地面激光扫描仪应用介绍

§11.5　地面激光扫描仪应用介绍

地面激光扫描仪除用于工程测量外，还可以用于结构检测、设施设备三维建模、三维尺寸量测、矿体测量和边坡变形监测等。

11.5.1　结构检测

在工业管理中，安全监测对于保障工厂安全生产起着极其重要的作用。工业测量对成果的精度要求很高，甚至比常规大地测量更苛刻，所谓差之毫厘，谬以千里!往往一两毫米的误差即可导致整个生产线的瘫痪。

以储油罐扫描为例，用传统测绘手段求取储油罐的沉陷和倾斜变化量，由于测绘仪器的精度受限，测量成果精度往往较差，导致安全评估结果可信度不高，影响储油罐的使用和调度。如果采用地面激光扫描仪，配合一等水准测量控制，一次扫描即可以采集获取地表变化、储油罐体沉陷和倾斜变化量，以此确定储油罐的沉陷和倾斜变化情况。综合历史长期测量结果，可以有效追踪储油罐罐体的变形情况和趋势，为储油罐的安全使用和调度提供精准、客观的评估依据，如图11-12和图11-13所示。

图11-12　基于激光扫描仪采集的储油罐罐体三维示意图

图11-13　储油罐罐体三维编辑截面分析示意图

11.5.2　设施设备三维建模

设施设备三维建模是采用地面激光扫描仪对不规则的设施设备进行三维扫描，结合CAD制图系统完善成熟的建模工具构建三维模型，导出生成标准的3ds模型文件格式，即可以在相应的三维可视化管理软件平台中进行后期开发应用。

以三维数字化变电所为例，研发变电所三维可视化决策支持系统，实现可视化地管理变电所设备信息等参数，对变电所的运行方案进行安全评估，开展变电所三维可视化仿真培训，这对于提高变电所管理水平具有重要的意义。

实现三维数字化变电所的前提条件，是构建变电所设施设备的高精度三维模型，这是其他建模手段都无法实现的。2006年，广西桂能信息工程有限公司采用LMS-Z420i型地面激光扫描仪对广西雷村变电所进行三维激光扫描，获取了高精度的三维激光数据和数码影像数据，用于建立该变电所数字三维模型。

该项目三维激光扫描的目标设备主要为220kV、110kV、10kV配电装置，包括高压断路器、隔离开关、CT、PT、避雷器、主变压器、补偿电容器、主控室保护屏、通信机房内的电气设备、建筑物相关的主控楼和10kV配电房等。结合实地勘测后进行扫描作业设计，在地面布设如图11-14所示的10个扫描站点，楼顶布设2个扫描站点，10kV配电室布站布设3个扫描站点，主控制室布设3个扫描站点。

图11-14　雷村变电所三维激光扫描站点布设示意图

扫描站点布设完毕后，即可以在各站点摆设地面激光扫描仪进行采集工作，通过多站点扫描后坐标拼接成统一坐标系，如图11-15所示。

图11-15　雷村变电所实际扫描站点示意图

图11-16显示了基于激光点云数据和数码影像数据的变电所设施设备三维建模工作过程截图，最终生成如图11-17所示的三维真实效果图。

图11-16　变电所设施设备三维建模

图11-17　变电所三维模型效果图

雷村变电所三维建模完成后，以变电所三维可视化仿真培训为例，建模成果以标准的3ds数据交换格式导入到仿真培训软件平台中，接受培训的人员犹如身临其境，对变电所所有的设施设备均可以实现信息查询、虚拟设备操作、异常效果表现及模拟故障处理等操作，大大提高了管理人员对变电所的管理水平，如图11-18所示。

图11-18　雷村变电所三维可视化培训操作系统界面

11.5.3　输电线相间间隔棒尺寸测量

由于地面激光扫描为非接触式测量，这对于一些人员不便于接近的地方进行三维测量成为可能。如广西桂能信息工程有限公司实施的国家电网张家口供电局500kV高压线相间距离量测项目，使用地面激光扫描仪在较短的时间内即完成了输电线相间扫描工作，为加工制作间隔棒提供精确尺寸依据。

