【摘 要】随着三维激光扫描技术的快速发展和日渐成熟，越来越多各种型号的三维激光扫描仪以其高频率、高精度、高时效、易操作的特征，被广泛应用到各个行业中。为解决传统建模获取数据效率低，数据不够精确与详细等问题，探索在黄河防洪工程维护管理中引进三维激光扫描技术，将从根本上颠覆防洪工程建筑物传统的建模生产方式，大幅度提高生产效率和精度。
【关键词】防洪工程；维护管理；三维激光扫描；建模；应用
0 引言
黄河防洪工程种类多样，数量众多，遍布黄河流域，工程维护管理任务十分繁重，由于缺乏基础资料和必要的信息支持，使其维护管理工作在一定程度上受到制约，为适应新形势下治黄工作的迫切需要，利用3S、三维激光扫描、通信、网络等先进技术，建立一套基于流域三维地物地貌的工程维护管理系统，实现工程维护管理业务信息化，实时掌握和了解工程运行状态，为防汛和工程维护管理决策提供全面、及时、准确的决策依据，确保黄河防洪安全。系统建设将全面提高工作效率，使黄河工程维护管理工作发生根本性转化和质的飞跃。对提高维护管理决策水平，保障防洪工程正常运行具有十分重要的意义。
面对众多的防洪工程，采用传统的建模生产方式，构建大量的防洪工程模型是制约系统开发的一个瓶颈，如何解决这一难题，是系统研发的关键之一。随着数字采集技术的发展，越来越多各种型号的三维激光扫描仪以其高频率、高精度、高时效、易操作的特征，被广泛应用到各个行业中。在黄河防洪工程维护管理系统中引进三维激光扫描建模及相关技术，将从根本上颠覆防洪工程建筑物传统的建模生产方式，真实再现防洪大堤、防浪林、涵闸、大坝、险工、控导、跨河建筑物等工程原貌，并实现部分工程建筑物内部信息的可量可测，大大减少野外数据采集的工作量和采集时间，大幅度提高针对不同类型工程建筑物的模型生产效率和精度，降低原有工作模式所需的大量人力、物力和财力，填补了在黄河防洪工程维护管理系统中利用三维激光扫描建模技术快速、准确生成防洪工程建筑物三维原貌技术的空白，为黄河防汛、工程维护及改建、规划设计、施工等工作提供防洪工程真实三维量测影像信息，在黄河防洪工程维护管理及保障黄河防洪安全工作中发挥重大作用。
1 三维激光扫描仪简介
三维激光扫描仪通常按照有效扫描距离进行分类,可分为短距离激光扫描仪、中距离激光扫描仪、长距离激光扫描仪和航空激光扫描仪。不同制造商的扫描仪如Riegl系列产品、Leica系列产品、Trimble系列产品等，其根本原理都是相同的，只是在数据生产的质量如分辨率、精度、扫描速度等方面有所不同。以RIEGL LMS-Z390i为例，它是一款高精度和实时全波形数字化处理和分析技术。与传统的一次回波仅能反映一个反射目标物体的技术相比，它可以探测到多重乃至无穷多重目标的、极其详尽的细节信息。仪器相关技术参数如下：
●扫描距离：500m
●扫描精度：2mm，可扩展
数码相机
提供一个高分辨率彩色影像数据
Canon EOS 450D:
●12.2 M 像素 (4,272 x 2,848 pixel)
●接口：USB 接口
顶部外置专业单反数码相机，定位由三个支撑点确定。
数据采集及处理流程如下：
图4 数据采集及处理流程
３．１ 准备阶段
踏勘实验场地与布设控制点，对一个物体要进行全方位的扫描，往往要扫描很多个视点，根据现场情况估计扫描测站应设的站数和位置，尽量保证扫描区域有公共部分，减少其它物体的遮挡，并且应保证扫描距离在扫描仪的有效测程范围内。实验场地选择在黄河花园口堤防段进行，先后对花园口纪事广场和花园口将军坝作为目标物进行数据采集。在花园口纪事广场选取7个数据采集点，对纪事广场场景进行了覆盖扫描，并对纪事广场一处建筑物进行了三维精细化扫描，在花园口将军坝选取3个数据采集点并部分进行了三维精细化扫描。
３．２ 数据采集
使用三维激光扫描仪器(同步配准数码相机)对实际的物体表面进行激光扫描,得到物体表面的三维几何数据, 即大量的点云数据以及影像数据。
３．３ 数据处理
三维激光扫描仪具有数据获取速度快、野外作业时间短、自动化程度高、操作方便等优点，但和扫描野外作业的优点相比，其内业数据的处理具有较大的工作量。扫描所获得的离散的点云数据并不能够真实准确地表达建筑物的整体模型,为了满足建筑物三维建模的需求,首先要对所获得的原始点云数据进行优化处理,包括数据配准、数据滤波和坐标系转换等。
本实验选用激光扫描仪附带软件RiSCAN PRO软件和建模软件PHIDIAS对数据进行相应处理。首先根据对已获取的原始扫描数据进行地物提取，因为在扫描物体时,由于遮挡等原因的影响,采集的数据不止是我们需要的数据,其中还包括很多我们不感兴趣的数据，要将地形数据与地物数据分离；然后再对建筑物数据进行去噪滤波处理，去除测量噪声、遮挡物（如树木等）的影响，得到建筑物整体信息；再通过基于平面特征的图像分割对建筑物进行识别，并根据建筑物自身特征，对连续扫描的激光测量断面进行整体匹配纠正，得到建筑物特征点和二维平面特征；之后，根据总体纠正信息对原始测量数据进行重新采样和计算，得反映建筑物表面几何特征的三维扫描坐标；最后对三维坐标进行建模。将其生成的模型文件集成到基于skyline开发的黄河流域三维地貌服务平台，建立真正意义上的黄河流域三维地物地貌服务平台，并与以防洪工程空间数据（主要包括：防洪工程、断面信息、行政区划、黄河及主要支流、公里桩、主要公路、铁路、桥梁及其它具有地标作用的重要地物信息等）和属性数据（主要包括：堤防、河道整治、水闸、跨河工程、附属设施、生物工程等的基本情况）为核心的防洪工程维护管理系统进行集成，最终建成基于黄河流域三维地物地貌的防洪工程维护管理系统。
4 结束语
三维激光扫描建模技术解决了传统建模手段在防洪工程建模中作业效率低、数据质量不高和处理过程复杂等问题,利用三维激光扫描建模技术, 提高了数据的采集效率, 保证了数据质量, 降低了数据处理的复杂程度。通过三维激光成像技术，可真实还原黄河各类防洪工程建筑物的三维模型，建立了真正意义上的基于三维地物地貌的黄河防洪工程维护管理系统，不仅能够对各类工程的属性信息可视化查询，还可以对工程进行精确量测，结合三维地貌平台应用于黄河防洪工程的维护管理、黄河防汛、水文分析等业务领域，为防汛决策、工程维护管理等提供全面、及时、准确的信息服务和技术支持。
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