一种基于点云数据的堰塞湖引流道设计方法与流程

本发明涉及堰塞湖处置技术领域，特别涉及一种基于点云数据的堰塞湖引流道设计方法。

背景技术：

堰塞湖是由于滑坡、崩塌、泥石流等堵塞天然河道进而蓄水形成的湖泊。堰塞湖坝体结构天然形成，其稳定性难以判断，而一旦溃决，堰塞湖中水体快速下泄，容易在下游引发洪涝、泥石流等次生灾害，造成下游严重的人员及财产损失。因此，对于危险性较大的堰塞湖，为排除堰塞湖溃决对下游的危害，降低堰塞湖溃决风险。必须要采取一定的人工措施，对堰塞湖进行处理以达到排险的目的。

堰塞湖主要类型是滑坡型堰塞湖和崩塌型堰塞湖，其物质组成有的以大块石为主，有的以碎石土体为主。针对坝体为以上物质组成的堰塞湖，开渠引流泄水是一种行之有效的除险方法。

传统的引流道设计方法是根据航测或者雷达遥感等方式得到的地形图，结合现场踏勘，在图纸上或电脑中草绘出引流道。但是存着以下缺陷：

1、工作量大：需要航测得到地形图，然后在得到的地形图上设计绘制引流道，需要反复修改，反复计算泄流能力及开挖量。

2、误差大：采用航测或者雷达遥感测的的地形数据，精度为米级，相对三维激光扫描误差大很多；引流道设计是在图纸或者电脑上草绘出来，同样精度不高。

3、自动化程度低：传统引流道设计全过程需要人工操作，费时费工，在实际堰塞湖应急抢险工作中，时间紧迫，需要快速高效的做出引流道的设计。

4、直观性差：传统的引流道设计为平面二维设计，但引流道本身是一个三维结构，二维的图纸相对来说直观性较差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于点云数据的堰塞湖引流道设计方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于点云数据的堰塞湖引流道设计方法，包括以下步骤：

步骤1：用三维激光扫描仪分多站扫描获取整个堰塞坝的空间信息，得到堰塞坝及其所处环境的点云数据；

步骤2：将扫描得到的三维点云导入到点云处理软件中，通过点云拼接将各站扫描点云拼合成一副完整的堰塞坝三维模型，并通过坐标转换将堰塞坝三维点云模型转换成大地坐标；

步骤3：利用数字高程分析处理软件，使用d8算法自动搜寻堰塞湖坝体地势相对较低位置，提取堰塞坝坝体从上游到下游的最低沟槽；

步骤4：根据提取的最低沟槽，使用分段线性插值曲线对最低沟槽进行拟合，得到的插值曲线作为设计引流道的轴线；

步骤5：根据三维激光扫描的点云数据，自动识别出堰塞坝表面块体的粒径大小；

当识别出的粒径较小，坝体材料主要是碎石及土颗粒时，创建引流道为宽坦型；

当识别出的粒径较大，坝体材料主要为大块石时，创建引流道为窄陡型；

步骤6：在以上梯形断面引流道基础上，进一步在引流道底创建一三角形断面，其中，三角形断面上顶宽为梯形断面底宽二分之一，高为上顶宽的二分之一至三分之一，形成复式三角形的横断面槽型；

步骤7：根据创建出的复式三角形断面引流道，自动计算出引流道的泄流能力及开挖方量。

进一步地，步骤5中宽坦型引流道需输入引流道进口高程、底宽、各分段长度及纵断面比降，根据引流道轴线，生成变坡宽坦型引流道。

进一步地，步骤5中窄陡型引流道需输入引流道的进口高程，底宽，边坡坡度，纵断面比降，生成单比降窄陡型引流道。

进一步地，步骤6中的三角形断面上顶宽为梯形断面底宽二分之一，高为上顶宽的二分之一至三分之一，形成复式三角形的横断面槽型。

与现有技术相比本发明的优点在于：

1、工作量小：不用传统人工设计，本发明实现堰塞湖应急抢险引流道设计的计算机处理，泄流能力和开挖量也是计算机自动得出结果。

2、误差小：三维激光扫描的精确度可以到达每100m的测距仅1mm的误差，这样获取的地形数据精度高，设计的引流道更精确，同时在泄流能力计算和开挖量计算上更加准确。

3、效率高：软件自动完成识别设计的全过程，只需将点云导入到点云处理软件中，设定相应的参数即可得到设计要求的引流道。

4、直观性好：设计展示可直观显示为三维立体结构，同时也可以兼顾工程施工的二维图纸需要。

附图说明

图1为本发明实施例三维扫描点云示意图；

图2为本发明实施例堰塞坝三维模型图；

图3为本发明实施例最低沟槽线；

图4为本发明实施例分段线性插值曲线；

图5为本发明实施例复式三角形引流道俯视图；

图6为本发明实施例复式三角形引流道断面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。

一种基于点云数据的堰塞湖引流道设计方法，运用在云南省昭通市红石岩堰塞湖应急抢险引流道设计中，包括以下步骤：

步骤1：用三维激光扫描仪分多次扫描红石岩堰塞湖坝体及两岸山体，获取堰塞坝三维点云数据。

步骤2：将获取的点云导入到点云处理程序中，通过点云拼接将各站扫描点云拼合成一幅完整的堰塞坝表面三维点云模型，如图1，通过坐标转换将堰塞坝三维点云模型转换成大地坐标，建立堰塞坝三维模型，如图2。

步骤3：利用数字高程分析处理软件，使用d8算法提取堰塞坝表面从上游到下游的最低沟槽，如图3。

步骤4：使用分段线性插值曲线对最低沟槽线进行拟合，得到分段线性插值曲线为引流道轴线，拟合线段共三段，第一段长256.55m，第二段长229.79m，第三段长399.92m，如图4.

步骤5：根据三维激光扫描的点云数据，识别出堰塞坝表面块体的粒径较小，坝体材料主要是碎石及土颗粒时，设计引流道为宽坦型，输入引流道进口高程1185.27m、底宽10m、边坡坡度1:1.5，从上游到下游共三段，比降分别为3％，12％，8％，根据引流道轴线，生成变坡宽坦型引流道。

步骤6：在以上梯形断面引流道基础上，进一步在引流道底设计一三角形断面，其中，三角形断面上顶宽为梯形断面底宽二分之一5m，高为3m，形成复式三角形的横断面槽型，如图5、图6。

步骤7：根据生成的复式三角形断面引流道，计算出泄流能力为2730m3/s，开挖方量为578000m3。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于点云数据的堰塞湖引流道设计方法，包括以下步骤：1：得到堰塞坝及其所处环境的点云数据；2：将堰塞坝三维点云模型转换成大地坐标；3：提取堰塞坝坝体的最低沟槽；4：插值曲线作为设计引流道的轴线；5：识别堰塞坝表面块体的粒径大小；创建引流道类型；6：创建复式三角形断面；步骤7：计算出引流道的泄流能力及开挖方量。本发明的优点在于：更加智能，不用人工设计；误差小、效率高、直观性好。

技术研发人员：杨兴国;周家文;徐昊;李海波;廖海梅
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2018.04.03
技术公布日：2018.12.07