置設(shè)站，并設(shè)置好標(biāo)靶，對需要掃描的內(nèi)容進(jìn)行詳盡地掃描，為了保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的順利拼接，相連站間需要掃描3個(gè)以上的特征點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集過程中，測站和標(biāo)靶設(shè)置的`合適與否，將直接影響到掃描的效率和精度。

　　3.點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

　　由于每站掃描的數(shù)據(jù)都是以掃描儀位置為參考點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系，各站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)沒有聯(lián)系，因此需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理，拼接是在隨機(jī)軟件中通過公共特征點(diǎn)自動進(jìn)行的。要得到項(xiàng)目坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，就需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。其方法就是利用掃描的控制點(diǎn)坐標(biāo)，將整個(gè)點(diǎn)云轉(zhuǎn)換成需要的坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的誤差與控制點(diǎn)誤差、點(diǎn)云拼接誤差等有關(guān)。

　　4.點(diǎn)云的后期處理

　　由于現(xiàn)場的施工環(huán)境較為復(fù)雜，點(diǎn)云經(jīng)過拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，還不能夠直接進(jìn)行應(yīng)用，需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，其工作主要就是對點(diǎn)云進(jìn)行去噪處理與著色處理。施工現(xiàn)場掃描到的腳手架、機(jī)械設(shè)備等與掃描無關(guān)的信息，在處理過程中應(yīng)盡量刪除，以保證點(diǎn)云干凈。著色處理就是對點(diǎn)云賦予合適的顏色，讓點(diǎn)云模型更加美觀。如果采集數(shù)據(jù)的時(shí)候進(jìn)行了全景掃描，則可讀取真實(shí)的RGB值賦給點(diǎn)云，這樣點(diǎn)云所展現(xiàn)的顏色就是真實(shí)的顏色。如果沒有進(jìn)行全景掃描，則需要通過后處理軟件給點(diǎn)云賦予自定義顏色。

　　5.點(diǎn)云的實(shí)際應(yīng)用

　　根據(jù)施工進(jìn)度情況，在特定的工況節(jié)點(diǎn)上，對現(xiàn)場進(jìn)行了若干次掃描，將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要應(yīng)用于土方工程量計(jì)算、混凝土工程量計(jì)算、沉降監(jiān)測以及與BIM模型對比四個(gè)方面。

　　三、土方工程量計(jì)算

　　水利工程設(shè)計(jì)中涉及大量開挖工程量計(jì)算問題，傳統(tǒng)的做法是在二維方式下進(jìn)行的，其計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際相差較大，對整個(gè)工程的概預(yù)算、施工進(jìn)度安排以及土石方填挖平衡設(shè)計(jì)都會產(chǎn)生較大的影響，已不能適應(yīng)現(xiàn)代工程建設(shè)的要求。而采用三維方式進(jìn)行計(jì)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(jìn)行了三維激光掃描，并得到了較為干凈的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過Bentley 軟件建立了數(shù)字地面模型。較高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(jù)冗余，從而對計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)的瀏覽編輯以及計(jì)算。由于土方工程量計(jì)算的精度要求相對較低，故對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽稀處理，大大簡化了數(shù)據(jù)量，最終建立了DTM模型。

　　利用建立的DTM模型，計(jì)算了圖1中兩個(gè)基坑的工程量，并與施工單位所報(bào)的實(shí)際工程量(同段時(shí)間內(nèi))進(jìn)行了對比.

　　計(jì)算的工程量與施工單位所報(bào)的實(shí)際工程量接近。由于計(jì)算所采用的邊界條件與施工單位的會有所不同，因此會導(dǎo)致結(jié)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(jì)算

　　根據(jù)項(xiàng)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(jù)三維激光掃描的結(jié)果，將點(diǎn)云模型參考到BIM模型中，對BIM模型進(jìn)行切割處理，然后計(jì)算出混凝土的工程量.

　　從BIM模型中可以方便地地計(jì)算出任何范圍內(nèi)混凝土的澆筑量，但是現(xiàn)場施工的混凝土澆筑到了哪個(gè)范圍，這個(gè)可以用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來確定。如果沒有BIM模型，則需要采用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來建立三維模型，再來計(jì)算混凝土工程量。本文是在已有BIM模型的基礎(chǔ)上，配合點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算混凝土工程量。

　　五、沉降監(jiān)測

　　在整個(gè)泵站的建設(shè)過程中，周圍地面往往會有不同程度的下沉，因此需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的沉降觀測。本項(xiàng)目布設(shè)了若干沉降監(jiān)測點(diǎn)，采用常規(guī)的水準(zhǔn)測量每天進(jìn)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(yīng)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(gè)沉降點(diǎn)進(jìn)行了掃描，并與這三個(gè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)水準(zhǔn)監(jiān)測成果進(jìn)行了對比。

　　三維激光掃描成果與水準(zhǔn)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(shí)施過程中，均存在著誤差。

　　通過此項(xiàng)目的實(shí)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(zhǔn)測量高。兩種沉降監(jiān)測的測量方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體哪種效率高，取決于現(xiàn)場的條件。

　　六、點(diǎn)云與BIM模型對比

　　流道是本工程中結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的部分，采用三維激光掃描儀對整個(gè)流道層進(jìn)行了掃描，并將掃描成果與BIM模型進(jìn)行了對比，本文選取了出水口部分.為了更清楚地反映點(diǎn)云的掃描精度問題，進(jìn)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(diǎn)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?yàn)樵诂F(xiàn)場掃描時(shí)，流道層里的掃描環(huán)境較差，同時(shí)底部有水，因此底部的數(shù)據(jù)也是不準(zhǔn)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(diǎn)云與BIM模型的對比分析，我們可以發(fā)現(xiàn)施工質(zhì)量的好壞，從而為施工項(xiàng)目管理提供一定的決策依據(jù)。