三維激光掃描技術在市政道路工程中的應用

王致民

（福建省121地質大隊，福建 龍巖364000)

1 三維激光掃描技術概述

現階段，三維激光掃描技術正呈現出快速發(fā)展的態(tài)勢，應用三維激光掃描技術可以有效將周圍較大面積內的數據信息進行有效采集，并將這些數據經過處理之后生成三維空間坐標數據，最后達成測量工作精準程度有效提升的目標。測角系統(tǒng)和高精度的激光測距系統(tǒng)是三維激光掃描系統(tǒng)的兩個主要組成部分。高精度的激光測距系統(tǒng)能夠以激光信號發(fā)射出去與信號反射回到測距系統(tǒng)中的這段時間作為依據，將被測物體和三維激光掃描儀之間的距離精準的計算出來，與此同時，測角系統(tǒng)能夠將每一個激光信號的縱向角和橫向角精準地記錄下來，最終再通過掃描控制系統(tǒng)將每一個激光信號反射點的三維坐標精準計算出來。三維激光掃描儀通過掃描所獲取到的數據是全離散的點，也就是點云。點云數據既囊括了X、Y、Z的值，也涵蓋了R、G、B的值，此外，還包含了反射強度的數值。下圖1是三維激光掃描儀的原理。

在應用三維激光掃描技術的過程中，為了測量點生成的三維坐標可以具備足夠的準確性，測量人員在開展工作時，首要環(huán)節(jié)就是將被測量點與測量工具之間的距離確定下來。此外，在實際進行測量時，相關人員應當明確一點內容：在測量同一個點時，所使用到的測量距離的手段不一樣，測量的準確程度自然存在差異?；诖?，負責測量的人員就應當對三維激光掃描技術的原理有一個系統(tǒng)的認知，從而在開展測量工作時能夠選擇一個最恰當的測距方式，這可以有效提升測量工作的精準程度。

2 三維激光掃描技術在市政道路工程中的應用

2.1 市政道路工程地形圖測繪

當前，市政道路工程地形測繪圖中，正在大范圍地應用三維激光掃描技術。通常情況下，由于交通條件復雜、車流量較大以及行人數量過多等因素的制約，市政道路工程的測繪工作在開展的過程中往往會存在一定的困難。雖然負責測繪的人員可以深入實地展開道路地形圖的測繪工作，但實際上，這項工作的開展會對測繪人員的人身安全帶來較大的威脅。在市政道路工程中應用三維激光掃描技術，就可以發(fā)揮出良好的作用，與傳統(tǒng)的測繪方式相比，該技術無須測繪人員進入到實地展開測繪，就可以實現市政道路地形的測量以及地形圖的繪制工作，并且效果甚佳。因此，應用三維激光掃描技術能夠降低測繪人員開展工作時的壓力，為他們的人身安全提供了保障，并且該項技術的應用還減少了投入到市場道路地形圖測繪工作中的人力資源，節(jié)約了人力成本。在市政道路工程中應用三維激光技術時，其主要需要經歷三個最基本的步驟，首先，獲取數據信息，這需要應用三維激光技術對相應的路段進行測量；其次，當獲取所需的信息后，還要對其進行系統(tǒng)的分析與處理；最后，提取具體的地物地貌，從而繪制出精準程度較高的道路地形圖。

2.2 市政道路工程等高線生成

在市政道路工程中應用三維激光掃描技術還能夠幫助其生成等高線。具體來說，應用該項技術能夠將一些不會產生太大影響的植被或者是建筑物等地表物體從原有的地形圖中去除，從而生成等高線。通常情況下，以往市政道路工程中等高線的生成一般是依靠人力手動去除或者是依靠相關設備自動去除無關緊要的地表物體，再完成地貌圖的繪制。之后，在計算數據的工作完成之后，將得到的數據上傳至處理單元中進行細致的分析與處理，重復多次地完成這些程序，就能夠構建出一個不規(guī)則的三角網，并以此為基礎完成等高線的生成。相比于這種等高線繪制的方法，應用三維激光掃描技術不僅有著更高的精準度，并且整體操作的步驟較少，因此，工作量更少，工作效率也顯著提升。此外，三維激光掃描技術生成的地形地貌圖更加清晰精準[1]。

