胡江，宋小燕

（長江水利委員會(huì)水文局長江上游水文水資源勘測局，四川 攀枝花 617000）

1 三維激光掃描原理

這項(xiàng)技術(shù)主要使用專用設(shè)備發(fā)出激光束實(shí)現(xiàn)與被掃描物體之間距離的測量工作，這樣能夠精準(zhǔn)地測量目標(biāo)物體的相對(duì)集合關(guān)系，在坐標(biāo)系中，直接獲得點(diǎn)云掃描點(diǎn)的三維左邊數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)能夠?qū)⑷S物體轉(zhuǎn)換為三維數(shù)字，然后對(duì)掃描點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。通常，將目標(biāo)點(diǎn)設(shè)置為P，目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離設(shè)為S，使用編碼器同時(shí)測量不同激光脈沖的橫向以及縱向掃描角度觀測值，將其分別設(shè)置為α 與β，而三維激光掃描坐標(biāo)系通常為自定義模式，橫向掃描面為X軸，縱向掃描面為Y軸，通過坐標(biāo)系的形式獲得P點(diǎn)坐標(biāo)值。

2 三維激光掃描技術(shù)在河道測量中的優(yōu)勢(shì)

2.1 靈活性高

將三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測量方法有機(jī)結(jié)合，可以更加高效、精準(zhǔn)地進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)位測量工作，或是直接在控制點(diǎn)上設(shè)置掃描儀，靜態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測作業(yè)，具有較高的靈活性。

2.2 數(shù)據(jù)獲取效率高

在河道測量工作中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能夠簡化中線樁的測量流程，還可以簡化在起點(diǎn)與重點(diǎn)交接位置的掃描測量工作，數(shù)據(jù)測量工作人員僅需要通過三維激光掃描的方式即可獲得河道周邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，將其進(jìn)行預(yù)處理后，直接導(dǎo)入三維數(shù)據(jù)軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的編制，即可獲得準(zhǔn)確的縱橫截面高程值信息。

2.3 系統(tǒng)集成度較高

在相機(jī)、掃描、慣導(dǎo)等集成系統(tǒng)及地圖構(gòu)建算法的支持下，能夠降低掃描設(shè)備的重量，并增強(qiáng)整體設(shè)備的強(qiáng)度，只需要進(jìn)行一次測量工作即可獲取精準(zhǔn)的河道現(xiàn)場照片及點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在河道測量中的應(yīng)用

3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

為確保點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息獲取的完整性，需要在不同的站點(diǎn)以及角度對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行測量，將所有三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化后導(dǎo)入至統(tǒng)一的坐標(biāo)系中。將系統(tǒng)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)使用專門的軟件中的拼接功能進(jìn)行拼接處理。選取三個(gè)以上的公共標(biāo)靶，將其設(shè)置為同名點(diǎn)，利用RTK對(duì)標(biāo)靶的大地坐標(biāo)進(jìn)行測量，使用同名點(diǎn)進(jìn)行變換參數(shù)的計(jì)算，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接處理。

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波分類

點(diǎn)云期間經(jīng)常出現(xiàn)各種誤差現(xiàn)象，主要由系統(tǒng)、目標(biāo)物體表層特征以及人工隨機(jī)等各種因素引起，其導(dǎo)致的噪音和植被信息等，都需要對(duì)其濾波進(jìn)行分類處理，消除其中的誤差數(shù)據(jù)。

