范泯進，朱燕梅，張宏達，陳 伍，茍家強

(四川中水成勘院工程物探檢測有限公司，四川 成都 610072)

大壩在運行過程中受庫區(qū)水位和其他地質(zhì)因素影響，大壩壩體可能在沿著壩軸線或垂直壩軸線方向上產(chǎn)生變形，而當(dāng)此種變形達到一定程度后會危及大壩安全。所以，大壩變形監(jiān)測是貫穿于水電站建設(shè)、運行全壽命周期的重要工作內(nèi)容。目前在大壩變形監(jiān)測中常用的人工變形監(jiān)測系統(tǒng)和自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)等，多采用“點”布設(shè)方式在大壩壩體或廊道內(nèi)局部斷面安裝監(jiān)測設(shè)施。這種布設(shè)方式下監(jiān)測斷面間距一般較大，所采集的形變數(shù)據(jù)也集中在斷面附近，不能全面、連續(xù)、完整反映大壩形變情況。這些監(jiān)測中的“盲點”區(qū)域，在水電站的整體平穩(wěn)運行中存在一定安全隱患。

隨著測繪技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度三維激光掃描技術(shù)運用到大壩安全監(jiān)測中。該監(jiān)測技術(shù)可在有效測程范圍內(nèi)提供高密度、高精度點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型數(shù)據(jù)場，能夠全面準(zhǔn)確的反映大壩壩體的形變、裂縫發(fā)育、表面破損等細(xì)節(jié)信息。并以“全方位、無死角”的方式記錄下大壩各個部位、在各個時期的運行狀態(tài)；以“三維變形監(jiān)測、三維實景記錄”的方式在高精度下記錄大壩廊道內(nèi)“可見”和“不可見”信息，形成詳細(xì)完整的大壩運行健康檔案。

1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要通過三維激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖信號，以基于“面”的數(shù)據(jù)采集方式和亞毫米級測距精度，采集有效測程范圍內(nèi)掃描目標(biāo)體的高密度、高精度點云數(shù)據(jù)。此外，可以通過同步影像采集系統(tǒng)，獲取掃描目標(biāo)體的“實景三維影像”信息。

通過后處理軟件，對掃描獲得的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換，建構(gòu)掃描體高精度、高密度的點云模型數(shù)據(jù)場。

2 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

2.1 點云徑向密度去噪法

在水工隧洞和平面三維激光掃描中，由于激光掃描儀采用360度相位法方式掃描，在水、鏡面等高反射率掃描面影響下將不可避免會產(chǎn)生噪點，而這些噪點的去除卻十分繁瑣，將耗費大量人力。因此，根據(jù)水工隧洞和混凝土結(jié)構(gòu)面的特點，將其按幾何結(jié)構(gòu)進行軸向和徑向微元劃分，并通過對點密度和徑向位移偏差分析，確定閾值進行去噪。

當(dāng)掃描面處在掃描儀的最優(yōu)掃描位時，將會形成高密度點云，而噪點分布則呈現(xiàn)零散、低密等特征。通過設(shè)置合適的斷面角度微元徑向點云噪點去除閾值，可以獲得清晰完整的洞壁點云。如圖1所示，隧洞局部樁號段采用徑向密度去噪法處理前、后點云。

圖1 點云徑向密度去噪法處理前、后洞壁點云圖

2.2 高精度點云縫合技術(shù)

三維激光掃描采集的點云數(shù)據(jù)量大，其單站掃描點數(shù)可達上億，反映掃描目標(biāo)表面信息詳細(xì)而準(zhǔn)確。然而由于測試表面與掃描儀存在距離差異、以及測試表面激光入射角度差異，將使得測試成果因測試表面多次掃描反射強度差異產(chǎn)生“雪花”點、以及由于掃描遮擋導(dǎo)致產(chǎn)生“漏洞”區(qū)域。

