三維激光掃描技術在道路工程斷面測量中的應用

陽楊

【關鍵詞】三維激光掃描;高速公路;斷面測量;精度分析

【中圖分類號】U412.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0071-03

0 引言

道路縱橫斷面是道路方案設計的基礎資料，縱斷面可以反映中線上地面的起伏情況，橫斷面可以反映垂直中線方向的起伏情況。通常使用全站儀、GPS、水準儀進行道路斷面測量，但這些測量手段都是單點接觸測量，工作效率低，測量數據密度低，無法準確反映地面起伏情況，特別是對一些地形復雜、起伏大的區(qū)域，采用傳統測量手段無法順利完成橫斷面測量工作。采用三維激光掃描技術，可以快速、準確、非接觸式地獲取目標區(qū)域精確的三維坐標和色彩紋理，掃描區(qū)域真實的空間形態(tài)，并且獲取的數據更準確。因此，本文主要針對道路斷面測量中三維激光掃描技術的具體應用進行研究，這對提高道路施工質量具有重要意義。

1 三維激光掃描技術概述

地面三維激光掃描技術是指采用激光信號對檢測區(qū)域發(fā)出信號，根據激光信號的回傳時間計算距離，同時對物體的三維數值進行檢測，準確記錄物體的平面坐標。通過對掃描系統取得的數據進行匯總計算，將得到的離散云點坐標組合成為匯聚X、Y、Z的三軸坐標，對物體的反射強度數值進行檢測，具體原理如圖1所示。

三維激光掃描系統屬于高精度測量范疇，通過對被測量區(qū)域和物體進行三維建模重塑，獲取目標的三維數值，并且根據數據整合效果，能夠快速計算大型實體的空間狀態(tài)和變化情況。多數傳統測量技術只能對定點坐標進行測量，而且無法快速匯算三維情況，而三維激光掃描技術可以對客觀物體的變化情況實現實時掌控，無論是應用于高精度加工，還是工程建筑施工，都能對區(qū)域內的空間情況進行準確檢測，將三維激光掃描得到的數據信息傳遞到計算機與掃描分析系統中。隨著三維激光掃描儀器的不斷革新，現階段可以將儀器安裝到移動的車輛或飛機上，將激光測試距離提升至5 000 m以上 [1]。

采用傳統方式對道路縱橫斷面進行檢測時，通常會局限于路中央、臺階、路邊等區(qū)域，生成的點云數據信息不夠準確，而采用三維激光掃描技術，能夠對區(qū)域內的任何點位進行檢測，保證斷面數據的采集質量，同時三維激光掃描技術還具有以下優(yōu)點：①可以直接對點云數據進行掃描，外業(yè)人員不需要接觸目標物體，這樣可以提升檢測工作的安全質量;②加測工作量較少，在對野外區(qū)域進行斷面檢測時，具備較高的工作效率;③能掃描采集目標海量數據且準確、真實;④三維激光掃描獲取的資料數據更加直觀，可以根據點云數據生成實際圖像 [2]。

2 三維激光掃描技術的應用

2.1 技術路線

近年來，道路工程質量要求不斷提升，斷面檢測是保證施工質量的重要措施，施工單位將三維激光掃描技術和相關儀器應用于斷面檢測環(huán)節(jié)，可以對施工地域進行全方位檢測，幫助檢測人員獲取準確的道路橫斷面與縱斷面效果圖，幫助設計人員判斷道路施工是否存在斷面隱患。同時，傳統檢測方式會受到周圍環(huán)境與交通運輸體系的影響，進而降低檢測結果的準確性，而采用三維激光掃描技術，可以準確無誤地記錄現場的地形數據信息，利用點云數據生成道路橫斷面、縱斷面三維圖，為道路工程的施工提供信息支撐，施工人員在施工環(huán)節(jié)也能時刻掌握橫斷面的變化情況，保證施工質量與效率。三維激光掃描技術流程如圖2所示。

