三维激光扫描技术在水电站3D建模中的应用研究

　　1 概述
　　随着三维地理信息管理系统在水利建筑领域的深入研究，建立水库的三维模型日益成为研究的热点和难点。传统的人工测量方法耗时耗力，检核工作难进行。摄影测量的方法可以快速获取被测区域的影像，但是高程精度不高，同时由于拍摄高度的限制，对尺寸较小的目标物辨识能力有限。三维激光扫描仪技术以其高精度、高密度、实时性强和非接触性主动获取物体表面3D信息的特点，自问世以来就得到了广泛的应用。三维激光扫描仪技术通常包括地面激光扫描仪、车载激光扫描仪和机载雷达。利用地面激光扫描仪技术，Kim等对预制钢构件的尺寸(长、宽和面积)进行高精度扫描。Virtanen等利用地面激光扫描仪技术对物体进行快速的数字化建模。Wang利用激光扫描仪技术实现对不同测站点云的高精度匹配。刘求龙等利用地面激光扫描仪对慧泉变电站进行三维建模。为了能够完整、精确地建立起水库的三维模型，利用地面激光扫描仪的精度优势和车载激光扫描仪的速度优势，对车载激光扫描仪和地面激光扫描仪采集的数据进行结合，进而得到整个库区的三维构架是目前最快捷有效的方式之一。本文以河南宝泉电站为例，自主研制探讨如何利用车载激光扫描仪和地面激光扫描仪技术获取数据并快速建立电站三维模型。
　　2 宝泉抽水蓄能电站概况
　　宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县西部薄壁镇，电站的主要建筑物包括上下水库大坝、引水道、地下厂房洞群系统及地面开关站等。上水库位于宝泉水库峪河左岸支流东沟内，距宝泉村约1km，引水道进/出水口位于水库左岸，距大坝左坝头约200m。下水库进/出水口位于宝泉水库左岸，距宝泉水库大坝约1km。上水库档水建筑物为混凝土面板堆石坝，下水库是利用峪河上已建成的宝泉水库，但对大坝加高、加固。坝顶高程268.0m，坝顶长为535.5m，其中左岸挡水坝坝长277.0m、右岸档水坝段长197.5m。宝泉抽水蓄能电站引水道主洞直径为6.5m，上游调压井前、后段及尾水段洞径均为6.5m，岔管段洞径为4.5m;上水库总库容为827万立方米，发电库容620万立方米;下水库总库容6750万立方米，灌溉兴利库容3575万立方米，扩大兴利库容515万立方米。
　　3 三维激光扫描仪技术介绍
　　三维激光扫描仪数据采集的过程就是将连续的三维空间经空间采样转换成离散的数据点云的过程。数据采集过程中，旋转激光头在水平面内连续转动，同时镜头在竖直面内做往复或者旋转运动，形成激光束在空间上的扫描。激光头的角速度、转镜的角速度及激光脉冲的发射频率共同决定了该型号在空间扫描的分辨率。考虑到地面激光扫描仪测量精度高，同时相比较车载激光扫描仪来讲比较灵活，本次研究运用车载激光扫描仪对水库周围的道路进行扫描，对于坝体等需要精细建模的目标物使用地面激光扫描仪进行扫描获取数据。
　　3.1 地面激光扫描仪
　　地面激光扫描仪是基于地面的使用激光来有序、自动地测量指定目标物的三维坐标。地面激光扫描仪记录的有物体的距离、垂直角和水平角(d,  ,  *MERGEFORMAT)=，同时还有被测物体的反射信号。由于其相对高密度、高精度的点云获取技术，可以用来对坝体等重点区域进行扫描。当一个测站所获取的点云不能反映整个物体的全貌时，需要多站测量，而这些不同测站之间需要布设公共点以实现不同测站数据的拼接和转换。公共点通常有两类：第一类是平面靶标;第二类是球型靶标。其中，球型靶标保证了从不同角度扫描测量时都能获取准确的球心坐标，避免了平面靶标使用过程中入射角有时影响过大的问题。
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　　3.2 车载激光扫描仪
