三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用

胡寅銀

摘要：本文從三維激光掃描技術(shù)的概念出發(fā)，簡單闡述其工作原理，并結(jié)合實例對道路工程測繪中應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)的具體流程進行了說明，希望能對我國道路工程測繪效率的提高與傳統(tǒng)測繪方式中缺陷的完善有所幫助。

關(guān)鍵字：三維激光掃描技術(shù)；道路工程；測繪；應(yīng)用

引言

傳統(tǒng)道路工程測繪中往往存在著測繪效率低、測繪人員工作強度大、測繪人員測繪風(fēng)險較大的缺點。而地面三維激光掃描技術(shù)的引入不僅可以有效克服這些缺點，并實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境的深入掃描與三維數(shù)據(jù)的全面采集，因此，我們要加強對三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用研究，有效提高道路工程建設(shè)質(zhì)量。

1三維激光掃描技術(shù)概況

1.1三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)主要是通過激光掃描對目標的整體或局部進行高精度測量，以獲得目標的線、面、體、空間等三維數(shù)據(jù)，然后在計算機系統(tǒng)中重建目標的思維模型與數(shù)據(jù)。在目標數(shù)據(jù)的采樣中，采樣點分布可以稱作“點云”。

三維激光掃描核心技術(shù)是空間點陣掃描，主要是根據(jù)掃描儀器與目標的距離對采樣點的大小進行劃分。實際工作中，根據(jù)不同的對象以及精度要求，激光掃描一般分為遠、中、近三種距離，其中，中、遠距離常用于大型目標的測量，近距離則常用于小物體的精確建模。

1.2三維激光掃描原理

掃描儀、電源供應(yīng)系統(tǒng)和控制器是地面三維激光掃描系統(tǒng)的三個主要組成部分。其中，掃描儀在使用過程中應(yīng)用的是內(nèi)部獨立的坐標系統(tǒng)，以儀器為坐標原點O，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖1所示。在XOY平面及其垂直面各有一個反射鏡，在進行測量作業(yè)時可快速旋轉(zhuǎn)，使激光依次掃過被測區(qū)域，系統(tǒng)自動同步測量各激光脈沖的空間距離S、水平角α和天頂距θ。每個激光點的坐標按照極坐標原理有：

由于道路工程屬于大型帶狀結(jié)構(gòu)，加之三維激光掃描儀有限的激光射程只能測量到一定的長度，因此在實際工作中普遍需要用到多站測量。此時要通過布設(shè)標靶或者根據(jù)兩站間重合的特征點、特征面進行兩站之間的拼接最終形成測區(qū)的完整三維場景信息。

2道路工程中三維激光掃描作業(yè)流程

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1標靶與測量點的布置

道路工程在進行多站測量時，其實際的掃描測量距離往往是有限的，也因此造成各個激光掃描儀與掃描目標間夾角各不相同的情況，進而導(dǎo)致空間分辨率的差異，同時，其夾角越大分辨率越高。另外，在道路工程測量中，還受到山體的影響，存在激光不能通過障礙物的情況，因此測量一條道路需要設(shè)置很多的測站，而如何將各測站的數(shù)據(jù)連成一體，就需要標靶來完成，根據(jù)掃描儀的側(cè)成，在各相鄰測站的重合位置布設(shè)3個以上不規(guī)則圖形的標靶，供后續(xù)處理時點云拼接。

2.1.2確定采樣間隔與掃描作業(yè)

采樣點的間隔設(shè)置是在實際道路工程測量中應(yīng)用三維掃描技術(shù)的關(guān)鍵，間隔的過疏或過密都會嚴重影響到其測量精度，進而導(dǎo)致后期數(shù)據(jù)處理時誤差的產(chǎn)生。尤其是當采樣點設(shè)置過于密集時，其龐大的點云數(shù)據(jù)往往會大幅度提高數(shù)據(jù)傳輸、存儲以及處理的復(fù)雜程度，并造成測量效率的降低。通常情況下，若是道路前方無障礙，只要每個站點的測量距離在30-50米范圍內(nèi)，就能保證相鄰測站有一定的點云重疊部分；如果道路前方存在一些障礙，則可以適當縮短掃描的距離，直至完成整個道路測繪任務(wù)。

