韩 艳 历从实 皇甫泽华 王四巍

（1 河南省水利第一工程局；2 河南省前坪水库建设管理局；3 华北水利水电大学）

0 引言

随着我国综合国力的提高，水利工程建设技术也日新月异、蓬勃发展，超百米级高坝层出不穷，水利水电枢纽工程的规模也在不断扩大，施工过程中遇到的问题也逐渐加剧，特别是高陡工程边坡，给工程测量和地质调查带来诸多困难。例如在深切峡谷地貌地形中，高陡边坡地质、地形，采用传统接触式、单点测量岩体产状和工程量，效力低、耗时长。三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”，可以远距离、短时间、高精度地获得目标表面的特征点，通过对扫描获取的数据进行解析分析，进而可快速、方便、准确地建立静态物体的线、面、体各种制图数据及空间3D 模型和等高线图，并可通过获取出露岩石表面产状要素，对岩石结构面的产状等地质特征进行识别。

近年来，国内不同建设领域专家和学者对不同平台下的三维激光扫描技术在矿山、公路、港口、林业等行业进行了应用和研究。但是，关于水利工程高陡边坡的测量和计量尚未有公开报道，由于水利工程具有典型行业特色，文章开展了三维激光扫描技术在水利工程高陡边坡的应用研究。前坪水库工程右坝肩边坡高陡，平均坡度70°以上，局部反倾，原始地形基岩裸露，无植被，开挖高度近百米，常规的原始地形测量方法，测量人员无法达到高陡的岩体表面，且危险性大，测量效率低，精度差。

1 三维激光扫描技术简介

1.1 基本原理

通过激光器发射红外线光束，然后光束到旋转式镜头的中心，激光接触到物体后，光束沿着相同的路径，反射回扫描仪接收器，红外线之轨迹和时间等参数便得以测量，进而测出与物体之间的距离。然后用编码器测量激光扫描仪的水平旋转角度与透镜的旋转角度，便可测得每一个点的三维坐标值x，y，z。

1.2 所用扫描仪简介

测量采用美国公司FAROFocus3DX330 三维激光扫描仪，它具有高速和超长距离扫描的特点。它适应于对复杂地貌地形、坑道隧道、不易靠近的结构复杂的构筑物进行测量，可广泛应用于隧道、矿山、公路、水利工程、文物测绘等领域。它拥有以下特点：

扫描仪的视场角为360×300，几乎没有限制，能真正的实现和达到“所见即所得”的效果；它具有集成式GPS接收器和分辨率达到7 000万像素的内置相机，能够使每一次扫描的数据与后处理程序相互关联，数据后处理起来更加方便和快捷；体积小，重量轻，只有5.20 kg，方便携带；触屏操作，连续扫描时间可达4.50 h，扫描点速最快达976 000 点/s；能达到测量级的点位精度，模型表面的精度±2 mm/10 m（90%）。

2 三维激光扫描仪测量方法

2.1 测量准备工作

扫描测量前，详细踏勘和了解周边地形地貌等条件；架机点要架在稳固安全地带，防止翻落，以保证扫描到物体完整的三维数据；避免在阴雨和高温天气情况下工作；扫描时，不在同一条直线上的目标点，最少布置三个。为保证点云数据的精准拼接和不同坐标的转换，在两次相邻扫描数据中，至少应有3个重合点。

2.2 扫描测量

根据前坪水库大坝右岸边坡现场地质地貌，为最大限度获取数据点，在整个右岸边坡沿河床从下游到上游共布置了14 个测点站，在坡体公路上设置2 个测点站。扫描点云数据采用SCENE 程序预处理，点云的拼接对齐在SCENE 中完成。拼接、对齐后，得到前坪水库右岸边坡点云数据，如图1 所示。

