三維激光掃描技術(shù)在道路測(cè)繪中的應(yīng)用研究

薛廣杰 李春偉

【摘要】現(xiàn)階段，隨著道路工程領(lǐng)域的發(fā)展，城市高樓大廈不斷拔地而起。為了保證道路建設(shè)的安全性和可靠性，需要對(duì)道路物采取變形監(jiān)測(cè)措施，進(jìn)而掌握道路的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)。在道路變形監(jiān)測(cè)階段，出現(xiàn)了一種新型監(jiān)測(cè)技術(shù)，即三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)具有非接觸性、精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被逐漸推廣到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。該技術(shù)與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)相比，可以滿足道路變形監(jiān)測(cè)的精度要求。為此，文章分析了三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用，介紹了道路整體變形的監(jiān)測(cè)任務(wù)，論述了采用該技術(shù)在道路整體變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù);道路;變形監(jiān)測(cè)

1、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

1.1三維激光掃描技術(shù)系統(tǒng)原理

三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展涉及較多的應(yīng)用學(xué)科，具備較多的學(xué)科應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但是三維激光掃描技術(shù)的工作模式與傳統(tǒng)的工程測(cè)繪技術(shù)存在本質(zhì)的區(qū)別，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)高度重樣化采集，繼而獲取三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，以突出測(cè)量的精準(zhǔn)性。三維激光掃描技術(shù)的工作原理是借助內(nèi)部測(cè)量設(shè)備測(cè)量距離點(diǎn)，通過(guò)垂直方向和水平方面的觀測(cè)角度，確定測(cè)量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。除此之外，該設(shè)備可以依據(jù)測(cè)量點(diǎn)的能量差異，對(duì)顏色信息做出準(zhǔn)確的分析和判斷。測(cè)量點(diǎn)的計(jì)算公式：X=Scosαcosβ;Y=Scosαsinβ;Z=Ssinα。利用該技術(shù)，在測(cè)量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性方面，需要首先考慮設(shè)備與測(cè)量點(diǎn)之間的距離，另外，采用不同的測(cè)距方式對(duì)于相同測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)距的精度也是不同的。為此，需要根據(jù)三維激光掃描技術(shù)的系統(tǒng)原理，采取最佳的測(cè)距方式，繼而提高設(shè)備的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1.2三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在三維激光掃描技術(shù)數(shù)據(jù)采集方面，是通過(guò)采用直線數(shù)據(jù)采集的方式。并按照一定的次序關(guān)系。在掃描獲得云數(shù)據(jù)構(gòu)成像素點(diǎn)，該像素的排列方式是依據(jù)矩陣的方式依次排列，也就是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)矩陣的形狀特點(diǎn)。利用該技術(shù)不僅可以獲取目標(biāo)區(qū)域的信號(hào)，而且也可以獲取空間坐標(biāo)、顏色信息、激光反射強(qiáng)度信息等，進(jìn)而得到具體的掃描數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存是通過(guò)純文本TXT的格式進(jìn)行保存。應(yīng)用該技術(shù)在獲取空間數(shù)據(jù)時(shí)，具有立體化、數(shù)據(jù)量大、密度高等特點(diǎn)。最后，需要建立測(cè)繪點(diǎn)的三維數(shù)字模型，通過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理評(píng)估流程，方可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的作用。

2、道路整體變形的監(jiān)測(cè)

2.1道路整體變形的原因

目前，在道路施工階段，隨著道路高度的增加，以及人們后期的使用，會(huì)對(duì)道路的地基造成較大壓力，繼而使得地基以及周圍底層出現(xiàn)變形問(wèn)題。同時(shí)，道路也會(huì)由于自身的重力因素導(dǎo)致變形問(wèn)題。為此，在道路建設(shè)階段需要施工人員，對(duì)道路進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，進(jìn)而保證變形問(wèn)題在規(guī)定的范圍之內(nèi)。現(xiàn)階段，造成道路整體變形的因素較多，主要的原因?yàn)橐韵氯齻€(gè)方面：一是道路所處的自然環(huán)境以及地質(zhì)條件;二是道路自身的施工質(zhì)量問(wèn)題;三是道路施工方對(duì)道路的管理存在弊端。例如，在道路物周邊進(jìn)行深基坑的施工作業(yè)，也會(huì)造成道路出現(xiàn)變形等問(wèn)題。所有的道路變形問(wèn)題是相互關(guān)聯(lián)的，并貫穿于整個(gè)施工建設(shè)全過(guò)程。

