基于地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用

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1、·54·海河水利2016年2月DOI：10．39690．issn．1004-7328．2016．01．020地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用任彤，吴昱樨(海河水利委员会水文局，天津300170)摘要：三维激光扫描技术作为近些年发展起来的一门新技术，越来越多地应用到水利行业。以独流减河防潮闸周边地形测绘为例，介绍了三维激光扫描仪的数据采集和处理方法，获得了DEM数据和防潮闸三维模型等成果，最后对三维激光扫描仪在水文应急监测中的应用进行了探讨。关键词：三维激光扫描仪；水利工程；点云数据；DEM；三维建模；应急监测中图分类号：TV221．1；P217文献标识码：B文章

2、编号：1004—7328(2016)01—0054—051引言直方向，扫描仪发射激光脉冲信号，经物体表面漫反三维激光扫描技术是20世纪90年代发展起射，接收器接收沿相同路径返回的激光脉冲信号，同来的一种快速获取空间三维信息的新技术。与传时测量每个激光脉冲水平扫描角度6c和垂直方向角统单点测量方法相比，它具有无接触、高自动化、度0，如图1所示。高精度、测量方式灵活等特点，能够快速、精确地完成对目标区域的地形测量。在水利工程地形测绘中，由于周边地况较为复杂，用传统测量手段需消耗大量人力物力，且测量精度很难达到要求n，三维激光扫描仪的无接触测量方式就成为解决此类问题的一条新途径。

3、笔者以独流减河防潮闸(以下简称防潮闸)周边地形扫描为例，介绍地面三维激光扫描仪数据采集流程和数据处理方法，图1三维激光扫描仪内部坐标系统并对获取数字高程模型(DEM)和三维建模的技根据发射和接收的时间差原理，计算出被测点术、方法进行详细探讨。与扫描仪之间的距离值

4、s。通过式(1)，可确定被测2三维激光扫描仪的工作原理物体在坐标系中的空间三维坐标网。三维激光扫描仪通过激光测距原理，瞬时获取=Ssin0cosay=Ssin0sinoc(1)物体表面的空间三维数据，称为点云数据。根据扫Z=SCOS0描仪搭载的运行平台不同，可分为空中机载扫描仪、3实例分析地面扫描仪和便携式扫描仪。

5、地面三维激光扫描仪防潮闸位于独流减河人海口处，始建于1967年，主要由激光扫描系统、数字摄像系统、定位系统、软主要功能是挡潮御沙、汛期泄洪、调度控制水位。经件控制平台、内部校正系统和电源及其他附件构改建后防潮闸共26孔，其中过流：fL22；fL、非过流孔4成。三维激光扫描仪一般使用仪器内部坐标系统，孔，每孔净宽lOnl，闸室总宽287．2m。近两年，由于XOY平面为水平面，Y轴为扫描转向方向，z轴为垂排泥场、码头的兴建，防潮闸周围地形发生变化，为收稿日期：20l5一l1一lO分析变化情况，需对防潮闸周边大约5km。范围的地作者简介：任彤(199O一)，男，助理工程师，主要从

6、事水文应急监测形进行测量。防潮闸下游多以滩、洼地为主，且多处工作。·56·海河水利2016年2月(5)获取目标影像图片。在利用点云数据进行接。在点云数据拼接过程中，会对坐标系进行三维三维建模时，为达到还原真实的效果，需使用实拍照变换，如平移、旋转和缩放等，其实质就是三维图形片对模型作无变形纹理映射。由于扫描范围较大、的变换和处理p。数据配准的精度直接影响着三维地物遮挡较为严重，扫描仪内置相机很难获取到完建模的精度，因此点云数据配准是数据处理的基础。整的影像图片，所以我们借助无人机的航拍功能来(1)坐标系及有关概念说明。Seanner’sOwnCo—完成。在给定航拍范围后，M

7、otoarSkyMS670无人ordinateSystem(SOCS)即扫描仪坐标系，也就是扫描机可自动规划飞行路径进行全景拍摄，极大地提升仪自身的局部坐标系。ProjectCoordinateSystem了工作效率。(PRCS)即项目坐标系，是一种局部坐标系，在使用特3．3数据处理流程与关键技术征点拼接中可将各站局部坐标系统移到项目坐标系根据点云数据特点，三维激光扫描的数据处理中。GlobalCoordinateSystem(GLCS)即全局坐标系，过程如图5所示。也称全球坐标系，是通过GPS或全站仪获取的位置信息定义的坐标系，可以看作是大地坐标系统的一种。各坐标系及转换

8、方式如图6所示，图中下标sP代表SOCS、下标PR代表PRCS、下标GL代表GLCS。M(SOP)是把扫描仪坐标系变换成项目坐标系的转换矩阵，M(POP)是把项目坐标系变换成全局坐标系的转换矩阵。Mmp埝P／／，^、＼／，sPP6i＼＼、MM0图6坐标系及其转换方式图5三维激光扫描的数据处理过程(2)坐标系转换。通过图形变换可以实现对三3．3．1点云数据预处理维图形的平移、旋转和缩放，这就等同于对局部坐标在原始点云数据中会出现冗余点，我们称为噪系进行的相应变换。图形坐标变换是点云拼接的基点。这些点对后期数据配准和建