丁國章，胡棟輝，吉順文，何朝輝，來 晟

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設計研究院），浙江 杭州 310017；2.余姚市水利局，浙江 余姚 315400；3.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020）

0 引 言

渡槽是南水北調工程中重要的交叉建筑物[1]，數(shù)十年來，渡槽在華東南部山區(qū)鄉(xiāng)村供水、農(nóng)田灌溉發(fā)揮著重要的調度作用，滋養(yǎng)著山區(qū)寶貴的農(nóng)田，造福沿途的百姓[2]。但是，渡槽這樣的水利設施多建于20世紀70年代左右[3]，距今已達50 a之久，受到氣候、氧化、腐蝕等因素的影響而自然老化，在長期靜載或地震荷載作用下，強度和剛度均已降低[4-5]。歷經(jīng)幾十年的風雨，原來渡槽之下的原野已不復存在，被繁華的新時代農(nóng)村代替，為了推進水利高質量發(fā)展及保障鄉(xiāng)村振興的基礎設施建設，科學高效的渡槽安全評估工作迫在眉睫[6-7]。

1 一般評估方法

渡槽安全檢測主要有外觀質量、形變、混凝土強度、碳化深度、鋼筋保護層厚度等多個項目。本文主要討論的是渡槽形變評估中點云融合方法的研究，一般形變評估的方法是目測觀察外立面，再結合皮尺、全站儀量測。具體做法：人工巡查渡槽周身，備注隱患處，利用皮尺和全站儀進行測量，獲得渡槽部分參數(shù)，與設計值進行比較，得到形變偏差值。這種方法有幾個弊端：①人工目測尋找隱患處，憑借個人經(jīng)驗，容易缺漏；②皮尺和全站儀的測量，屬于點狀測量，覆蓋范圍有限，反應的參考值比較局限；③人工巡查和常規(guī)測量的人力和時間成本都比較高。

2 點云評估方法

三維激光在測繪領域的成熟應用已經(jīng)得到廣泛的認可，在水利工程的安全檢測方面也得到推廣應用[8-9]。對于渡槽而言，機載Lidar、架站式三維掃描、背包式三維掃描都可以作為數(shù)據(jù)采集方式。①機載Lidar：對于長距離的渡槽而言，作業(yè)效率高，覆蓋范圍廣，不受地形限制，自帶RTK模塊的信號也不受影響，但是，激光點的密度一般，渡槽底部盲區(qū)無法覆蓋。②架站式三維掃描：對于結構復雜的渡槽而言，點云密度高，分辨率高，但是，作業(yè)效率低，多站式的拼接需要借助標靶球實現(xiàn)精確拼站，增加工作量，另外，渡槽頂部亦無法覆蓋掃描。③背包式三維掃描：可以實現(xiàn)邊巡查邊掃描，操作靈活便捷，點云密度處于機載Lidar與架站式三維激光之間。

綜上所述，兼顧效率和質量，本次選擇機載Lidar和背包式三維激光聯(lián)合作業(yè)。由飛手操作M300飛行器按照預定航線采集覆蓋渡槽的Lidar數(shù)據(jù)，另一技術員背負R8，按照“S”型繞渡槽槽墩全過程采集slam激光數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理按照解算、去噪、匹配、賦色的步驟分別得到2種作業(yè)方式的點云成果數(shù)據(jù)。作業(yè)設備見表1和圖1。

表1 作業(yè)設備清單

3 空地融合的方式

點云的格式較多，從壓縮度和多平臺應用的角度，las格式的通用性較強。市面上，激光雷達設備諸多，各家硬件廠商均有各自的內(nèi)部解算方法，第一時間采集的數(shù)據(jù)是不能夠直接使用的，需要通過各自硬件匹配的軟件進行數(shù)據(jù)結算，然后輸出為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，如“*.las”。

機載Lidar與地面站的點云融合可以有幾種方式，像控法、云匹配法（cloud to cloud）、同一坐標系法。

3.1 像控法

在作業(yè)準備階段，渡槽周邊布設4個以上的地面像控點，盡可能完全的包圍渡槽，像控點標志明顯，選址視野開闊，無遮擋，邊緣銳利，大小符合作業(yè)標準。

無人機和背包式三維激光掃描作業(yè)時，確保激光掃描范圍覆蓋像控點，比如像控點為Pi=（xi，yi，zi）（i=1，2，3，4），根據(jù)空間定位幾何基礎原理，機載Lidar掃描的渡槽體視為空間A，背包式掃描的渡槽體視為空間B，為了確?？臻gA與空間B的重合，即通過像控點可以確定空間A和空間B中的隨機點O（x0，y0，z0）為同一個空間的點，節(jié)點Pi與隨機點O之間的距離為Di，換句話說就是由像控點確定的隨機點都只有唯一性，見圖2。

圖2 空間定位幾何原理圖

隨機點O與節(jié)點Pi之間的距離關系可以構建方程組如下：

式（1）經(jīng)過方程組解算和轉換，可以得到一個線性方程組：

由式（2）可知，當Δ3=0時，方程組無解，此時P1、P2、P3、P4在同一平面上；而當Δ3≠0時，方程組有唯一解，此時P1、P2、P3、P4不在同一平面上。

在野外實際布設像控點時，渡槽周邊布設的4個角點只要有高差即可滿足唯一性要求。

3.2 云匹配法

云匹配法，又稱作cloud to cloud，顧名思義，由點云與點云之間進行匹配。可以手動拼接、也可以由軟件識別操作，一般建議先手動粗匹配，再由軟件實現(xiàn)精確配準。

