探析道路工程測(cè)繪中地面三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用研究

■王徐　曹暉

（臺(tái)州市椒江城建測(cè)繪隊(duì)　浙江　臺(tái)州　318000）

探析道路工程測(cè)繪中地面三維激光掃描技術(shù)的運(yùn)用研究

■王徐曹暉

（臺(tái)州市椒江城建測(cè)繪隊(duì)浙江臺(tái)州318000）

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)繪技術(shù)逐漸走向成熟，數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)發(fā)生了重大的變革，特別是在道路工程測(cè)繪中，地面三維激光掃描技術(shù)運(yùn)用廣泛，可以實(shí)現(xiàn)不限時(shí)間地點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，其輸出效果極大的方便了道路工程領(lǐng)域工作的推進(jìn)。將來(lái)該技術(shù)可以有更好的演變和發(fā)展，應(yīng)用范圍也會(huì)更加的廣闊。作為新的信息科學(xué)，測(cè)繪技術(shù)在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的多領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文詳細(xì)介紹了三維激光測(cè)繪技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用，以及與傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的區(qū)別，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)點(diǎn)云處理，進(jìn)行平面虛擬測(cè)量、DEM建模、等高線、縱橫斷面等模型生成的過(guò)程。

地面三維激光掃描技術(shù)道路工程測(cè)繪三維建模土方量計(jì)算

0　引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)測(cè)繪技術(shù)的不斷提高，地面三維測(cè)繪技術(shù)逐漸作為一種高科技技術(shù)應(yīng)用于道路測(cè)繪中去，通常在道路修建或維修過(guò)程中，以及對(duì)道路工程進(jìn)行復(fù)制、施工驗(yàn)收以及竣工驗(yàn)收的時(shí)候，會(huì)遇到道路道路有坑洼點(diǎn)、局部路面不平整以及關(guān)鍵路段里面有起伏的情況，在遇到以上情況時(shí)，一般會(huì)通過(guò)將路面密集點(diǎn)連接起來(lái)做成具體實(shí)地模型，將路面實(shí)際情況呈現(xiàn)出來(lái)。為簡(jiǎn)化復(fù)雜的程序，在路面測(cè)繪中，地面三維激光技術(shù)逐漸被運(yùn)用進(jìn)來(lái)，具有測(cè)量精密度高、密度均勻的優(yōu)點(diǎn)，可以在現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量被測(cè)物體，直接得到激光點(diǎn)覆蓋的物體表面具體三維坐標(biāo)和具體反射強(qiáng)度以及色彩信息。

1　三維激光掃描基本原理和應(yīng)用發(fā)展

1.1三維激光掃描基本原理

在進(jìn)行道路工程測(cè)量時(shí)，利用地面三維激光掃描技術(shù)，可不需要光源，在黑暗中就可以進(jìn)行測(cè)繪，這使得道路工程測(cè)繪更加方便。在使用地面三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行道路工程測(cè)繪時(shí)，激光信號(hào)會(huì)隨著掃描設(shè)備的二極管發(fā)射出，利用棱鏡直接射向測(cè)繪目標(biāo)，這樣射出的激光信號(hào)可以再接收返還。通過(guò)計(jì)算激光信號(hào)發(fā)射到返還所用的時(shí)間，得出發(fā)射點(diǎn)和被測(cè)點(diǎn)之間的實(shí)際距離，再通過(guò)不斷的變換測(cè)量的地點(diǎn)和位置，就可以得出被測(cè)工程的空間立體坐標(biāo)，這樣就可以全面的分析道路工程各個(gè)數(shù)據(jù)，更加簡(jiǎn)便，精確度更高。在實(shí)際應(yīng)用中，我們根據(jù)測(cè)繪方式，可以將地面三維激光掃描技術(shù)分為固定式激光掃描和移動(dòng)式激光掃描，其應(yīng)用原理各有不同。