2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

2.2.1數(shù)據(jù)濾波

通常情況下，使用地面三維激光掃描儀收集到的數(shù)據(jù)中會包含樹木、車輛、行人等無用的非道路數(shù)據(jù)，進而造成龐大的數(shù)據(jù)處理量。因此，在進行數(shù)據(jù)處理時，首先要將無用的信息剔除，然后再對有用的信息進行分析。數(shù)據(jù)剔除的過程也叫做數(shù)據(jù)濾波，主要利用的是噪聲數(shù)據(jù)不連續(xù)、無規(guī)律、稀疏與雜亂的特點。

2.2.2點云拼接

從各個測點上掃描到的點云數(shù)據(jù)，需要通過標靶將這些數(shù)據(jù)拼接成連貫的數(shù)據(jù)，這個過程就叫做點云拼接，然后通過控制點構(gòu)建三維坐標，將拼接后的點云放入到三維坐標系中。圖2為某環(huán)城路數(shù)據(jù)處理后的部分點云圖。

2.2.3平面虛擬測量

點云數(shù)據(jù)有測量點的坐標點位組成，尚且不能形成有參考價值的信息，因此還需要結(jié)合使用CCD相機拍攝的圖像，通過計算機處理平臺，將拼接的點云數(shù)據(jù)與影像結(jié)合，將這些數(shù)據(jù)在實景中標識出來，表明高程點信息，形成所需的地形圖。

2.2.4建模，生成等高線以及縱橫斷面圖

經(jīng)過點云拼接以及虛擬測量后形成的數(shù)據(jù)是一種不規(guī)則的空間數(shù)據(jù)，需要我們對其進行優(yōu)化，即測繪得出的等高線繪制出具體的橫縱線平面圖。平面圖完成后就可以根據(jù)實際需求設(shè)置等高線的間距，然后根據(jù)道路設(shè)計的要求確定斷面的間距以及斷面的寬度，以形成任意縱橫斷面圖。

3三維激光掃描技術(shù)在測繪領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

三維激光掃描技術(shù)，雖然已經(jīng)在很多的領(lǐng)域體現(xiàn)出了非常好的作用，但是在我國的三維激光掃描技術(shù)未來發(fā)展中，主要還是需要朝著這樣的一些方面進行努力：一，三維激光掃描設(shè)備，必須要進行自主的研發(fā)，要真正能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化，尤其是關(guān)鍵技術(shù)的國產(chǎn)化；二，就是需要是實現(xiàn)更好地公用化，必須要更好地結(jié)合云處理技術(shù)；三，三維激光掃描技術(shù)的精度還能進一步的提高，三維激光掃描技術(shù)的掃描范圍能夠更廣；四，三維激光掃描技術(shù)，還能更好地結(jié)合影像技術(shù)，在獲得三維數(shù)據(jù)的同時，實現(xiàn)三維圖像的同步建立。所以說，三維激光掃描技術(shù)，在未來的應(yīng)用空間還很大，值得探索的地方還很多。

結(jié)束語

地面三維激光掃描技術(shù)與道路工程測繪的結(jié)合是技術(shù)上一項突破性的創(chuàng)新之舉，該技術(shù)不僅彌補了傳統(tǒng)道路測量的缺相，而且無論速度上還是數(shù)據(jù)準確程度上都有了革命性的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，有效減少了人力、物力的投入。并且該技術(shù)具有靈活高效的特點，對工程的選址以及數(shù)據(jù)的處理都大大減少了限制，因此，該技術(shù)的應(yīng)用勢必會帶動我國道路工程技術(shù)的發(fā)展，為道路建設(shè)作出更多的貢獻。

參考文獻

[1]楊喜明.三維激光掃描技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用探討[J].科技風(fēng)，2016，（19）：74.

[2]劉聰聰.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用[J].低碳世界，2017，（13）：138-139.

[4]唐鶴，韓峰，楊國林.三維激光掃描技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2016，33（02）：54-56+68.