图1 测试点云图

2.3 三维点云数据处理

在扫描获取对象的点云数据时，不可避免含有噪点，包括地表植物、树木和覆盖物等，因此需要对点云去噪，如图2 所示。测试点云中包含的部分噪点，去噪后点云图如图3所示。

2.4 不同坐标系转换

扫描后对点云图像进行剪辑拼接，首次剪辑拼接的图像，仅是物体以第一幅点云图为参考系的空间模型，要使整个三维模型具有工程研究意义，还要利用仪器自带的差分GPS接收器或者全站仪将三维模型转换到大地坐标系或工程坐标系中。为提高坐标转换精度，在控制点选取时要尽量的多和准。在扫描中，对5 个坐标控制点的点云数据进行了坐标变换，转换精度分析见表1。由表1可知，5个控制点的三维坐标值误差最大量值为1.20×10-2m，经5个坐标点综合控制校正点云图像后，在水平坐标转换精度上达到了4.00×10-3m，高程坐标转换精度达到1.20×10-2m，该精度可满足工程计量和岩体结构调查的要求。

图2 点云噪点图

图3 拼接去噪后的点云图

表1 控制坐标转换精度表

2.4 转换成等高线图

将去噪处理后的扫描点云图用系统自带软件生成等高线图，如图4所示。白线为等高线，绿线为开挖界线。

3 工程量计算

3.1 计算原理

计算基于扫描处理后生成的等高线、开挖线、和开挖边坡进行计算。计算参考图5，需要计算开挖体积C，但C的体积不容易计算，需要算出总体积A，再算出B，进而得到开挖体积C的体积。

图4 生成的等高线图

图5 计算原理示意图

3.2 计算步骤

3.2.1 第一步：计算总体积A的体积

计算的范围为桩号0+740～0+818段。在已知的等高线上按坐标画出开挖的范围，然后只保留开挖界线以内的等高线，其他全删掉，如图6。

图6 开挖界内的等高线图

将开挖开口线垂直引向地面，与设计高程面相交，再把新的等高线处理并且连起来，这样由垂直面、设计高程水平面和等高线所围成的体积就是总体积A的方量。

现在计算A，在CAD中记录每一层等高线的面积如表2。

表2 每层等高线面积及体积一览表

等高线之间的高程距离为2 m，每段等高线的面积已知，可以用体积微分的方法，把面积叠加起来可以估算出总体积A的体积。

由表2知，求得总体积A的方量为688 222 m3。

3.2.2 第二步：计算B的体积

将开挖开口线垂直引向地面，与设计高程面相交，再将开挖坡比线连起来。由垂直面、设计高程水平面和开挖坡比线所围成的体积就是B体积的方量。设计开挖坡比是1：0.75，所形成B的体积比较规则。

经计算，B的体积为598 682 m3。

3.2.3 第三步：计算C的体积

用总体积A的体积减去B的体积得出C的体积。

C＝A-B＝688222—598682=89540 m3

得出开挖方量为89540 m3。

4 不同计算方法的对比

4.1 断面法计算方量

用断面法计算的方量见表3。

表3 右坝肩断面法石方开挖工程量计算表

由表3可知，计算方量为86 163.12 m3。与三维激光扫描法相比，工程量少3.77%。

4.2 台阶法计算方量

前坪水库右坝肩开挖从上到下共分17 层台阶进行开挖，每阶开挖高度约5 m，用台阶法计算的方量为91 500 m3。与三维激光扫描法相比，工程量多2.19%。

5 结 论

前坪水库在建设过程中，针对右坝肩高陡边坡测量时存在效率低下、人员无法靠近高陡的岩体表面、难以到达所需测量区域，且危险性大等问题，采用激光三维扫描技术，对岸坡进行三维扫描，然后对云点图进行去噪、坐标转换、等高线转换等处理，之后用等高线法进行计算，并与传统的断面法、台阶法计算结果进行比较。得出结论如下：一是采用激光三维扫描技术对高陡岸坡开挖进行测量计量，计算结果正确。该办法在高陡边坡及类似人工不能到达工作面的困难条件下进行测量具有安全、高效、精度高等优点。二是采用激光三维扫描技术对高陡岸坡开挖测量计量结果与采用断面法、台阶法计算结果基本吻合，可以作为工程计量的参考依据。