RIEGL VZ－4000三维激光扫描仪在水利水电工程地形测绘中的应用*

徐 锐，康 慨，王陆军

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州贵阳 550002)

0 引言

三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)是一种全自动高精度立体扫描技术［1］。又称为“实景复制技术”，以其非接触、扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、全自动化复制环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标高精度三维数据，并实现三维可视化的重要手段。它极大地降低了测量成本，节约时间，使用方便。在水利工程建设的斜坡稳定性研究、高陡边坡地质调查、水利枢纽的地形地貌三维数据采集，输水、送电线路的选择、虚拟技术的逆向建模、交通、医疗、古建筑修复和保护工程、变形观测、森林和农业等众多领域得到了广泛应用［2－4］。本文重点介绍了奥地利RIEGL公司新推出的VZ－4000三维激光扫描仪，通过几个实验，分析其在水利水电工程中应用的优劣势以及应用前景。

1 RIEGL VZ－4000扫描仪简介

RIEGL VZ－4000作为新推出的VZ系列三维激光扫描仪，提供了优越的高达4 km的超长距离测量能力，并且延用了RIEGL其他扫描仪对人眼安全的一级激光。RIEGL V系列扫描仪基于独一无二的数字化回波和在线波形分析功能，实现超长测距能力。VZ－4000甚至可以在沙尘、雾天、雨天、雪天等能见度较低的情况下使用并进行多重目标回波的识别，在矿山等地形条件复杂、局部地方人员难以到达的困难环境下也可轻松使用。

高速、高分辨率三维激光扫描仪VZ－4000同时提供竖直60°，水平360°的广阔视场角范围。内置5 m像素的数码相机，可通过棱镜旋转获取覆盖整个视场，获取一定数量的高分辨率的全景照片，这些全景照片可与VZ－4000的测量成果相结合，创建三维数字模型，为地质以及岩土的调查提供相应的服务保障。

1.1 主要参数

RIEGL VZ－4000主要参数，如表1所示。

1.2 操作模式及拼接方法

RIEGL VZ－4000操作模式如下:

1)无需连接笔记本电脑，可通过集成的RiTouch软件及7″彩色触摸屏进行单机独立操作。

2)可与笔记本电脑以及其它移动设备通过WiFi连接，使用Web界面进行远距离遥控扫描操作。

3)通过笔记本电脑的有线或无线连接，利用RiSCAN PRO进行远程遥控扫描操作。

4)可通过第三方工具或者RIEGL的文档接口软件RiVlib等进行自定义操作。

RIEGL VZ－4000拼接方法，如表2所示。

表1 RIEGL VZ－4000主要参数Tab.1 Parameters of RIEGL VZ －4000

表2 RIEGL VZ－4000拼接方法Tab.2 Registration methods of RIEGL VZ －4000

2 实验分析

2.1 城市中实验

试验目的:为了验证RIEGL VZ－4000三维激光扫描仪的精度，对贵州省水利水电勘测设计研究院办公区进行试验，并与已有测图数据进行比较，分析其测图精度。

测区情况:该区域多为房屋、公共设施、小区绿化等建筑物。

数据处理:本次试验共架设了3个测站。其位置分布如图1所示。扫描三维图环视图如图2所示。

分别采用了单机拼接和控制点两种拼接方法进行对比，根据测量范围均匀选取一定数量的点进行误差统计分析，两种拼接误差统计分析，如图3所示。单站拼接方式统计点位中误差为0.045 m，反射片拼接方式统计点位中误差为0.052 m。试验表明，RIEGL VZ－4000三维激光扫描仪在城市测量中具有可靠的测量精度。

图1 设站位置分布图Fig.1 Station position distribution

图2 点云与全景照片结合Fig.2 Combination between point clouds and panoramic photos

图3 两种拼接方式误差统计分析图Fig.3 Error statistics diagram between two types of registration methods

2.2 龙里窄冲水库坝区地形图试验

试验目的:验证RIEGL VZ－4000自带的数据处理软件RiSCAN_PRO过滤植被功能效果及适用情况。

测区情况:地形较为陡峭，有陡崖，冲沟，斜坡等地形特征;植被覆盖上半部分较为茂盛，除了树林之外，其中低矮灌木分布也较为多;下半部分植被比较稀疏。另外，测区地物类型相对较少，测区无房屋，坎子也较少。

