地面三維激光掃描技術在汽車試驗場路面采樣測量中的應用研究①

摘 要：結合應用實例利用地面三維激光掃描技術進行汽車試驗場路面采樣，生成高精度、高密度的斷面線，通過運用三維激光掃描儀進行點云數據的采集以及后期數據處理方案的研究，表明三維激光掃描技術方案能克服傳統(tǒng)測量方式缺點，保證測量數據質量，提高測量工作效率，為快速獲取路面斷面數據提供了一種全新的、可行、高效的測量技術手段，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：斷面 全站儀 GPS-RTK 地面三維激光掃描技術 點云

中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0024-02

某汽車公司為獲取中國的典型道路的路面狀況，需要針對其選定的路段進行路面采樣測量，提供路面任意方向間距為10 cm，精度為2 mm級的高精度斷面線，作為汽車試驗場內特殊道路設計的參考依據，選定的路段基本都是有破損、波浪起伏、車輛繁忙、橋頭跳車或是顛簸路等路況，路面狀況極不規(guī)則。不規(guī)則的路面狀況，高密度和高精度的成果要求，給測量工作帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

目前斷面測量技術中，應用最多比較成熟的技術是利用全站儀斷面測量和GPS-RTK斷面測量。全站儀和GPS-RTK技術簡單方便，生產效率也較高，在普通的工程測量中得到了廣泛的應用，但是它是單點測量，測量的精度和密度都不是很高。顯然應用這兩種常規(guī)的成熟技術是無法滿足汽車試驗場路面高精度斷面測量的要求，但隨著地面三維激光掃描儀的出現，使得利用地面三維激光掃描技術解決上述問題成為可能。

1 地面三維激光掃描技術特點

地面三維激光掃描儀是一種非接觸式主動測量系統(tǒng)，可進行大面積高密度空間三維數據的采集，具有點位測量精度高、采集空間點的密度大、速度快等特點，且其融合了激光反射強度和物體色彩等信息的三維激光影像數據，可對測量目標識別分析后，對采集得到的點云數據按照實際需求做進一步加工處理，生成滿足客戶需要的各種成果資料。地面三維激光掃描儀使測繪從傳統(tǒng)的單點采集數據變?yōu)槊芗?、連續(xù)的自動獲取數據，為我們獲取豐富的局部地面空間信息提NtunIbN8RFDoX3G1970lRA==供了一種全新的技術手段。地面三維激光掃描儀的這些特點，恰好可以使我們利用地面三維激光掃描技術，比較輕松的解決典型路段路面任意方向間距為10 cm，精度為2 mm級的高精度、高密度斷面線測量問題。

2 實驗情況

下面結合工程實例說明利用地面三維激光掃描技術獲取路面任意方向間距為10 cm，精度為2 mm級的高精度斷面線的過程。

2.1 外業(yè)數據采集

2.1.1 設備選取

Trimble GS200三維激光掃描儀用于路面三維坐標數據的采集，索佳SET4110無協(xié)作目標全站儀用于高精度測量特殊平面反射標志的三維坐標，供點云拼接時使用。

2.1.2 掃描分辨率的確定

由于掃描方向與路面不成垂直關系，在一個測站上的路面掃描必須分割成若干小塊，以保證每小塊的路面分辨率大致相同。同時由于是斜面掃描，分辨率不能直接設置為所要求的采樣間隔，需要對每塊測量區(qū)域按照公式r*H/S（H為儀器高，S為測量斜距，r為要求的采樣間隔）計算結果設置儀器的采樣間隔。

2.1.3 標靶與控制點布設

由于三維激光掃描儀的測程是有限的，一條道路的測量通常需要通過多站來完成，需要通過設置標靶，使不同測站的測量數據拼接到一起，因此需要在各個相鄰站重合的位置布設3個以上不規(guī)則圖形的標靶，以供點云拼接需要?？刂泣c的三維坐標采用免棱鏡全站儀布設。

