激光掃描處理技術(shù)及其在公路建設(shè)中的應(yīng)用

賀德陽

（佛山市公路局路橋管理所，廣東佛山528000）

激光掃描處理技術(shù)及其在公路建設(shè)中的應(yīng)用

賀德陽

（佛山市公路局路橋管理所，廣東佛山528000）

介紹了地面激光掃描技術(shù)處理中的若干關(guān)鍵技術(shù)要素，指出了相關(guān)技術(shù)的重要性和科技開發(fā)價(jià)值，還指出了在公路建設(shè)中采用地面激光掃描技術(shù)的價(jià)值和意義。

地面激光掃描；測(cè)量；圖形圖像處理；公路建設(shè)

激光掃描是隨著光機(jī)電一體化以及電子信息技術(shù)發(fā)展而發(fā)展起來的一項(xiàng)綜合技術(shù)，它主要借助于激光掃描設(shè)備來獲取物體表面的矢量數(shù)據(jù)。激光掃描俗稱“激光抄數(shù)”，它采用非接觸的光電測(cè)量原理，借助于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地采集、顯示和記錄三維數(shù)據(jù)，其結(jié)果可以輸出成CAD標(biāo)準(zhǔn)格式的文件，以產(chǎn)生數(shù)字化模型，為后續(xù)工程如三維的模型檢查、三維測(cè)量等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。激光掃描數(shù)據(jù)具有密度大、精度高的特點(diǎn)，自問世以來就被廣泛應(yīng)用于各種測(cè)量領(lǐng)域。譬如，文獻(xiàn)［1-8］分別探討的道路測(cè)量、土地測(cè)量、隧道安全監(jiān)測(cè)、距離測(cè)量、高層建筑監(jiān)測(cè)、棧橋支架監(jiān)測(cè)等。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)：2016—2022年全球及中國激光掃描器行業(yè)發(fā)展研究分析與發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)報(bào)告，目前該技術(shù)已經(jīng)形成數(shù)字國土等諸多領(lǐng)域的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)鏈。

資料顯示，佛山市自2010年以來，開展了地面激光掃描技術(shù)在城市應(yīng)急系統(tǒng)中的應(yīng)用研究與開發(fā)（禪城區(qū)科技專項(xiàng)2010C012）。筆者所在單位也開展了該技術(shù)在道路建設(shè)中的應(yīng)用探索，本文是筆者在課題研究中對(duì)一些核心技術(shù)開發(fā)的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)介紹。

1 地面激光掃描用于道路建設(shè)的核心技術(shù)

地面景觀，是指地面人眼可見的物質(zhì)總稱。建筑物、花草樹木、車輛等都屬于地面景觀。本文所述核心技術(shù)主要指借助于地面激光掃描設(shè)備獲取地面景觀的表面數(shù)據(jù)，再通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)快速場(chǎng)景重建實(shí)現(xiàn)測(cè)量的技術(shù)，即地面激光掃描點(diǎn)云的可視化技術(shù)，亦即“基于激光掃描點(diǎn)云的快速場(chǎng)景重構(gòu)與建模”，與傳統(tǒng)基于街景圖片的景觀重建不同，地面激光掃描點(diǎn)云的可視化技術(shù)源于三維矢量數(shù)據(jù)，能夠更加精準(zhǔn)、真實(shí)地反映景觀的空間形體特征，（理論上）完全是對(duì)景觀的復(fù)制。以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是至關(guān)重要的核心技術(shù)。

（1）點(diǎn)云的分析處理。激光掃描儀能夠在瞬間獲取大量的全景矢量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常按照表1或表2所示的格式存儲(chǔ)在文件中。

表1 點(diǎn)云以坐標(biāo)＋RGB的存儲(chǔ)格化

表2 點(diǎn)云以坐標(biāo)＋灰度值的存儲(chǔ)格化

表1、2中數(shù)據(jù)的坐標(biāo)值是相對(duì)測(cè)量前選定GPS定位基準(zhǔn)后的相對(duì)坐標(biāo)，這些數(shù)據(jù)就是矢量數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常龐大，通常以GB為單位評(píng)估。無論采用哪種存儲(chǔ)方式，要進(jìn)行場(chǎng)景恢復(fù)都需要預(yù)處理這些海量數(shù)據(jù)。目前有兩個(gè)方式處理這些數(shù)據(jù)：一是采用原創(chuàng)軟件開發(fā)，基于OpenGL等編程技術(shù)處理；二是采用國外專用軟件處理，例如美國軟件MicroStation有一個(gè)處理這些數(shù)據(jù)的插件。第1種處理方式涉及大地測(cè)量、計(jì)算機(jī)圖像處理、數(shù)據(jù)庫等交叉技術(shù)，目前我國學(xué)術(shù)界正在進(jìn)行研究但成果并不多見。企業(yè)主要采用第2種處理方法，即借助國外軟件恢復(fù)這些數(shù)據(jù)。圖1是筆者借助MicroStation恢復(fù)的佛山世紀(jì)蓮附近一個(gè)公路場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

圖1 公路場(chǎng)景原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)

（2）點(diǎn)云的特征提取。經(jīng)過軟件恢復(fù)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要匹配場(chǎng)景特征，否則無法把它與測(cè)量對(duì)象關(guān)聯(lián)。這個(gè)過程需要把激光點(diǎn)云中能夠描述物體特征的特征點(diǎn)提取出來，形成特征點(diǎn)集合。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的規(guī)模越來越大，直接處理這些大規(guī)模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是非常困難的。目前很多公司都采用人工的方法。尋找簡(jiǎn)單、有效、快速的提取點(diǎn)云特征的方法和技術(shù)是本領(lǐng)域的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，自動(dòng)匹配場(chǎng)景的問題，甚至是一個(gè)國際性的關(guān)注焦點(diǎn)，任何一點(diǎn)的進(jìn)步，都可大大提高工作效率。筆者也是采用人工識(shí)別的方式進(jìn)行特征處理。為方便后續(xù)處理，特征提取后還需要按照后續(xù)處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化。這個(gè)過程可采用國外軟件完成。圖2～4是某公路橋梁附近的點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其特征提取后的效果。圖2是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖3是經(jīng)特征提取標(biāo)定后的數(shù)據(jù)，圖4是網(wǎng)格化結(jié)果。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 標(biāo)定特征后的數(shù)據(jù)