2.3 市政道路工程變形監(jiān)測

市政道路工程的變形監(jiān)測中也可以應用三維激光掃描技術，該技術可以實現科學的市政道路三維數據模型的建立，同時還可以每隔一段時間就將需要測量的路段進行細致的掃描，最終得到相對全面的點云數據。再借助三維激光掃描儀的內部處理器，能夠將獲取到的點云數據信息導入到Geomagicstudio軟件中，利用這個軟件，就能夠建立起一個更加直觀的三維數據模型，從而實現采集、處理以及評估數據的高效化。在采集數據時，需要將三維激光掃描儀放在被監(jiān)測的市政道路附近的合理范圍內，最重要的是要避免測量的視野過于狹窄，這對于測量工作的精準程度會帶來不利的影響。

3 三維激光掃描技術在市政道路工程中的應用案例

3.1 工程概況

以某道路為例，對市政道路工程中應用三維激光掃描技術進行分析。該道路需要進行較大規(guī)模的返修，在返修之前，需要對其地形現有的狀況進行細致的測量，從而掌握該道路豎直方向和水平方向上的具體情況。該道路位于機場附近，所以交通狀況比較繁忙，并且周圍還分布著較多的市政附屬設施，這對于市政人員深入到實地進行測繪帶來了一定的挑戰(zhàn)，因此，采用傳統(tǒng)的人工測繪方式并不可行。一方面測繪工作可能要經歷較長的時間，另一方面，測繪人員的安全還面臨著一定的風險。因此，在經過商討之后，決定應用三維激光掃描儀來完成市政道路工程的測繪工作。

3.2 數據采集與處理

在該市政道路工程中，應用到的三維激光掃描儀是Leica（徠卡）公司生產的P40三維激光掃描儀，如圖2所示。該掃描儀具備較強的穩(wěn)定性，并且性能優(yōu)越，同時擁有HDR圖形技術、WFD波形數字化技術以及精準度極高的測距測角技術，并且，其測量的有效范圍能夠達到270m，因此，許多掃描任務都可以應用該掃描儀，并且能夠取得較好的效果。

在實際開展測量工作之前，控制點的布設要嚴格遵守相關的技術標準，并在控制點位置安置掃描儀，進而完成掃描工作。利用常規(guī)的控制測量手段能夠有效完成控制測量的工作，并在被測量的道路沿線設置控制點，該項工作的完成是利用水準儀以及GPS全球定位系統(tǒng)。在利用掃描儀掃描被測量的道路沿線時，可以在相鄰的測站之間布設公共靶標，這能夠在點云拼接中發(fā)揮作用。在掃描工作完成之后就可以將相關的數據信息導入到Cyclone軟件中進行處理，完成點云拼接和坐標系的轉換，并以里程樁號作為依據，將點云進行切片，從而獲得斷面圖像。最后，通過全站儀全面檢查斷面點高層以及地物點高層。

3.3 點云拼接與去噪

在點云拼接與去噪方面，應當沿著該道路的走向設置若干個測量站，再利用掃描儀進行掃描。與此同時，還要在測站之間設置三個以上的標靶，之后再合理利用提前設置好的控制點和測站之間的相同稱號的標靶，使所有的測站點云數據導入到該道路所在城市的坐標系中，就能夠獲得一份點云效果圖。通過對其進行分析可知，此次點云拼接存在的誤差僅為1.4cm，通過去噪之后，點云拼接效果會更優(yōu)良[2]。

3.4 斷面結果生成

斷面結果生成主要有兩種形式，第一，以點云成果為依據，提取斷面所需的坐標點，再借助專業(yè)軟件繪制斷面結果；第二，基于里程樁號，對點云進行切片，并將切片中涵蓋的數據信息進行明確，這種方式可以直接獲取到該道路的斷面結果。就實際結果的比較來看，第二種方法優(yōu)于第一種方法。

3.5 精度評定

該項工程中的精度評定主要是依靠全站儀采集其中的縱斷面點，再展開相應的精度評定工作。通過相關的計算可得，該道路在應用三維激光掃描技術進行測量時，對于地物檢查點平面的誤差有7.61cm，高程中存在的誤差為0.91cm，縱斷面高程中的誤差僅為0.78cm，這與相關的測量標準是相契合的。

4 結語

綜上所述，三維激光掃描技術精準程度高和更加便捷的優(yōu)勢，推動了市政道路工程各方面工作完成的高效化。為了使該技術在今后的發(fā)展中能夠發(fā)揮出更好的作用，相關的技術人員要在發(fā)展過程中加大研發(fā)的力度，對其進行不斷的優(yōu)化，使其能夠在市政道路工程中發(fā)揮更加良好的作用，推動市政建設工程的現代化發(fā)展。