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摘要：本文主要探究水利工程地形测绘中地面三维激光扫描仪的应用措施。研究过程中，以地面三维激光扫描仪概述切入，分析其具有快速性、采样率高、安全性强、实时性好、全数字的特点，以此为基础，结合某水利工程，提出地形测绘措施，从而为相关工作者提供参考。
关键词：水利工程;地形测绘;地面三维激光扫描仪;应用策略
前言：
在水利工程中，无论是工程立项、设计，还是工程竣工验收，均需要展开工程測绘，为人员工作提供支持。因此，怎样提高地形测绘准确性及工作效率已经成为重要问题。而地面三维激光扫描仪作为新发展的三维空间信息获取技术，具有高自动化、无接触、灵活测量方式、高精度的特点，可精准迅速地测量目标区域地形，从而提高水利工程测绘准确性。
一、地面三维激光扫描仪概述
地面三维激光扫描仪（TLS ; terrestrial 3D laser scanner）为高精度、全自动立体扫描仪，主要是利用扫描仪中扫描系统，扫描物体后，获得扫描所在站点和物体之间距离，同时能够获得瞬间激光脉冲的扫描横向与纵向角度观测值，进而获得物体三维坐标[1]。该扫描仪转变了传统采集单点数据的模式，能够连续、自动获取密集数据，采集大量点云数据，提高了地形测绘效率，具有快速性、采样率高、安全性强、实时性好、全数字的特点，能够与其他软件兼容共享，保证地形数据准确性。
二、工程概述
某水利工程地处海西州，坝址距离公路为1km，交通不便，规划坝址流域面积是3.57k㎡，年径流量平均为114万m?，新建水库能够解决周围2.3万人饮水问题。在水库大坝建设中，选用面板堆石坝，坝高最大为45.0m，正常蓄水位944.0m，总库容110万m?，为小型水利工程。在水库项目地形测量规划中，由于布设控制点较难、地形条件复杂、获得数据测量成果时间长、外业工作量大等问题，且工期较短，选择TLS测量地区数据。
本次扫描中，选用RIEGL公司研发的VZ-4000型TLS，其基于脉冲激光测量的扫描仪，最长距离为4km，能够实现垂直60°、水平360°的扫描，精度为15mm，内置数码相机，结束扫描后自动获取图像[2]。配套点云基础处理软件，能够配准、过滤、去噪、导出、抽稀点云数据。还用到辅助GPS，动态测量精度垂直15mm+1ppm，水平为8mm+1ppm;四旋翼无人机，80min续航时间，飞行高度最高为1000m，搭配单位索尼a5100相机，2010万有效像素。
三、地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用策略
1.选择扫描站点
实地勘察后，选择便于使用、保存，地面开阔稳定的地点布设扫描站点，且配制最少1个检核点与后视点和基站点通视，保持后是距离为200m，扫描视角应涵盖全部地貌、地形特征点，站点相邻扫描范围保持重叠率，以导线点测量模式获取扫描站点及对应检核点、后视点坐标数据，该水库利用GPS方式测量导线点。
2.加强数据采集
在选择测站与实地勘察后，做好采集数据工作，应完成以下工作：一是调试相机。调试相机过程中，为提高照片拍摄清晰度，需注意相机曝光易受光线影响，遇到雾天、雨天，可适当将拍摄单张照片时间延长;二是架设扫描仪。架设扫描仪时，应注意地面是否平整，以免架设扫描仪不牢固，产生倾斜问题，扫描中保证仪器能够自由旋转，不能碰触其他物体[3];三是收集数据，利用扫描仪收集相关区域数据;四是换站扫描。完成当前测站扫描后，确定数据是否存在误差，无误后即可展开下一站扫描测量工作，需注意换站后不用新建项目名称，相机参数等也无需重新设定。整体扫描中，设置区域扫描参数应分两个环节，先展开区域范围扫描，之后展开细节扫描，扫描每个测点中，通常控制时间为12s，站点密度如若较大，或是扫描地点较远，可适当延长扫描时间，相反，可缩短扫描时间。
3.完善数据处理
（1）预处理点云数据
原始点云数据中，会产生冗余点，也称之为噪点，对于后期配准数据与建模影响较大，需对点云去噪处理。扫描仪由于自身扫描特性，远距离点云数据通过噪带方式呈现，可应用RiSCAN PRO软件内MTA功能点云还原处理噪带。并且，受到空气与阳光悬浮颗粒影响，数据中也会产生离散噪点，其振幅、激光反射率参数和正常数据差异较大，去噪中可设置Amplitude与Reflection阈值，自动过滤删除噪点，还有水下倒影、剩余噪点、以动物体等数据，需手动删除。
