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三维激光扫描技术在水电站3D建模中的应用研究

来源:www.timetimetime.net 时间:2019-11-04 编辑:成长

1概述

随着3D地理信息管理系统在水利建设领域的深入研究,水库三维模型的建立已成为研究的热点和难点。传统的手工测量方法既费时又费力,并且检查工作困难。摄影测量方法可以快速获取测量区域的图像,但是仰角精度不高,并且由于拍摄高度的限制,较小尺寸目标的识别能力也受到限制。自3D激光扫描仪技术问世以来,它就以其高精度,高密度,实时和非接触特性而被广泛使用,以主动获取物体表面的3D信息。 3D激光扫描仪技术通常包括地面激光扫描仪,机载激光扫描仪和机载雷达。使用地面激光扫描仪技术,Kim等。高精度扫描预制钢部件的尺寸(长度,宽度和面积)。 Virtanen等。使用地面激光扫描仪技术快速数字化物体。 Wang使用激光扫描仪技术来实现不同地点的云的高精度匹配。刘秋龙等。使用地面激光扫描仪对汇泉变电站进行三维建模。为了完整,准确地建立储层的三维模型,地面激光扫描仪的精度和机载激光扫描仪的速度优势被用于结合机载激光扫描仪和雷达采集的数据。地面激光扫描仪,从而获得整个资料库。该地区的三维建筑是最快,最高效的方法之一。本文以河南宝泉电站为例,独立开发了如何利用车载激光扫描仪和地面激光扫描仪技术获取数据并快速建立电站的三维模型。

2宝泉抽水蓄能电站概述

宝泉抽水蓄能电站位于河南省辉县薄壁镇。电站的主要建筑物包括上下水库大坝,引水渠,地下电站系统和地面交换站。上水库位于宝泉水库围河左岸东沟,距宝泉村约1公里。引水渠的进/出口位于水库的左岸,距大坝的左坝约200m。下水库进出水口位于宝泉水库左岸,距宝泉水库大坝约1公里。上层水库水结构是混凝土面板堆石坝,下层水库是在渭河上修建的宝泉水库,但该坝已加高加固。坝顶高程268.0m,坝顶长度535.5m。左岸挡坝长277.0m,右岸坝段长197.5m。宝水抽水蓄能电站主洞直径6.5m,上游调压池前后段6.5m,船尾段直径4.5m,上库总库容为827万立方米。大米蓄电能力为620万立方米;下层水库总库容为6750万立方米,灌溉库容为3575万立方米,扩展库容为515万立方米。

3 3D激光扫描仪技术简介

3D激光扫描仪的数据采集过程是通过空间采样将连续的三维空间转换为离散的数据点云的过程。在数据采集过程中,旋转的激光头在水平面内连续旋转,而镜头在垂直平面内进行往复运动或旋转运动,以形成对激光束的空间扫描。激光头的角速度,旋转镜的角速度和激光脉冲的发射频率共同决定了空间扫描中模型的分辨率。考虑到地面激光扫描仪具有很高的测量精度,并且与车载激光扫描仪相比相对灵活,因此本研究使用车载激光扫描仪扫描水库周围的道路,以用于需要精细建模的目标(例如大坝) 。地面激光扫描仪进行扫描以获得数据。

3.1地面激光扫描仪

地面激光扫描仪是一种地面激光,可以有序,自动地测量给定目标的三维坐标。地面激光扫描仪会记录物体的距离,垂直角和水平角(d,\ * MERGEFORMAT)=,以及被测物体的反射信号。由于其相对较高的密度,高精度的点云采集技术,因此可用于扫描关键区域(例如大坝)。当一个站点获取的点云不能反映整个物体的整体图像时,需要进行多站点测量,并且需要在这些不同站点之间布置公共点,以实现不同站点数据的拼接和转换。通常有两种共同点:第一种是平面目标;第二种是平面目标。第二个是球形目标。其中,球形靶在从不同角度扫描时可确保准确的球形坐标,避免了在使用平面靶时入射角有时影响太大的问题。