圖1　三維坐標(biāo)系

①固定式激光掃描，主要利用電腦系統(tǒng)對(duì)掃描儀的控制原理，在實(shí)地測(cè)量時(shí)，對(duì)地形進(jìn)行拍攝，再將測(cè)繪對(duì)象進(jìn)行后期處理。固定式激光測(cè)量會(huì)對(duì)測(cè)量區(qū)進(jìn)行大范圍的掃描，不同于單個(gè)點(diǎn)的掃描，會(huì)形成大量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，具有測(cè)量范圍廣，精確度高的特點(diǎn)。

②移動(dòng)式激光掃描是以固定式激光掃描為基礎(chǔ)的，利用激光測(cè)量道路工程各方面的距離的原理，不斷采集和處理整個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，最終具體的測(cè)繪結(jié)果，再與激光測(cè)量結(jié)果進(jìn)行強(qiáng)度匹配，繪制出具體的三維模型(如圖1)。這種測(cè)繪方式靈活性更強(qiáng)，可以在移動(dòng)設(shè)備上對(duì)測(cè)繪位置進(jìn)行GPS定位。

1.2發(fā)展概覽及應(yīng)用發(fā)展

在道路施工中，三維激光掃描極大的方便了作業(yè)施工，給這一領(lǐng)域帶來(lái)了劇烈的變動(dòng)和影響，相對(duì)于一些傳統(tǒng)的測(cè)量方式，增色不少，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。應(yīng)用范圍廣，科學(xué)性強(qiáng)，融合多門學(xué)科，集合了機(jī)械、光譜、電信號(hào)等多種因素于一體，能快速獲得物品的空間位置，在實(shí)際工程中具有實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)的特點(diǎn)。以橫縱旋轉(zhuǎn)角度為參考條件，獲取到相對(duì)位置信息，再通過(guò)高頻激光照射物品，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到電腦中，就可以形成一幅影像圖。該技術(shù)不僅可以應(yīng)用于地面作業(yè)，還可用于高空，對(duì)于高層建筑的建造也有很大幫助。

1.3與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的區(qū)別

傳統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集顯得操作簡(jiǎn)單方便，GPS RTK與全站儀相結(jié)合，每次獲取單點(diǎn)目標(biāo)信息，易于上手，但測(cè)量速度慢、采點(diǎn)密度不夠，容易導(dǎo)致目標(biāo)點(diǎn)丟失，對(duì)于要求精度高、對(duì)地物地貌要求高的工程來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集顯得力不從心。但與傳統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)采集相比，地面三維激光掃描就更為精準(zhǔn)和方便，在利用激光測(cè)距原理下，對(duì)建筑物從水平和垂直兩個(gè)方面進(jìn)行全自動(dòng)高精度布進(jìn)式掃描測(cè)量，這樣在較短的時(shí)間內(nèi)獲得全面的、完整的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)的三維坐標(biāo)，高速、精確地記錄獲取信息，獲取景象的完整的三維空間位置。這些數(shù)據(jù)傳入電腦后，高密度的掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)有序地排列于三維的虛擬空間中，成為帶有坐標(biāo)的影像圖，即“點(diǎn)云”。這樣建筑物的三維坐標(biāo)就展現(xiàn)在人們面前，與傳統(tǒng)相比，更為方便快捷，更為精確。