圖4 網(wǎng)格化數(shù)據(jù)

（3）噪聲剔除與特征增加。所謂噪聲是掃描數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的非測(cè)量數(shù)據(jù)。例如，測(cè)量公路時(shí)出現(xiàn)了車輛而被掃描了，如圖5所示。

此外，因掃描角度致使一些特征被遮擋，此時(shí)需要除去噪聲或者增加特征（俗稱貼圖）。這也是一個(gè)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，目前基本靠人工完成。例如，圖6就是一副去除了噪音增加了特征的處理效果。

圖5 車輛闖入掃描場(chǎng)景

圖6 去噪貼圖后的場(chǎng)景三維圖

（4）點(diǎn)云的目標(biāo)建模。點(diǎn)云的目標(biāo)建模，本質(zhì)上是基于激光點(diǎn)云的三維重建技術(shù)，即幾何模型重建和模型可視化。模型重建階段涉及到三維全景模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡(jiǎn)化和紋理映射等，這是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的最核心工作。其結(jié)果是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)完全以三維真實(shí)圖形的方式顯示處理。該環(huán)節(jié)的處理過程涉及點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯、拼接與合并、數(shù)據(jù)點(diǎn)三維空間量測(cè)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，是一個(gè)技術(shù)非常強(qiáng)的工程。目前主要采用國外處理軟件如Lidar的點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行處理。為了達(dá)到逼真效果，技術(shù)人員往往會(huì)根據(jù)場(chǎng)景的二維照片進(jìn)行一些技術(shù)處理，比如增加一些特征標(biāo)識(shí)等等。例如，圖7是圖1的點(diǎn)云經(jīng)恢復(fù)后的效果。

圖7 三維場(chǎng)景恢復(fù)圖

2 地面激光掃描在公路建設(shè)的應(yīng)用

公路建設(shè)中存在諸多測(cè)量環(huán)節(jié)。隨著數(shù)字國土技術(shù)的發(fā)展及其需要，現(xiàn)在的公路數(shù)據(jù)不僅包含施工建設(shè)的基本土建數(shù)據(jù)，還包含相關(guān)的環(huán)境如標(biāo)志桿、信號(hào)燈等數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)測(cè)量和記錄方法無法滿足新的需求，國內(nèi)外很多部門都采用激光掃描測(cè)量，這種方式能完整保留道路兩側(cè)及其上空的景觀數(shù)據(jù)并且與其他部門實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，至少有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用。

（1）道路基本數(shù)據(jù)的測(cè)量與保存。激光掃描數(shù)據(jù)是對(duì)道路表面及其環(huán)境數(shù)據(jù)的真實(shí)記載。由于測(cè)量數(shù)據(jù)的精度可達(dá)到0.01 ms級(jí)別，數(shù)據(jù)可導(dǎo)入到各種CAD系統(tǒng)滿足相關(guān)的后續(xù)工程的分析與研究。例如，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高程分析、DLG分析、GIS分析等等。圖8即為源自激光點(diǎn)云的GIS分析結(jié)果。

圖8 源于點(diǎn)云的GIS數(shù)據(jù)

（2）道路微觀損壞的分析。由于激光掃描數(shù)據(jù)的高精度特征，國內(nèi)外都采用多次測(cè)量統(tǒng)一場(chǎng)景以獲取場(chǎng)景損壞數(shù)據(jù)，尤其是公路、隧道和橋梁的變形。這對(duì)防患于未然是十分重要的。

（3）公路周邊的環(huán)境分析。大范圍的激光掃描數(shù)據(jù)可提供公路關(guān)鍵點(diǎn)位周邊的環(huán)境數(shù)據(jù)，這對(duì)于分析點(diǎn)位環(huán)境是非常重要的。比如，可以通過分析DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)以及DLG數(shù)據(jù)，來判斷公路的安全性能。圖9是某路段1∶1萬的DEM數(shù)據(jù)圖。這在常規(guī)測(cè)量模式下是無法實(shí)現(xiàn)的。

圖9 1∶1萬DEM數(shù)據(jù)圖

3 結(jié)語

利用地面激光掃描技術(shù)進(jìn)行公路的測(cè)量和維護(hù)，是近年來國內(nèi)外興起的一個(gè)新措施。它不僅能夠提高效率，而且能夠獲得高精度高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。同時(shí)該技術(shù)的發(fā)展將推進(jìn)國內(nèi)在計(jì)算機(jī)應(yīng)用、道路建設(shè)等方面諸多新技術(shù)的發(fā)展和完善。

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【責(zé)任編輯：王桂珍 foshanwgzh@163.com】

Ground laser scanning technology and its application in highway construction

HE De-yang
（Road and Bridge Management Institute,Foshan Highway Bureau,Foshan 528000,China）

The paper introduces several key technical issues of ground laser scanning technology and points out its importance and value in technological developments.Also the paper demonstrates the value and meanings of the technologyin highwayconstruction.

ground laser scanning;measure;image and graphics process;highwayconstruction

U412

A

1008-0171（2017）03-0067-05

2016-12-11

賀德陽（1960-），男，廣東廣州人，佛山市公路局工程師。