2.2道路整體變形監(jiān)測(cè)的任務(wù)

在道路整體變形監(jiān)測(cè)中，需要首先明確監(jiān)測(cè)任務(wù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)力度，繼而在不同的觀測(cè)周期中得到數(shù)據(jù)的變化值。同時(shí)，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)變化，可以采用三維激光技術(shù)完成瞬時(shí)變化量的獲取。在道路施工階段，都會(huì)或多或少地發(fā)生形變。形變的變化區(qū)間在規(guī)定的范圍之內(nèi)，則說(shuō)明是正常的，但是一旦超出形變的規(guī)定范圍，就對(duì)道路造成影響，嚴(yán)重的情況下將會(huì)威脅人類的生命健康。為此，需要對(duì)道路進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，進(jìn)而掌握道路的變形規(guī)律，在道路發(fā)生形變之前，可以采取相應(yīng)的措施予以解決。

2.3道路整體變形監(jiān)測(cè)的方法

現(xiàn)如今，對(duì)道路整體變形監(jiān)測(cè)的應(yīng)用方法較多，而且在應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備上也會(huì)有所不同。目前，主要采用三種常見(jiàn)的監(jiān)測(cè)方法：一是使用全站儀設(shè)備的監(jiān)測(cè)方法;二是應(yīng)用全球定位技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法;三是三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法。對(duì)于三維激光掃描技術(shù)的監(jiān)測(cè)方法，具備點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量精度高的特點(diǎn)。該技術(shù)可以獲取空間數(shù)據(jù)，也可以獲取測(cè)量點(diǎn)的顏色信息。但是該技術(shù)的應(yīng)用也具有弊端，比如，采集的云數(shù)據(jù)是一個(gè)較大的數(shù)據(jù)集合，也就造成了數(shù)據(jù)處理的困難，同時(shí)在數(shù)據(jù)點(diǎn)的格式和坐標(biāo)值上各異，進(jìn)一步加大了數(shù)據(jù)處理的難度。

3、三維激光掃描技術(shù)在道路監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

在道路變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)時(shí)，可以構(gòu)建道路的三維數(shù)據(jù)模型，對(duì)整個(gè)道路進(jìn)行周期性掃描，繼而獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并借助設(shè)備內(nèi)部的處理器，導(dǎo)入Geomagicstudio內(nèi)，可以建立具體的三維數(shù)據(jù)模式，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)評(píng)估等一系列流程。在數(shù)據(jù)采集階段，勘測(cè)的道路周圍安裝三維激光技術(shù)設(shè)備，需要保證測(cè)量視野處于空曠的局面，并在道路的周圍建立六個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn);在數(shù)據(jù)處理方面，需要完成三個(gè)步驟：一是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接和糾正過(guò)程;二是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波過(guò)程;三是數(shù)據(jù)的縮減過(guò)程。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理階段，需要對(duì)多余的點(diǎn)進(jìn)行處理，主要采用人工的方式刪除多余的測(cè)量點(diǎn)。最后，需要分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差，依據(jù)誤差理論展開(kāi)探究。誤差包括儀器設(shè)備自身誤差、點(diǎn)云拼接產(chǎn)生的誤差等。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，通過(guò)使用三維激光掃描技術(shù)，可以建立相應(yīng)的道路模型，進(jìn)而監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息。具體的案例結(jié)果表明，三維激光掃描技術(shù)可以有效地解決道路監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)問(wèn)題，同時(shí)可以為道路材料應(yīng)力分析做出貢獻(xiàn)，滿足道路監(jiān)測(cè)的基本變形計(jì)算需求。由此可見(jiàn)，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，可以為道路變形監(jiān)測(cè)提供可靠數(shù)據(jù)，并為道路的穩(wěn)定性奠定基礎(chǔ)。

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