（2）数据拼接
为能够获得完整三维数据，需展开多测站扫描，每站点云数据坐标均为独立，需将其换算值相同坐标系统中，即为数据拼接。拼接点云数据中，会变换三维坐标系，如缩放、旋转、平移等，本质是三维图形的处理变换，其精度对建模精度具有直接影响。扫描仪自带局部坐标属于项目坐标系，拼接中能够将各站的局部坐标转移至项目坐标中，通过图形变换实现缩放、旋转与平移三维图形。图形变换作为数据拼接的基础，拼接目的在于寻找全局坐标系与局部坐标系的转换矩阵，在RiSCAN PRO软件内倒入RTK测量数据，联合本站数据展开后视定向计算，明确平移与旋转矩阵参数，获得矩阵T3D。计算中项目坐标系和全局坐标系默认相同，将其全部转换成全局坐标系，完成拼接。
（3）绘制地形图
点云数据完成拼接后，应绘制地形图，其与地形图的应用效果息息相关。应用RiSCAN PRO软件导出完成处理的数据，新建DXF文件，之后利用CASS打开文件后，补充测量数据，编辑生成地形图，格式为DWG。
4.精度分析
该项目地物较少，属于山区，平面特征较少，选用21个高程检查点与平面位置开展精度分析，利用GPS RTK实测和等高线差高程与图解坐标分析，结合《水利水电公称测量规范》执行。误差函数：
总结：综上所述，水利工程项目中，地面三维激光测绘技术的应用不仅可提高测绘效率与测绘精度，还具有价格适中、操作简便的优点，为后续工程实施奠定基础。因此，应当结合工程情况，通过选择扫描站点、加强数据采集、完善数据处理的方式，保证数据精度，从而提高工程建设质量。
参考文献
[1]傅咏冬.无人机和地面三维激光扫描仪在1∶500城市基本地形图测绘中的应用[J].测绘工程，2018，27（05）：77-80.
[2]徐锐，罗天文.地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提取研究[J].中国农村水利水电，2019（06）：100-103.
[3]李善宏，付彪，陈元寿，周延锋.三维激光扫描仪在地形测绘中的应用[J].中国金属通报，2020（04）：187-188.
江苏智水智能科技有限责任公司 南京 210000
关键词：水利工程;地形测绘;地面三维激光扫描仪;应用策略
前言：
在水利工程中，无论是工程立项、设计，还是工程竣工验收，均需要展开工程測绘，为人员工作提供支持。因此，怎样提高地形测绘准确性及工作效率已经成为重要问题。而地面三维激光扫描仪作为新发展的三维空间信息获取技术，具有高自动化、无接触、灵活测量方式、高精度的特点，可精准迅速地测量目标区域地形，从而提高水利工程测绘准确性。
一、地面三维激光扫描仪概述
地面三维激光扫描仪（TLS ; terrestrial 3D laser scanner）为高精度、全自动立体扫描仪，主要是利用扫描仪中扫描系统，扫描物体后，获得扫描所在站点和物体之间距离，同时能够获得瞬间激光脉冲的扫描横向与纵向角度观测值，进而获得物体三维坐标[1]。该扫描仪转变了传统采集单点数据的模式，能够连续、自动获取密集数据，采集大量点云数据，提高了地形测绘效率，具有快速性、采样率高、安全性强、实时性好、全数字的特点，能够与其他软件兼容共享，保证地形数据准确性。
二、工程概述
某水利工程地处海西州，坝址距离公路为1km，交通不便，规划坝址流域面积是3.57k㎡，年径流量平均为114万m?，新建水库能够解决周围2.3万人饮水问题。在水库大坝建设中，选用面板堆石坝，坝高最大为45.0m，正常蓄水位944.0m，总库容110万m?，为小型水利工程。在水库项目地形测量规划中，由于布设控制点较难、地形条件复杂、获得数据测量成果时间长、外业工作量大等问题，且工期较短，选择TLS测量地区数据。