首先，將數(shù)據(jù)信息中的過低點(diǎn)、高點(diǎn)以及孤立點(diǎn)去除，使用在不規(guī)則三角網(wǎng)基礎(chǔ)下的漸進(jìn)加密算法處理非地面點(diǎn)的濾波信息。這種方式需要先將原始數(shù)據(jù)劃分為網(wǎng)格狀，將每個(gè)網(wǎng)格中的最低點(diǎn)標(biāo)記出來，然后以標(biāo)記的最低點(diǎn)為初始點(diǎn)，建設(shè)新的原始表面模型，然后通過其他方式對(duì)不同點(diǎn)位信息進(jìn)行判斷。這樣判斷需要著重關(guān)注濾波閾值的選擇，參考地形坡度角度、迭代角以及迭代距離等信息，主要結(jié)合測量區(qū)域的實(shí)際特征進(jìn)行參考值的選取。這種方式的優(yōu)勢(shì)在于能夠最大化地保留地形的變化情況，對(duì)大量不連續(xù)的曲面地形工程測量中具有較好的測量效果。而數(shù)據(jù)中無法完全去除的非地面點(diǎn)以及噪音點(diǎn)等，可以使用人工的形式進(jìn)行去除，確保數(shù)據(jù)的有效性以及精準(zhǔn)性。

通過三維激光掃描的形式測量的數(shù)據(jù)在測距的影響下，將會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度情況變化相對(duì)較大，因此，對(duì)于掃描測距相對(duì)較近，而具有高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要受到稀疏化處理，即在點(diǎn)云的離散度基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行簡化。

3.3 DEM差值與河道斷面提取

DEM差值理論主要來源于施工區(qū)域的空間異質(zhì)性以及空間相關(guān)性，以空間相關(guān)性為主。DEM差值算法主要是在地理學(xué)第一定律的基礎(chǔ)上得來，對(duì)已經(jīng)獲取的采樣信息影響未知差值點(diǎn)的影響程度進(jìn)行調(diào)節(jié)，二者之間的關(guān)系能夠直接地體現(xiàn)相鄰空間對(duì)象間的空間關(guān)系。常見的差值算法有反距離加權(quán)差值算法、謝別德差值算法、徑向基函數(shù)差值算法、克里金差值算法以及三角網(wǎng)差值算法等不同的方式，通過差值實(shí)驗(yàn)，能夠有效明確不同方式下差值的計(jì)算效果以及誤差信息，并針對(duì)誤差情況進(jìn)行深入分析。

在DEM下自動(dòng)形成河道斷面信息對(duì)傳統(tǒng)方式提取河道斷面效率低下的問題有著巨大的改善。

斷面數(shù)據(jù)的提取步驟如下：第一，確定河道斷面位置。通常會(huì)將河道斷面中心處的水平坐標(biāo)用來代表河道斷面位置，在遙感影像技術(shù)的幫助下，首先采集河流中心線的位置，在距離中心線一定范圍內(nèi)進(jìn)行河道斷面中心點(diǎn)位信息的采集工作。第二，確定河道斷面方向。采集河流中心線時(shí)，通常會(huì)以從上到下的方向展開采集作業(yè)，而中心點(diǎn)位對(duì)河道斷面的采集主要以垂直的方向展開。第三，提取河道斷面點(diǎn)云信息。在河道斷面位置，將固定點(diǎn)位作為起點(diǎn)，向兩側(cè)進(jìn)行延伸，相隔固定水平距離后，進(jìn)行點(diǎn)位的采樣工作，并計(jì)算該點(diǎn)位在坐標(biāo)軸上的位置信息，結(jié)合坐標(biāo)值在DEM數(shù)據(jù)中進(jìn)行高程值信息的查詢。第四，采樣點(diǎn)差值提取河道斷面。將在相對(duì)離散的數(shù)據(jù)中獲取的斷面信息，首先進(jìn)行差值處理，便于獲取相對(duì)連續(xù)的斷面數(shù)據(jù)信息。具體操作時(shí)，可以使用三次樣條函數(shù)差值或是線性差值處理離散點(diǎn)數(shù)據(jù)信息。

4 應(yīng)用分析

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

首先，使用專業(yè)軟件對(duì)站點(diǎn)測量信息進(jìn)行拼接處理，將濾波進(jìn)行分類，去除數(shù)據(jù)中的噪音成分。在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)是由于水面鏡面反射而形成的，但是這部分點(diǎn)云位置信息通常處于最低點(diǎn)，因此，可以通過設(shè)置高程閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的控制掌控。

