三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用

楊朝興 劉韋華 謝梅秀

（江西省煤田地質(zhì)局測(cè)繪大隊(duì)，江西 南昌330001）

道路工程作為現(xiàn)代交通體系的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生產(chǎn)生活中扮演重要角色?？梢?，強(qiáng)化道路工程施工質(zhì)量的重要性。而道路工程測(cè)繪作為道路工程施工的基礎(chǔ)性工作，因道路工程施工行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法滿足現(xiàn)代道路工程測(cè)繪精度要求，使用現(xiàn)代高科技設(shè)備和技術(shù)提高道路工程測(cè)繪精度是測(cè)繪工作發(fā)展必然趨勢(shì)。三維激光掃描技術(shù)作為現(xiàn)代高科技測(cè)繪技術(shù)，廣泛應(yīng)用在道路工程測(cè)繪中，可進(jìn)一步提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精度，且可以對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行空間描述，從而有助于進(jìn)一步提高測(cè)量數(shù)據(jù)的參考價(jià)值，進(jìn)而有助于推動(dòng)道路工程測(cè)繪行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 三維激光掃描技術(shù)基本內(nèi)容概述

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用，通常以固定方式進(jìn)行。基于固定式的三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪，測(cè)量原理如同全站儀測(cè)量原理，運(yùn)用專業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)軟件，高精度控制掃描儀器，待掃描儀器獲取完整圖像之后，工作人員需對(duì)圖像展開針對(duì)性的綜合處理。需強(qiáng)調(diào)的是三維激光掃描技術(shù)并非用于工程項(xiàng)目某個(gè)點(diǎn)的掃描，而是用于工程項(xiàng)目某個(gè)范圍的掃描，且掃描獲取的數(shù)據(jù)主要以點(diǎn)位數(shù)據(jù)形式為主[1]?；诠潭ㄊ降娜S激光掃描技術(shù)測(cè)繪具有一定的優(yōu)勢(shì)，如測(cè)繪結(jié)果精度高、測(cè)繪范圍廣泛等。三維激光掃描技術(shù)的工作原理是激光測(cè)距，通俗來說就是在道路工程所處區(qū)域測(cè)量不同地方的距離，并在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，采集和整理各項(xiàng)測(cè)繪數(shù)據(jù)，以此獲取完整的道路工程測(cè)繪數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)技術(shù)工作人員通過建構(gòu)、編輯、修改等一系列操作，生成通用輸出格式的三維數(shù)字化模型[2]。如下圖1 所示，為三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪作業(yè)流程圖。

圖1 三維激光掃描技術(shù)測(cè)繪作業(yè)流程圖

值得注意的是，道路工程測(cè)繪中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，通常涉及掃描儀、電源、控制器，相比一般三維掃描方式，有顯著的區(qū)別，集中體現(xiàn)在道路工程測(cè)繪中掃描對(duì)象并非單一物體，而是一片區(qū)域[3]。因此，道路工程測(cè)繪中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，需構(gòu)建以掃描儀為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)體系，橫向面為X，垂直面為Y，與掃描面立面垂直的面是Z，以此對(duì)掃描位置進(jìn)行三維定位，且可以在整個(gè)掃描過程中，掃描儀可以快速、自主轉(zhuǎn)動(dòng)，具有掃描范圍廣、測(cè)繪數(shù)據(jù)精度高等優(yōu)勢(shì)[4]。

2 道路工程測(cè)繪中三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用分析

2.1 在數(shù)據(jù)采集當(dāng)中的應(yīng)用

基于道路工程測(cè)繪過程中，其數(shù)據(jù)采集一般會(huì)設(shè)置少量的測(cè)站，一方面省略原始海量數(shù)據(jù)量；另一方面確保測(cè)繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)[5]。在道路工程測(cè)繪過程總采集數(shù)據(jù)涉及：標(biāo)靶位置、掃描儀以及測(cè)站數(shù)等。并且，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)獲取過程中一般會(huì)實(shí)施同步操作方式，其目的是便于后續(xù)數(shù)據(jù)匹配工作高效完成?；诖?，掃描工作需遵循依次原則，確依據(jù)相關(guān)規(guī)定選擇對(duì)應(yīng)的采樣標(biāo)準(zhǔn)，具體技術(shù)方法如下：a.標(biāo)靶和控制點(diǎn)的測(cè)量及分布。數(shù)據(jù)采集期間，因?yàn)槿S激光掃描設(shè)備和被掃描物體會(huì)產(chǎn)生的夾角存在差異，使得其空間分辨率也存在差異，造成這類變化的主要原因在于掃描儀測(cè)距不同而造成。道路工程的測(cè)繪工作的完成，往往要設(shè)置多個(gè)測(cè)站，以此提高測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度。之所以如此，是因?yàn)閿?shù)據(jù)精度與掃描距離和點(diǎn)的精度息息相關(guān)，且測(cè)量工作中具有較大幾率受到其他障礙物的影響。所以，考慮到點(diǎn)云拼接的成功，需在相鄰測(cè)站的重合位置將三個(gè)或者以上的標(biāo)靶設(shè)置好，并依據(jù)掃描儀的測(cè)距，有機(jī)整合道路工程測(cè)繪數(shù)據(jù)。b.采樣的間隔掃描。采樣的間隔也要合理控制，原因在于間隔過大會(huì)直接影響后續(xù)數(shù)據(jù)處理，反之間隔過少，會(huì)采集到大量數(shù)據(jù)，給后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸和保存增加負(fù)擔(dān)?？梢?，科學(xué)合理設(shè)置采樣的間隔非常作用。一般，基于視力觀察條件良好狀態(tài)下，有必要確保相鄰的測(cè)站之間存在點(diǎn)云的重疊區(qū)域，并且測(cè)站掃描距離需控制在30-50cm 范圍內(nèi)；如在視力觀察條件缺乏的情況下，掃描對(duì)象測(cè)量工作要想高質(zhì)高效完成，唯有依據(jù)測(cè)量工作要求，選擇合適的位置設(shè)置一定數(shù)量的掃描站，并考慮適當(dāng)增加掃描站，以此保證測(cè)繪結(jié)果的有效性。