針對上述問題，通過研發(fā)“高精度點云去噪縫合技術(shù)”，采用專有算法充分利用每站掃描獲取的高精度、高清晰數(shù)據(jù)，逐站進行匹配；并且對于單站掃描時被遮擋的無數(shù)據(jù)“漏洞”區(qū)域，采用多站優(yōu)勢高精度點云數(shù)據(jù)進行“漏洞縫合”；最終使得多站整體拼合圖像清晰、細(xì)節(jié)特征明顯，真正實現(xiàn)“實景還原”，不同掃描點云處理技術(shù)成果對比見表1。

表1 不同掃描點云處理技術(shù)成果對比圖表

2.3 改進的高精度形變分析算法

三維激光掃描的點云密度大、精度高，將三維點云數(shù)據(jù)場與設(shè)計模型或多期掃描數(shù)據(jù)進行計算分析，可反映掃描目標(biāo)體的表面缺陷、位移、形變等情況，如圖2所示。形變分析精度受點云精度和密度、環(huán)境噪點以及分析算法的影響，會存在一定的系統(tǒng)誤差，該誤差如果得不到有效控制或消除，會導(dǎo)致微小形變得不到反映或放大整體形變。通過分析水工隧洞實際結(jié)構(gòu)特征，在國內(nèi)外常用形變量分析方法的基礎(chǔ)上采用改進的高精度形變量計算方法，實現(xiàn)形變量毫米級高精度提取分析。算法流程如圖3所示。

圖2 三維激光隧洞形變分析成果展示圖

圖3 隧洞形變分析算法流程圖

3 三維激光掃描技術(shù)在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 測試情況簡述

某大型水電站是控制性“龍頭”梯級電站。通過在該水電站大壩1829m高程廊道分兩期采用高精度三維激光掃描技術(shù)，監(jiān)測在庫水位1801m高程和1878m高程時大壩壩體整體形變情況。

3.2 現(xiàn)場布置與數(shù)據(jù)采集

3.2.1控制測量

通過與壩體控制點聯(lián)測，并在各高程大壩廊道布置三維激光掃描測量控制點和測量控制點。其中，測量控制點布設(shè)置于洞內(nèi)底板，掃描控制點采用專用靶球棱鏡布設(shè)于洞內(nèi)邊墻。

3.2.2三維激光掃描現(xiàn)場布置

根據(jù)大壩廊道結(jié)構(gòu)特征，三維激光掃描以4m間距布置測站，并同時采用高精度靶球棱鏡、靶球與控制測量相結(jié)合方式進行掃描。大壩廊道1829m高程三維激光掃描均自左岸起始向右岸方向進行；現(xiàn)場測站布置間距4m(局部加密，如觀測間內(nèi)等)，以滾動方式沿測線推進掃描。

3.3 三維激光掃描分析成果

大壩廊道三維激光掃描基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫以三維點云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，涵蓋洞身整體三維坐標(biāo)信息、激光影像圖、裂縫發(fā)育情況等信息。

配準(zhǔn)完成后的隧洞整體點云數(shù)據(jù)將統(tǒng)一到參考坐標(biāo)系，隧洞點云將被賦予準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)信息。根據(jù)點云數(shù)據(jù)可查詢隧洞中任意點的三維坐標(biāo)、任意兩點間的距離等信息，可提取隧道任意間距的斷面信息等。

3.3.1三維激光掃描實景點云成果圖

通過三維激光掃描儀得到的洞壁外觀表面具有三維坐標(biāo)信息的點數(shù)據(jù)集合稱為點云。經(jīng)對各測站采集數(shù)據(jù)進行配準(zhǔn)，點云去噪、“漏洞”縫合等處理后，最終得到大壩廊道全洞段三維點云數(shù)據(jù)。通過將點云與全景高分辨率彩色全景影像數(shù)據(jù)相融合，得到大壩廊道三維實景點云模型成果，如圖4所示。