其次，結(jié)合A河段的地理特征，可以設(shè)置尺寸60最大坡度88 迭代角為6 迭代距離為1.4 的網(wǎng)格，對(duì)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。使用人工判斷以及機(jī)械設(shè)備判斷共行的方式能夠直觀地獲取一類誤差、二類誤差以及總誤差信息。其中，一類誤差主要是非地面點(diǎn)個(gè)數(shù)在整體地面總數(shù)中的占比，二類誤差則主要是非地面點(diǎn)在參考地面點(diǎn)位總數(shù)中的占比；最后總誤差指的是錯(cuò)誤點(diǎn)在總點(diǎn)云數(shù)量中的占比情況，結(jié)合測量數(shù)據(jù)可知其誤差情況依次為3.60%、6.30%以及4.60%。

4.2 插值計(jì)算

對(duì)河道掃描后，使用五種插值算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比分析工作，網(wǎng)格大小不超過10 cm，依據(jù)實(shí)際目視效果而言，SPD算法插值效果最差，不僅對(duì)空洞的填補(bǔ)效果不佳，而且掃描數(shù)據(jù)還會(huì)與實(shí)際地形之間出現(xiàn)較大的差異；而RBF算法最終形成的網(wǎng)格平滑性較差，而且細(xì)節(jié)位置會(huì)出現(xiàn)相對(duì)明顯的凸起情況。TIN插值算法具有明顯的三角面特征，同時(shí)平滑效果相對(duì)較差，網(wǎng)格狀態(tài)稍顯粗糙。最后，IDW以及Kriging插值算法生成的網(wǎng)格與實(shí)際地形之間的相似性較高，前者的效果更加真實(shí)，后者的平滑效果相對(duì)較好，各有優(yōu)勢(shì)。在不同插值算法之間，其平均誤差、標(biāo)準(zhǔn)誤差以及計(jì)算時(shí)間之間都有所區(qū)別，具體表現(xiàn)如表1。依據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果而言，雖然插值算法都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，但是誤差影響程度相對(duì)較小，而且不同算法的誤差值較為接近，沒有產(chǎn)生較為明顯的差異。依據(jù)計(jì)算時(shí)間來看，TIN算法的效率相對(duì)更高，然后是SPD算法；而依據(jù)計(jì)算速度而言，IDW最快，RBF最慢。鑒于此，工程在進(jìn)行差值計(jì)算工作時(shí)，可以結(jié)合實(shí)際需求選用適宜的算法。

表1 不同算法之間的誤差表

4.3 斷面數(shù)據(jù)精準(zhǔn)分析

為保障提取斷面的精準(zhǔn)度，可以將實(shí)測地面店以及斷面信息之間進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其中的誤差情況進(jìn)行對(duì)比分析，通常會(huì)選用200 個(gè)左右的實(shí)測點(diǎn)與斷面特征點(diǎn)進(jìn)行高差的計(jì)算，結(jié)合σ=±［ΔΔ］/n的誤差公式進(jìn)行高差計(jì)算。計(jì)算結(jié)果高差誤差為0.069 m，結(jié)合相關(guān)規(guī)范表明，誤差值能夠符合斷面測量高程精準(zhǔn)度要求。會(huì)造成誤差的原因較多，包括地表植被對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響以及點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換誤差等。

在河道測量工作中應(yīng)用三維激光掃描還會(huì)由于水下地形原因而出現(xiàn)一定的困難，主要是由于三維激光掃描儀通常無法穿過水體，以至于水下地形的獲取不準(zhǔn)確，還需要使用其他方式進(jìn)行采集。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)形式的河道測量工作效率低，工作量大的同時(shí)密度不足，無法滿足信息化河道測量需求，施工三維激光掃描技術(shù)能夠獲取較高密度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有效減少工作時(shí)間以及人力成本，增強(qiáng)了測量作業(yè)的可靠性，但是海量的數(shù)據(jù)處理工作也對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求有所提升。在信息化社會(huì)背景下，三維激光掃描技術(shù)水平將會(huì)不斷提升，應(yīng)用范圍也會(huì)更加廣泛。