云匹配法示意見圖3，假設以機載Lidar渡槽成果作為固定參照，拖動背包式點云成果，拖動時尋找公共點X，讓公共點X重合，分別從X軸、Y軸、Z軸3個方向上參考拖動，直到3個方向上的X點都是重合的。

圖3 云匹配法示意圖

機載Lidar數(shù)據(jù)與背包式的數(shù)據(jù)處在2個不同的空間中（圖4和圖5），采用云匹配法進行數(shù)據(jù)融合，紅、藍、綠三軸可以實現(xiàn)整體沿對應軸滑動點云，紅、藍、綠三環(huán)可以實現(xiàn)沿對應環(huán)旋轉點云，最后的結果見圖6，灰色的點云為機載Lidar，藍色的為背包式數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了點云數(shù)據(jù)2種采集方式的良好融合。

圖4 渡槽的2種不同掃描方式匯集的點云成果圖

圖5 云匹配法拖動過程圖

圖6 云匹配法匹配結果圖

3.3 同一坐標系法（GNSS模式法）

激光雷達作為測物設備，僅能獲取被測物的相對于激光雷達的位置，構建一個虛擬的相對空間坐標系，如果機載Lidar與背包式三維激光掃描儀可以感知設備本身在同一坐標系中的絕對位置，那么它們獲取的數(shù)據(jù)也將在同一坐標系中保持一致。GNSS模塊便發(fā)揮出重要作用，集成了GNSS模塊的激光雷達，可以精確定位自身位置，無論機載Lidar還是背包式三維激光掃描儀均可以實現(xiàn)被測目標的精確定位，見圖7。

圖7 機載Lidar與背包式掃描儀在GNSS模式下作業(yè)原理圖

4 染色對比分析

綜合以上3種融合方式進行簡單比對，可以得出表2：

表2 3種融合方法對比表

作業(yè)效率方面：鑒于像控點布設工作的時間成本，像控點法在點云數(shù)據(jù)采集效率不如云匹配法，而在采集效率和處理效率上均不如同一坐標系法，云匹配法雖然采集效率上等同于同一坐標系法，但是因數(shù)據(jù)處理階段，手工調整點云配準的用時不確定性又影響了作業(yè)效率。

點云質量方面：像控點法與云匹配法較多地依賴于人工后期處理，給點云質量帶來較多不確定因素。而同一坐標系法只取決于衛(wèi)星解算和虛擬基站數(shù)據(jù)解算的質量。

綜上，從采集效率上，可以先排除像控點法；云匹配法的質量與同一坐標系法的質量差異，將通過下面實驗比對得出結論。

4.1 云匹配法

首先將同一渡槽的機載Lidar和無GNSS信息的背包式激光數(shù)據(jù)進行云匹配（見圖8），再將兩組數(shù)據(jù)分別賦色（見圖9），沿渡槽槽墩頂部垂直渡槽的方向進行剖切，得到槽墩側面的輪廓點云集，最后抽取相同槽墩相同位置的雙色點云，進行偏差比對，計算出該模式下點云融合的中誤差。

圖8 匹配過程中的機載Lidar和背包式激光數(shù)據(jù)圖

圖9 匹配后的機載Lidar（綠色）和背包式激光數(shù)據(jù)圖（粉色）

圖10中，分別抽取5個渡槽槽墩作為檢驗目標，以渡槽水流平面作為XY平面，垂直于XY平面為Z軸，沿Z軸俯視渡槽水流面，從1號槽墩到5號槽墩，分別沿Z軸垂直于水流方向切割，獲取槽墩輪廓斷面（見圖11），從輪廓斷面中，再抽取任意位置的鄰近綠色點與粉色點，計算點位中誤差，評估點云融合質量，融合結果見表3。

圖10 云匹配法中渡槽點云融合數(shù)據(jù)俯視圖

圖11 云匹配法中剖切后的槽墩點云輪廓圖

表3 云匹配法中點云融合隨機抽樣對比表（數(shù)據(jù)已偏移處理） 單位：m

4.2 同一坐標系法

通過對同一坐標系法下的機載Lidar和背包式激光數(shù)據(jù)進行染色比較，分析該種模式下的點云質量。先將2組數(shù)據(jù)置放于同一坐標空間中，然后分別對兩組數(shù)據(jù)進行賦色，圖12 a）為點云RGB模式，圖12 b）為2組數(shù)據(jù)單獨賦色模式，紅色點云為機載Lidar，藍色點云為背包式數(shù)據(jù)。

參照云匹配法，自左往右分5個斷面抽取比較點，見圖13~14，以判斷2組數(shù)據(jù)的偏差情況。

圖13 同一坐標系法中渡槽點云融合數(shù)據(jù)俯視圖

圖14 同一坐標系法中剖切后的槽墩點云輪廓圖

由表3和表4對比可以發(fā)現(xiàn)，同一坐標系法中，點云融合的平面偏差中誤差為0.044 m，明顯優(yōu)于云匹配法的0.236 m；高程偏差中誤差為0.008 m，略優(yōu)于云匹配法的0.009 m，因此，同一坐標系法的點云融合精度更高。

表4 同一坐標系法中點云融合隨機抽樣對比表（數(shù)據(jù)已偏移處理） 單位：m

5 結 語

本文以渡槽安全評估中的三維激光掃描數(shù)據(jù)為例，指出其相對于傳統(tǒng)方法的突出優(yōu)勢，探討了機載Lidar與地面激光掃描成果的三種融合方式，并通過染色比對分析云匹配法和同一坐標系法的點云融合精度，證明了同一坐標系法在空地點云融合中的精度優(yōu)勢。在下一階段研究中，將繼續(xù)通過項目案例研究渡槽安全檢測中機載Lidar掃描的最佳控制高度和背包式三維激光掃描儀的最優(yōu)控制距離。