　　车载激光扫描仪也称车载移动测量系统，主要由激光扫描仪、全景相机、Global Positioning System(GPS)、Inertial Measurement Unit(IMU)、里程计和后处理软件等组成。将该系统安装在车辆上，在车辆行驶过程中获取道路及道路两侧的三维信息。相比地面激光扫描仪来讲，其数据获取速度快，更适用于在道路等远距离的扫描工作中。车载激光扫描技术由于系统比较复杂，牵扯到GPS、惯导、陀螺仪、激光扫描头以及全景相机等各方面的融合和同步问题，因此数据采集的精度比较低，在对精度要求不高的情况下可以充分发挥其扫描速度比较快的优势。地面激光扫描仪所测得的点位精度可以达到5mm左右，车载激光扫描仪由于组合系统的复杂性，目前精度在40cm左右。二者的结合，一方面可以避免精度太低造成的模型偏差大，另一方面车载激光扫描仪的引入有效的提高了工作效率。
　　4 3D建模
　　4.1 数据采集
　　三维激光扫描仪的特点是所见即所得。通过采集大量的点云数据来展示物体的表面模型。车载三维激光扫描仪具有速度快、效率高等优点，但对于道路不通交通不便的区域，很难采集到有效数据。而地面激光扫描仪具有架站方便、测程较远、精度较高的优点，二者合理搭配可以很大程度上提高工作效率。通过现场踏勘，发现测区内交通情况良好，因此采用车载设备采集水库整体框架信息，包括道路、护栏和边坡防护部分。车载设备采集不到的区域使用地面设备补充采集。本次数据采集车载设备使用GeoBIM-C300车载移动测量系统，地面设备使用北科天绘UA-1345地面三维激光扫描仪。
　　4.2 数据预处理
　　由于受仪器本身、周围环境、被测物体的特征和布置网络等的影响，使得采集的数据存在一定程度的误差和噪声干扰。因此，对采集到的数据进行噪声去除是预处理过程中的重要步骤之一。数据采集完成后，所得到的数据如图3所示，先对每站数据进行简单的预处理，将多余扫描的点云删除，使用仪器配套软件SS-UCtrl_v2.0.1进行点云去噪，特征点提取，为点云拼接做好准备。
　　4.3 拼接和融合
　　一直以来不同测站点云之间的拼接融合都是三维激光扫描技术应用于研究的重点和难点。拼接质量的问题直接影响到最终成果的精度。传统的拼接方式有两种：
　　(1)公共点拼接，两站数据中找出最少四个公共特征点进行配准，将两站点云拼接在一起;(2)坐标转换，外业采集中每站获取的数据都具有一个相对独立的空间直角坐标系。利用四个或四个以上的已知坐标控制点，可以将整个测站完成坐标系转换，只要布设覆盖整个测区的控制网，就可以通过控制点将所有的测站转换到相同的坐标系下，这样也可以做到点云的拼接融合。但由于水库范围较大、测站较多，采用公共点拼接的方法容易造成拼接误差的累计，影响最终成果精度。采用坐标转换的方法需要布设很多控制点坐标，既增加了外业工作量，又无法保证精度。
　　结合现场的实际情况，此次试验分别结合了两种方法的优势，即在整个测区内根据地形、范围等因素划分为几个区域，每个单独区域内布设四个控制点，区域内的点云数据采用公共点拼接的方式将整个区域的点云拼接在一起，然后利用坐标转换的方式将该区域点云转到已知坐标的控制点坐标系下，最后再将转换到相同坐标系下的不同区域的点云在同一个软件内加载融合，最终达到整个测区点云拼接融合的效果。
　　4.4 建模
　　拼接后的点云数据量很大，通过一定比例抽稀导入Geomagic Studio中后，依次对点云进行孤点删除、点云去噪、点云数量优化等操作，然后进行封装。封装后的模型经过优化处理后，再导入3DMax进行贴纹理工作，对水工建筑物进行三维建模、材质粘贴、特效处理，生成逼真的工程模型，最终可以得到整个电站的全尺寸3D真实模型，实现在开发大坝安全监测地理信息应用系统内可直接查询展示大坝安全监测成果。
　　5 结语
　　在对水电站等类似大型建筑物进行建模时，地面激光扫描仪技术和车载激光扫描仪技术的结合，一方面保证了主要坝体数据建模的精度，另一方面又能快速地获取坝体周围道路等的信息，这两者的结合扬长避短，有效地提高了数据采集的速度以及数据处理的效率。该方法适用于在水库、变电站、桥梁、工业厂区等需要粗建模和精细建模结合的地方。下一步的研究将着重考虑将车载和地面的点云数据通过一定的算法进行融合。