2007年初华北地区因突降大雪而气温骤降，导致输向北京地区的500kV超高压线路电缆结冰，加之部分线路区域处于强风区，结冰的线路在强风作用下发生摇摆，当互相接近到一定的距离时就会产生放电现象，导致瞬间短路停电，给张家口和北京地区造成了极大的经济损失。技术人员若在如此复杂的天气条件下，上线测量输电线相间距离，其难度和作业效率是可想而之的。

前面的章节已讲到广西桂能信息工程有限公司采用LiteMapper—5600型机载激光雷达测量系统用于源霸500kV输电线路激光扫描。与机载激光雷达测量系统相比较，地面激光扫描仪具有更高的点云精度和影像分辨率。经检测，采用地面激光扫描仪采集的输电线上43处六分裂间隔棒组，间距精度高达±2cm。

在外业扫描作业时根据实际地形条件，在待测组间隔棒附近选好点，架设扫描仪器。考虑到500kV高压输电线距离地面的高度和组间隔棒的间距等问题，地面激光扫描仪架设时应遵循如下原则:

1.测站与待测物间须保证通视;

2.测站与待测物尽可能接近，以提高扫描精度。

因待测输电线路处于50m左右的高空，空中气流导致输电线产生肉眼难以观察到的摇动。为尽量减少气流影响，作业时采用粗扫描数据定位与局部高精度扫描相结合的方法进行。即以粗扫描方式确定扫描区域内全部可视物体的空间坐标，在此基础上对目标六分裂间隔棒组定位后进行高精度局部扫描。这样就有效地避免了因大范围高精度扫描采集的数据量过大问题，同时也因作业时间短而间接减少了扫描过程中因强风影响所产生的噪点。图11-19为野外工作现场一瞥。

图11-19　野外工作现场实景

在扫描时通过扫描控制软件设置相关参数，可以自动控制相机采集与扫描点云数据匹配的数码影像，通过软件定义相邻两张影像之间的重叠范围，确保其连续。这些影像数据可以用于激光点云RGB着色(见图11-20)、数据处理参考和后期辅助建模。

图11-20　扫描激光点云数据RGB着色效果

扫描获取的激光点云数据中，包含一些无关的冗余数据，如噪点等，因此在进行输电线相间距离量测前需先进行去噪处理，以确保量测结果的精度。

如图11-21所示为基于激光点云数据进行间隔棒矢量化。

图11-21　输电线相间间隔棒矢量化

矢量化工作完成后，即可以按序号生成如图11-22所示的加工图纸和如图11-23所示的安装示意图。

图11-22　间隔棒加工图纸

图11-23　间隔棒安装示意图

该项目为国内首次使用地面激光扫描仪对500kV超高压输电线路六分裂间隔棒间距进行非接触空间测距。应用实践表明，地面激光扫描仪具有高效率、高精度的优点，其非接触式快速空间测距方法值得在电力行业推广应用。

此外，基于激光点云数据可以构建高精度铁塔三维模型，可以用于三维电网GIS管理平台中，实现输电线路走廊设施设备三维可视化管理，如图11-24所示。

图11-24　基于激光点云铁塔三维建模

11.5.4　矿业测量

在矿业领域，地面激光扫描仪还可以用于矿体储量计算、废料装卸及处置测量、矿场勘测和发展分析、回收监控测量和矿区爆破前后的形貌变化分析等。图11-25为采用地面激光扫描仪对矿堆进行三维扫描后生成地表模型和等高线过程示意图。

图11-25　地面激光扫描仪用于矿堆扫描生成地表模型和等高线示意图

11.5.5　地形测量

在地形测量应用方面，2006年广西桂能信息工程有限公司采用LMS-Z420i型地面激光扫描仪对阳江核电站水库地形进行三维扫描，通过地面控制测量精确拼接各扫描数据成果，经分类处理后生成如图11-26、图11-27所示的水库库区高精度DEM和制作如图11-28大比例尺数字线划图。

图11-26　阳江核电站水库库区数字高程模型(DEM)

图11-27　阳江核电站水库库区电子沙盘

图11-28　基于地面激光扫描成果制作的数字线划图(DLG)

此外，地面激光扫描仪还可以用于木材储量分析、桥梁变形监测等方面。关于地面激光扫描仪更深入、更广泛的应用，还有待大家进一步深入尝试、挖掘和探索。