圖4 1829m高程大壩廊道整體實景點云展示圖

3.3.2三維激光掃描灰度點云成果圖

以每測站三維激光掃描儀位置為球心，通過軟件將該測站三維激光掃描所得的點云數(shù)據(jù)投影到一個球形的展開圖中，并且將洞壁對激光的反射率以不同的灰度等級表示，即可生成該測站三維激光掃描的灰度全景圖?；炷帘砻娈?dāng)有裂縫、掉塊、蜂窩麻面等缺陷時，會出現(xiàn)激光反射強度差異，缺陷將呈現(xiàn)區(qū)別于完整混凝土的表觀特征。通過自動識別掃描數(shù)據(jù)中激光反射率強度特征和不同缺陷的表觀特征，對洞壁混凝土裂縫進行自動提取，然后進行人工校核。

3.3.3形變位移量分析

三維激光掃描數(shù)據(jù)中每個三維點均有一個特定的坐標(biāo)，從每個點的坐標(biāo)計算可得點與點之間的距離，根據(jù)點云坐標(biāo)可知大壩廊道內(nèi)側(cè)表面體型信息；此外，通過在遠(yuǎn)端山體內(nèi)布置多個參考不動點，對在不同水位高度情況下采集大壩廊道點云數(shù)據(jù)進行分布校準(zhǔn)，然后對同一樁號位置的洞壁點云數(shù)據(jù)進行精確匹配、對比分析、計算可獲得大壩廊道在不同水位高程下各區(qū)域位移情況。通過解譯不同高程廊道在不同水位情況下3D位移量成果，可分析大壩在三維空間中不同高程、不同區(qū)域受力形變情況及趨勢。

為便于分析和直觀了解拱壩形態(tài)，建立以拱壩中心線走向為參考坐標(biāo)軸的三維空間坐標(biāo)系統(tǒng)，該坐標(biāo)系以高程方向為“Z軸”，以朝向高海拔方向為+、以朝向低海拔方向為-；以拱壩中心線為“Y軸”，以朝向下游方向為+、以朝向上游方向為-；以垂直拱壩中心線為“X軸”，以朝向左岸方向為+、以朝向右岸方向為-。三維激光掃描分析“壩拱中心線坐標(biāo)系統(tǒng)”示意如圖5所示。

圖5 三維激光掃描分析“壩拱中心線坐標(biāo)系統(tǒng)”示意圖

大壩1829m高程廊道內(nèi)布置掃描測試控制點9個，該控制點同時采用三維激光掃描儀與全站儀進行掃描測試。此外，對整條廊道同步進行三維激光掃描測試，通過現(xiàn)場掃描和數(shù)據(jù)處理、分析，獲得了大壩1829m高程廊道在不同水位下三維空間形態(tài)點云成果、以及其在不同水位情況下位移情況。

如圖6所示，通過將大壩1829m高程PL05-2～PL19-2垂線觀測系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)投影到“壩拱中心線坐標(biāo)系統(tǒng)”中，其位移量表現(xiàn)為：沿Y軸向位移量處于14～37mm之間；X軸向位移量處于-4～2mm之間，其中壩拱中心線至左岸壩基之間呈負(fù)值，壩拱中心線至右岸壩基之間呈正值。

圖6 1829m高程大壩廊道垂線系統(tǒng)與三維激光系統(tǒng)觀測位移量對比柱狀圖

而通過對三維激光觀測系統(tǒng)掃描所得PL05-2～PL19-2觀測間點云成果進行位移分析，各觀測間位移量表現(xiàn)為：沿Y軸向位移量處于15～38mm之間；X軸向位移量處于-4～2mm之間；其中壩拱中心線至左岸壩基之間呈負(fù)值，壩拱中心線至右岸壩基之間呈正值，與垂線觀測系統(tǒng)整體趨勢較一致。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)已具有較高的測距精度和點云密度，運用在大壩形變監(jiān)測中可以獲得連續(xù)、完整、豐富的監(jiān)測信息。同時，本文通過研發(fā)點云徑向密度去噪法、高精度點云縫合技術(shù)、改進的高精度變形分析算法等，構(gòu)建了基于三維點云場景的水電站大壩變形監(jiān)測高精度數(shù)據(jù)處理方法，實現(xiàn)了大壩變形監(jiān)測自動識別與智能分析，可以為水工建筑物全壽命周期的安全監(jiān)測提供科學(xué)、有效支撐。