2.1.4 路面及控制點掃描

根據Trimble GS200三維激光掃描儀主要技術指標，結合工程實際情況，將儀器安置于待掃描車道旁，儀器Y軸（掃描方向）盡量垂直于路面延伸方向。考慮到路面與掃描線之間垂直性很差，經測算，掃描儀每一測站左右方向路面掃描范圍確定為30～40 m，即每站掃描60～80 m長的路面。當路面掃描密度、精度要求較高的情況下，適當進行重復掃描。在兩個測站的掃描交接處路面兩側分別放置2個共4個特殊的球反射標志，球反射標志的空間位置呈不規(guī)則三邊形和四邊形，保證能有堅強的圖形進行拼接，并且做到本測站與下一測站都能與4個球反射標志通視。另外，保證相鄰測站間有一定的點云重疊區(qū)域，用于實現和保證測站間的掃描數據的準確拼接?？紤]到掃描儀垂直視角的受限，儀器安置盡量與待掃描車道保持足夠的距離，避免掃描死角，以減少工作量。當儀器只能安置在待掃描車道上的時候，儀器正前方死角區(qū)域則通過其它測站進行補掃。

2.2 內業(yè)數據處理

從點云到測繪成果的實現包括數據濾波、點云抽稀、點云拼接、DEM建模、縱橫斷面圖生成。

2.2.1 數據濾波、點云抽稀

在數據采集過程中，由于行人和車輛經過時的遮擋，周圍物體干擾等原因，產生了很多的錯誤數據，因此在建立路面模型前首先要剔出這些錯誤數據，使處理后的點云數據都是實際路面的測量數據和反射標志的數據。另外如果采集到的點云數據相對于工程本身過于密集，還可利用軟件對數據進行抽稀處理，從而提高計算機的處理效率。

3.2.2 點云拼接

經過路面掃描數據預處理和球反射標志處理后，就可以將在多站測量的路面點云數據，通過設置在測站重疊處不規(guī)則的靶標擬合拼接在一起。利用已經布設、測量過的控制點三維坐標，將拼接后的點云納入到我們所使用的坐標系中。

2.2.3 建立DEM模型，生成斷面線

在經過拼接后的完整三維路面數據基礎上，利用軟件三維建模功能，生成路面不規(guī)則三角網三維模型（TIN）。然后利用軟件中的縱、橫斷面工具，就可以在路面模型上根據需要（10 cm間隔）制作縱、橫斷面線。最后按行車方向設定樁號前進方向，將三維斷面線轉換成設計人員習慣使用的樁號+高程的二維數據。

值得注意的是通過掃描得到的點云數據量非常龐大，直接將整條路面生成路面模型在現階段的個人計算機平臺上并不現實，因此將需要將路面模型分段生成，再進行縱、橫斷面的制作，降低對設備的要求，提高作業(yè)的效率。

2.2.4 實驗成果圖（如圖1～4）

2.2.5 實驗結論

本次共對上海，重慶，北京三地12條路，3800 m長的路段設站58次，采樣約2億個點，成果中平均拼接精度僅為1.46 mm，平均點距僅有0.85 cm，在精度和密度上完全滿足設計對測量工作的要求，為該汽車公司復制中國典型道路的路面狀況，進行汽車試驗場內特殊道路的設計提供了參考依據。

由上可見，三維激光掃描技術，通過與現代經典測量技術的相互融合，已經成為一種全新的空間數據采集手段，豐富了現有的測量作業(yè)手段，并且作業(yè)速度快、數據信息量大、精度高、采集過程安全簡單、節(jié)省人力且具有強大的數據處理能力的特點，為測繪行業(yè)從傳統(tǒng)的“低效率、低精度、全野外”向“高效率、高精度、數字化”的方向邁進提供了技術保證和設備支撐。

3 結語

盡管地面三維激光掃描技術被譽為“繼GPS技術以后的又一次測繪技術的革命”，但在我國工程測量領域剛剛起步，其應用于常規(guī)性生產項目還缺少大量的實例支撐，因此缺乏相應的規(guī)范和標準，對數據規(guī)格、數據采集和后處理要求及成果精度評定辦法等也沒有相對統(tǒng)一的規(guī)定，同時也由于其高昂的設備價格，使許多的測繪生產單位望而卻步，限制了該技術在測繪領域的發(fā)展。但隨著測繪科學技術的進步，其相應的規(guī)范和標準會不斷出臺并完善，設備的性價比也會越來越高，相信該項技術和設備在常規(guī)測量生產中將具有廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻

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