2　道路工程測(cè)繪分析

尤其是在道路工程領(lǐng)域，會(huì)更多的應(yīng)用到測(cè)繪的思路和概念，與測(cè)繪技術(shù)密不可分，在通過(guò)將地質(zhì)理論與建設(shè)聯(lián)系緊密的現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)抽象，構(gòu)造流程化的推論，在長(zhǎng)期積累和觀察中，將摻雜著許多地質(zhì)勘探和相關(guān)試驗(yàn)等得來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)原封不動(dòng)的反射到地質(zhì)圖表中，具有高實(shí)戰(zhàn)性，參考價(jià)值高，可利用于一些施工部門的具體參考。在實(shí)際操作中，設(shè)計(jì)圖紙時(shí)要對(duì)需要規(guī)劃的線路以及兩個(gè)比例尺的使用都要進(jìn)行相對(duì)大制度的比較。作業(yè)路線確定好后，還要堅(jiān)持整理清楚各樁點(diǎn)斷面數(shù)據(jù)的選線原則，除此之外，還要全面了解道路施工周圍的地形信息，對(duì)于住戶拆遷量以及賠償情況也是要了解清楚的。對(duì)于測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用，除新規(guī)劃道路外，在道路維修以及車站選址、城市紅綠燈等，在維修測(cè)量時(shí)，除了既有的設(shè)定外，還要考慮道路護(hù)欄、標(biāo)志牌以及行車道相關(guān)車轍和尺寸等信息。在山區(qū)公路內(nèi)，地質(zhì)條件是現(xiàn)實(shí)存在的改動(dòng)難度較大的一個(gè)恒定不變的量。在修建公路時(shí)不得不面對(duì)的是對(duì)天然存在的地質(zhì)環(huán)境改造的問(wèn)題，為了保護(hù)環(huán)境，避免的產(chǎn)生不必要的破壞和隱患，在道路修建時(shí)，要考慮兩方面的原則：第一，要充分考慮建設(shè)中會(huì)帶來(lái)的生態(tài)破壞，和對(duì)山區(qū)產(chǎn)生的隱患；第二，做好一切規(guī)劃，盡可能的保證施工作業(yè)的順暢度，具體來(lái)說(shuō)，就是要了解地質(zhì)薄弱點(diǎn)，以及會(huì)在施工中誘發(fā)的災(zāi)害，尤其是在山區(qū)打隧道、填埋溝等，都是會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厣降禺a(chǎn)生很高的影響。在道路工程中，不良的后果往往是由于錯(cuò)誤的方法引起的，對(duì)地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致的破壞，很可能就會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，這樣不僅會(huì)導(dǎo)致工程的延誤，影響資金的回收和運(yùn)轉(zhuǎn)，還會(huì)給當(dāng)?shù)厣顜?lái)不利影響，潛在的危險(xiǎn)會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐纳詈徒?jīng)濟(jì)產(chǎn)生雙重?fù)p失。基于這些后果和影響，利用高效精確的三維掃描測(cè)繪技術(shù)對(duì)地形復(fù)雜的山區(qū)意義重大，在我國(guó)，山區(qū)面積光大，對(duì)于山區(qū)道路的修建是我國(guó)道路工程測(cè)繪的重要組成部分，對(duì)于我國(guó)道路修建意義重大。

3　道路工程測(cè)量過(guò)程中地面三維激光技術(shù)的具體應(yīng)用

3.1道路修建工程特點(diǎn)

不同于新修道路，在道路修建時(shí)，道路依然處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，車流量大、車速快，給道路工程測(cè)量帶來(lái)很大的不便，在測(cè)量時(shí)既要保證交通，還要保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，這就需要工作人員上路測(cè)試，不僅要穿行公路還要測(cè)量路面的眾多高程點(diǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)大，也不利于操作，工作量大，基于此，在工程修建中就會(huì)采用三維激光掃描儀來(lái)完成測(cè)繪工作。

3.2道路掃描

由于地面掃描儀自身高度在1.6—2.0cm左右，且主要架設(shè)于地面，所以在測(cè)量中，待測(cè)路面以及激光束不可能形成垂直狀態(tài)，所以在測(cè)量中一定要確保各表面掃描點(diǎn)具有較高的精度以及均勻的密度，以保證獲得的數(shù)字地面模型的精確度。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于儀器測(cè)量主要應(yīng)用的是一種極坐標(biāo)方式，類似于中心投影，所以從理論上說(shuō)，當(dāng)測(cè)量面激光束處于垂直狀態(tài)下，固定水平步進(jìn)以及垂直步進(jìn)就能夠獲得規(guī)則掃描格網(wǎng)，而當(dāng)測(cè)量面以及激光束處于斜交狀態(tài)，相同的設(shè)置就會(huì)使得掃描格網(wǎng)變形?；诖?，在路面掃描過(guò)程中，就會(huì)產(chǎn)生以下的問(wèn)題。