2.2 數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理過程中，往往要確保不同站點(diǎn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配度高，主要涉及：點(diǎn)石匹配、噪聲消除、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、圖像匹配等，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)構(gòu)模即定量分析，然后將增加于同一三維空間坐標(biāo)系內(nèi)，實(shí)踐操作中，常采取如下方式：a.借助GPS獲得道路工程中各個(gè)掃描點(diǎn)的具體坐標(biāo)，后導(dǎo)入獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即可在同步處理各項(xiàng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，獲得比較準(zhǔn)確的點(diǎn)云地理位置。噪音數(shù)據(jù)相比點(diǎn)云數(shù)據(jù)，最大的差異在便是缺乏規(guī)律，且主要表現(xiàn)為不連續(xù)、雜亂等特點(diǎn)。如車輛、樹木等一些無價(jià)值的道路測(cè)量數(shù)據(jù)，在此類數(shù)據(jù)剔除處理中，可緊緊圍繞噪音數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，將其及時(shí)刪除。并且，需對(duì)點(diǎn)云構(gòu)建目標(biāo)模型進(jìn)行分割出來，將其當(dāng)做道路工程特定區(qū)域的地理樣貌特征信息資料，進(jìn)一步選擇清晰的紋理圖像，和點(diǎn)石相匹配。b.三維激光掃描過程中，若連續(xù)獲取同樣的掃描目標(biāo)，要進(jìn)行數(shù)據(jù)抽隙處理，以此便于后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸、處理和存儲(chǔ)。之所以如此，是因?yàn)椴杉狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)量過多，必然會(huì)影響后續(xù)整理歸納。c.點(diǎn)云拼接。不同測(cè)站采集的數(shù)據(jù)都是一些不連續(xù)、重疊的獨(dú)立數(shù)據(jù)，唯有將各點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，后將其拼接完成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)放置在建立好的準(zhǔn)確性三維坐標(biāo)體系中。d.平面虛擬測(cè)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)在拼接處理之后，雖剔除了一些非地貌影響數(shù)據(jù)之后，但是與現(xiàn)實(shí)情況存在一定的差異性，無法保障其數(shù)據(jù)的真實(shí)性，從而無法保證數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值。之所以如此，是因?yàn)榈缆饭こ虦y(cè)繪過程中，若點(diǎn)位過于密集或者分布不均勻，必然會(huì)高線混亂，無法保障測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。而平面虛擬測(cè)量就是將點(diǎn)云拼接獲取的數(shù)據(jù)與CCD 相機(jī)拍攝的圖像有機(jī)結(jié)合起來，后在圖像當(dāng)中標(biāo)識(shí)各數(shù)據(jù)尺寸，標(biāo)明高程點(diǎn)信息，形成道路工程施工所需的地形圖。e.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)，若出現(xiàn)等高線不完整、變形等問題，可采取手動(dòng)方式進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的修復(fù)，期間可以結(jié)合影像資料或現(xiàn)場(chǎng)照片將高程做好標(biāo)記，在形成輪廓之后，進(jìn)行局部的修改處理。通常情況下，這種操作廣泛存在于道路工程所處區(qū)域地形圖編輯過程中，需對(duì)等高線的圖形和地面物體的圖形重疊進(jìn)行詳細(xì)編輯，以此剔除一些無價(jià)值的物體數(shù)據(jù)，以此保證地形圖的繪制質(zhì)量。

3 結(jié)論

總之，道路工程測(cè)繪中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，具有一系列優(yōu)勢(shì)，如測(cè)量數(shù)據(jù)精度高、測(cè)量工作效率高等。因此，道路工程測(cè)量中，需加大三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用力度，并在實(shí)踐中重視三維激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用的研究，以此不斷提高三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用價(jià)值，推動(dòng)我國道路工程測(cè)繪行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。