数据处理:主要针对该地区进行了植被过滤，等高线信息提取，也包括部分特殊地貌，如陡崖，沟、坎等的提取。

植被剔除方法:

1)根据测区植被茂密情况，对测区进行分区。

2)通过高程阈值，对点云进行切片处理，然后从侧面视角中提取最低点为地面点。

3)对于陡崖等特殊地物，可以通过地物反射率实现点云分类处理，然后单独处理。

测区点云数据如图4所示，植被过滤后生成的地形图如图5所示。根据试验结果，与实测地形图进行比对，发现本测区植被稀少地区过滤效果能够达到1∶500比例尺地形图精度要求，但是对于上半部分植被茂密地区，过滤植被后所生成的数据与已有成果有0.5 m～1 m左右的出入，一些比较特殊的地形如冲沟、陡岩等地物，受植被覆盖的影响，不能被正确提取。实际测量中还必须依靠传统测量方式进行补测。

图4 点云数据Fig.4 Point cloud data

图5 地形图Fig.5 Topographic map

2.3 花溪红岩水库坝区地形图试验

试验目的:野外地形图测绘地物提取。

测区情况:测区地形起伏变化较缓，植被覆盖相对较少，多为零散低矮的草本类植物以及少数低矮灌木。梯田、耕地分布较多，所以地貌特征提取中多为坎子的提取。

数据处理:本次实验在外业数据采集时，由于受地形条件限制，测站周围一半以上都是茂密树林，反射片布设困难，因此选择单机拼接方式，分别设立2个测站，并分别测量测站所在位置的大地坐标(RTK测量)。根据仪器自身所带的定向系统找到北方向(地磁北，单站测定北方向角度误差为±5°)，同时根据两个测站的“同北方向”进行拼接、转换为所需要的大地坐标。然后进行地貌特征提取，主要为坎子的提取。图6为测区所扫描的点云数据，图7为局部地物点云数据。

在数据处理过程中，从拼接的精度来看，不如城市测量中单机拼接效果理想，主要是由于测区多为树木、草地、耕地等较为复杂的地貌特征，在公共面选取时存在误差，降低了拼接精度。

另外在点云数据中提取地物时，利用仪器自带的RiSCAN_PRO软件提取效果不是很好，工作效率不高，并且很容易与实际情况有误差。目前普遍采用第三方软件，如KUBIT插件辅助，它能将所拍摄的照片叠加在点云数据上，从而提高画图精度。

根据这次试验总结分析得出，野外地形测量拼接应该尽量使用反射片拼接的方式，从而保证测量精度;对于地物的提取，为了提高工作效率和精度，需要借助第三方软件进行。

3 结束语

本文首先介绍了RIEGL VZ－4000三维激光扫描仪的基本功能及主要参数。为了验证其在地形测绘工作中的精度、过滤植被的能力、地物提取的精度和效率等，先后进行了3次试验。通过实验发现，RIEGL VZ－4000的扫描距离有很大增加，并且自带的数据处理软件对植被过滤的功能有所增强，在植被不是非常茂密的情况下，过滤效果可行。其劣势在于:

1)在地物提取方面，工作效率和精度还有待加强，需要借助第三方软件(例如KUBIT插件)，并且数据后处理相对复杂，内业处理时间增加。

2)在植被非常茂密地区测量精度不高，因此目前还不能完全取代传统测量方式［5］。但是这款三维扫描仪在植被不是非常茂密，受地形条件限制，观测距离比较远的工程中，具有比较可观的应用前景，能够大大降低野外工作时间，提高工作效率，降低工程成本;同时，如果需要进行三维可视化设计时，三维激光扫描仪拥有传统测量方式无法比拟的优势。

［1］纪勇，李孝雁.三维激光扫描技术在水利工程建设中的应用［J］.黄河水利职业技术学院学报，2008，20(1):23－25.

［2］张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望［J］.北京测绘，2011(1):39－42.

［3］臧克.基于Riegl三维激光扫描仪扫描数据的初步研究［J］.首都师范大学学报:自然科学版，2007，28(1):77－81.

［4］王建文，杜春梅.三维激光扫描系统的关键性技术研究［J］.计算机工程与设计，2010，31(5):1 089 －1 092.

［5］马利，谢孔振，白文斌，白建军.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用［J］.北京测绘，2011(2):48－51.