①點(diǎn)密度非常不均勻，表現(xiàn)在隨著距離的改變，密度差異性變化非常大，隨著儀器的接近，掃描點(diǎn)變得加密，

②外業(yè)時(shí)間延長(zhǎng)，脈沖式掃描速度相對(duì)較慢，同時(shí)伴隨掃描儀的接近或遠(yuǎn)離，會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)處與近處具體點(diǎn)密度相差非常大。

所以在實(shí)際操作中，要想提升作業(yè)效率，確保點(diǎn)密度和均勻度，可以利用距離控制法以及時(shí)間控制法對(duì)塊進(jìn)行劃分，采取分塊掃描的方式，從而保證掃描的準(zhǔn)確度，獲得你叫理想的測(cè)繪結(jié)果。

3.3確定具體掃描塊

合理的確定每站的具體掃描區(qū)域，有利于保證控制掃描密度的準(zhǔn)確性以及提升測(cè)量效率。在道路測(cè)量時(shí)，道路通常會(huì)有分道線，加之道路兩旁的路燈桿和隔離帶等設(shè)備之間的相對(duì)距離，都各有一定的規(guī)律，都是良好的參照標(biāo)志。在實(shí)際測(cè)量中，為不影響交通，方便測(cè)量分塊、架設(shè)以及轉(zhuǎn)站工作，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，一般情況下，會(huì)將儀器架設(shè)于路邊花壇中以及主道兩側(cè)人行路。

4　總結(jié)

將三維激光掃描技術(shù)和道路測(cè)繪結(jié)合起來(lái)是一項(xiàng)突破性的創(chuàng)新，可以對(duì)地物進(jìn)行無(wú)接觸、高精度、高密度的測(cè)量，并準(zhǔn)確的繪制出測(cè)繪區(qū)域的三維模型，準(zhǔn)確的描述道路工程具體細(xì)節(jié)，給道路工程的設(shè)計(jì)以及復(fù)制工作提供非?？煽康木唧w資料。有效的提高了測(cè)繪效率，不但能快速的提取保存大量的數(shù)據(jù)，還能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)顆粒度的整合，對(duì)路面掃描測(cè)量具體控制方法進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而減少了對(duì)人力物力的消耗、減少了外業(yè)時(shí)間，從而保證了工作人員人身安全。本文通過(guò)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的測(cè)繪原理進(jìn)行闡述，研究了應(yīng)用在道路工程領(lǐng)域中具體的測(cè)繪流程。

[1]汪燕麟,殷義程,施昆.地震災(zāi)區(qū)中地面三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用方法分析 [J].測(cè)繪通報(bào),2015,06:65-68.

[2]丁貴.地面三維激光掃描技術(shù)在文物測(cè)繪中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量，2015，03：9~11+6.

[3]趙平.數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)繪中的應(yīng)用分析 [J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2014，89（21）：837.

[4]馬利,謝孔振,白文斌,白建軍.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用 [J].北京測(cè)繪,2011,02:48-51.

[5]吳義正.地面三維激光掃描儀在建筑物立面測(cè)量中的應(yīng)用[J].浙江國(guó)土資源，2014，11：47~49.

[6]梅文勝,周燕芳,周俊.基于地面三維激光掃描的精細(xì)地形測(cè)繪 [J].測(cè)繪通報(bào), 2010,01:53-56.

[7]謝大東.數(shù)字化測(cè)繪技術(shù)在工程測(cè)量中的應(yīng)用探析 [J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2014，36（24）：136.

[8］ 閆利，崔晨風(fēng)，張毅.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于高精度斷面線生成的研究［J］.遙感應(yīng)用，2007(4):54～56.

P2[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-235-2