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3.2车载激光扫描仪

车辆激光扫描仪也称为车辆移动测量系统,主要由激光扫描仪,全景相机,全球定位系统(GPS),惯性测量单元(IMU),里程表和后处理组成软件。该系统被安装在车辆上,以在车辆行驶期间在道路两侧和道路上获得三维信息。与地面激光扫描仪相比,其数据采集速度更快,更适合于道路等长距离扫描工作。由于系统的复杂性,车载激光扫描技术涉及GPS,惯性导航,陀螺仪,激光扫描头和全景相机的集成和同步。因此,数据采集的准确性较低,准确性不高。您可以充分利用其更快的扫描速度。地面激光扫描仪测量的光斑精度可以达到约5mm。由于组合系统的复杂性,车载激光扫描仪的精度约为40厘米。两者的结合一方面可以避免由于精度低而导致的模型偏差大,并且引入车载激光扫描仪可以有效地提高工作效率。

4 3D建模

4.1数据收集

3D激光扫描仪具有所见即所得的功能。通过收集大量的点云数据来显示对象的表面模型。车载3D激光扫描仪具有高速和高效的优点,但是难以收集道路不通行的区域的有效数据。地面激光扫描仪具有站台方便,测量范围长,精度高的优点。两者的合理结合可以大大提高工作效率。通过现场勘测,发现调查区交通状况良好。因此,使用车载设备来收集水库的总体框架信息,包括道路,护栏和护坡。未由车载设备收集的区域由地面设备补充。数据采集车辆设备使用GeoBIM-C300车辆移动测量系统,地面设备使用North Branch Sky UA-1345地面3D激光扫描仪。

4.2数据预处理

由于仪器本身,周围环境,被测物体的特性以及布图网络的影响,收集到的数据具有一定程度的误差和噪声干扰。因此,对采集到的数据进行噪声去除是预处理过程中的重要步骤之一。数据采集完成后,获得的数据如图3所示。首先,简单地预处理每个站数据,并删除冗余扫描点云。使用仪器支持软件SS-UCtrl_v2.0.1执行点云去噪。点提取,准备进行点云拼接。

4.3拼接与融合

3D激光扫描技术一直是不同测量点之间的拼接融合,一直是人们关注的重点和难点。针迹质量问题直接影响最终结果的准确性。传统的缝合方法有两种:

(1)公共点拼接,在两个站点中至少找到四个公共特征点进行注册,并将两个站点拼接在一起; (2)坐标转换,在野外采集中每个站采集的数据具有相对独立的空间笛卡尔坐标系。使用四个或更多已知的坐标控制点,可以将整个测站转换为坐标系。通过铺设覆盖整个测量区域的控制网络,可以通过控制点将所有测站转换为相同的坐标系。在下面,这也可以实现点云的拼接融合。但是,由于库区面积大,台数多,因此拼接公共点的方法很可能引起拼接误差的积累,影响最终结果的准确性。坐标转换方法需要大量的控制点坐标,这增加了现场工作量,无法保证精度。

该测试结合现场实际情况,结合了两种方法的优点,即根据地形,范围和其他因素在整个调查区域内划分为几个区域,并在每个区域内布置了四个控制点。通过公共点拼接方法将点云数据缝合在一起,然后通过坐标变换将点云传输到已知坐标的控制点坐标系,最后转换为相同的坐标系。在同一软件中加载和融合不同区域的点云,最终达到在整个测量区域融合点云的效果。

4.4建模

在点云数据的拼接较大后,将一定比例的细化引入Geomagic Studio后,对点云进行孤点删除,点云去噪,点云数量优化和封装等操作。优化打包的模型后,将其导入3DMax以进行纹理处理。对水工建筑进行3D建模,材料粘贴和特殊效果处理,以生成逼真的工程模型。最后,可以获得整个电站的全尺寸3D实模型。在大坝安全监测地理信息应用系统的开发中,可以直接查询和显示大坝安全监测结果。

5结论

在对大型建筑物(例如水电站)进行建模时,地面激光扫描仪技术和车载激光扫描仪技术的结合一方面可确保主要大坝数据建模的准确性,另一方面可确保大坝主体的建模快速。周边道路的信息化,两者的结合促进了优势和避免了劣势,有效地提高了数据收集速度和数据处理效率。该方法适用于需要将粗略建模和精细建模相结合的水库,变电站,桥梁,工业厂房等的区域。下一步将集中在通过某种算法集成机载和地面点云数据上。

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