本次扫描中，选用RIEGL公司研发的VZ-4000型TLS，其基于脉冲激光测量的扫描仪，最长距离为4km，能够实现垂直60°、水平360°的扫描，精度为15mm，内置数码相机，结束扫描后自动获取图像[2]。配套点云基础处理软件，能够配准、过滤、去噪、导出、抽稀点云数据。还用到辅助GPS，动态测量精度垂直15mm+1ppm，水平为8mm+1ppm;四旋翼无人机，80min续航时间，飞行高度最高为1000m，搭配单位索尼a5100相机，2010万有效像素。
三、地面三维激光扫描仪在水利工程地形测绘中的应用策略
1.选择扫描站点
实地勘察后，选择便于使用、保存，地面开阔稳定的地点布设扫描站点，且配制最少1个检核点与后视点和基站点通视，保持后是距离为200m，扫描视角应涵盖全部地貌、地形特征点，站点相邻扫描范围保持重叠率，以导线点测量模式获取扫描站点及对应检核点、后视点坐标数据，该水库利用GPS方式测量导线点。
2.加强数据采集
在选择测站与实地勘察后，做好采集数据工作，应完成以下工作：一是调试相机。调试相机过程中，为提高照片拍摄清晰度，需注意相机曝光易受光线影响，遇到雾天、雨天，可适当将拍摄单张照片时间延长;二是架设扫描仪。架设扫描仪时，应注意地面是否平整，以免架设扫描仪不牢固，产生倾斜问题，扫描中保证仪器能够自由旋转，不能碰触其他物体[3];三是收集数据，利用扫描仪收集相关区域数据;四是换站扫描。完成当前测站扫描后，确定数据是否存在误差，无误后即可展开下一站扫描测量工作，需注意换站后不用新建项目名称，相机参数等也无需重新设定。整体扫描中，设置区域扫描参数应分两个环节，先展开区域范围扫描，之后展开细节扫描，扫描每个测点中，通常控制时间为12s，站点密度如若较大，或是扫描地点较远，可适当延长扫描时间，相反，可缩短扫描时间。
3.完善数据处理
（1）预处理点云数据
原始点云数据中，会产生冗余点，也称之为噪点，对于后期配准数据与建模影响较大，需对点云去噪处理。扫描仪由于自身扫描特性，远距离点云数据通过噪带方式呈现，可应用RiSCAN PRO软件内MTA功能点云还原处理噪带。并且，受到空气与阳光悬浮颗粒影响，数据中也会产生离散噪点，其振幅、激光反射率参数和正常数据差异较大，去噪中可设置Amplitude与Reflection阈值，自动过滤删除噪点，还有水下倒影、剩余噪点、以动物体等数据，需手动删除。
（2）数据拼接
为能够获得完整三维数据，需展开多测站扫描，每站点云数据坐标均为独立，需将其换算值相同坐标系统中，即为数据拼接。拼接点云数据中，会变换三维坐标系，如缩放、旋转、平移等，本质是三维图形的处理变换，其精度对建模精度具有直接影响。扫描仪自带局部坐标属于项目坐标系，拼接中能够将各站的局部坐标转移至项目坐标中，通过图形变换实现缩放、旋转与平移三维图形。图形变换作为数据拼接的基础，拼接目的在于寻找全局坐标系与局部坐标系的转换矩阵，在RiSCAN PRO软件内倒入RTK测量数据，联合本站数据展开后视定向计算，明确平移与旋转矩阵参数，获得矩阵T3D。计算中项目坐标系和全局坐标系默认相同，将其全部转换成全局坐标系，完成拼接。
（3）绘制地形图
点云数据完成拼接后，应绘制地形图，其与地形图的应用效果息息相关。应用RiSCAN PRO软件导出完成处理的数据，新建DXF文件，之后利用CASS打开文件后，补充测量数据，编辑生成地形图，格式为DWG。
4.精度分析
该项目地物较少，属于山区，平面特征较少，选用21个高程检查点与平面位置开展精度分析，利用GPS RTK实测和等高线差高程与图解坐标分析，结合《水利水电公称测量规范》执行。误差函数：
总结：综上所述，水利工程项目中，地面三维激光测绘技术的应用不仅可提高测绘效率与测绘精度，还具有价格适中、操作简便的优点，为后续工程实施奠定基础。因此，应当结合工程情况，通过选择扫描站点、加强数据采集、完善数据处理的方式，保证数据精度，从而提高工程建设质量。
参考文献
[1]傅咏冬.无人机和地面三维激光扫描仪在1∶500城市基本地形图测绘中的应用[J].测绘工程，2018，27（05）：77-80.
[2]徐锐，罗天文.地面三维激光扫描技术在山区水利工程测绘中的信息提取研究[J].中国农村水利水电，2019（06）：100-103.
[3]李善宏，付彪，陈元寿，周延锋.三维激光扫描仪在地形测绘中的应用[J].中国金属通报，2020（04）：187-188.
江苏智水智能科技有限责任公司 南京 210000