2.2 數據采集

在對被檢測區(qū)域的數據信息進行采集時，可以將三維激光掃描儀器與數字化技術相結合，這樣可以將地形信息轉化為更加精確的HDP圖像，提升橫縱斷面圖像的分辨率與清晰度。這種檢測技術能夠對250 m以內的區(qū)域或物體進行精準掃描，并且根據掃描前布設的控制點位，對劃定范圍內的空間數據信息進行采集。平面控制根據《衛(wèi)星定位城市測量技術規(guī)范》執(zhí)行，利用平面高程共點，對儀器假設周圍區(qū)域進行掃描，控制測量采用常規(guī)手段，例如借助GPS技術對道路點位的水平性進行檢測，并且將公共靶標所取得的點云數據進行拼接，這樣可以在計算機中生成清晰的點云圖，并且轉化為相應的橫斷面、縱斷面情況，最后要應用全站儀對三維激光掃描所取得的數據信息進行檢測，保證點云數據的準確性與可靠性 [3]。

2.3 拼接去噪

由于三維激光掃描技術所獲取的數據信息伴隨著一定的噪聲，因此要對多余的圖像信息進行去噪，根據事前布設的控制點接收的數據情況，將標靶檢測點轉化為道路施工區(qū)域，對周圍的點云掃描效果進行匯總。通過對施工范圍內的橫斷面、縱斷面數據信息進行拼接，能夠將差異數值控制在1 m左右，滿足《工程測量規(guī)范》（GB/50026—2007）中的相關要求，隨后根據實際情況，對三維激光掃描取得的數據信息進行多次降噪處理，就可以得到橫斷面、縱斷面清晰的圖像 [4]。

2.4 斷面成果生成

通過對點云數據進行匯總，根據道路施工情況生成斷面成果，可以采用兩種生成方式：一是在點云成果數據中直接提取，結合提前劃定的坐標點，對缺失的數據信息進行補全，使點云圖像擁有更多的數據信息;二是直接對點云按照設計里程樁號，對道路施工區(qū)域進行劃分，首先對各施工區(qū)域的點云數據進行匯集，然后對斷面成果進行轉化。第二種方式雖然耗時較長，而且需要對道路施工區(qū)域進行拆分，但是可以保證檢測工作的準確性，在不同區(qū)塊進行拼接時，還能夠對周圍數據情況的相似性進行檢測，如果相鄰板塊中的數據存在差異，則說明三維激光掃描取得的數據不準確，需要對相鄰區(qū)域的標定位置進行重新檢測，直到生成的斷面數據相同為止 [5]。

2.5 精度測定

在道路斷面檢測圖像生成后，還要對成果展開精度測定，再次使用三維激光掃描系統對斷面成果的精度進行評定，結合全站儀對目標區(qū)域內的縱斷面坐標進行測試，隨意挑出橫斷面、縱斷面的點位坐標，與三維激光掃描結果進行對比。為了保證全站儀測量的精準性，可以根據地形測量基本精度要求，在評定環(huán)節(jié)加入棱鏡作業(yè)模式，將測距長度控制在150 m左右，例如將三維激光掃描數據與全站儀測量數據進行重合性對比，如果發(fā)現差異點位，可以利用棱鏡檢測模式對橫斷面、縱斷面的測量高程進行計算，如果高程較差數值為-1～2.5，則說明三維激光掃描數據結果與全站儀檢測結果差異度較小，可以對道路區(qū)域的斷面進行檢測。反之，則采用其他的全站儀或三維激光掃描技術重新測繪施工區(qū)域的點云數據。

3 三維激光掃描技術在道路工程中的應用要點

3.1 儀器選擇

為保證道路斷面檢測工作質量，首先要選擇合適的道路施工方案，并綜合考慮施工環(huán)境，保證所選擇的三維激光掃描儀器的最大測量距離能夠對施工區(qū)域進行全面布控，同時要配備高分辨率相機，對地面數據情況進行實時拍攝，與三維激光掃描儀器所取得的點云數據進行對比，這樣可以找出施工過程中道路橫斷面、縱斷面的質量問題，而且可以階段性地對橫斷面、縱斷面的變化數值進行分析，將其控制在合理的范圍內，并及時對后續(xù)施工方案進行調整，保證整體施工質量。

3.2 區(qū)域特征提取

要提取測量區(qū)域的特征數值，三維激光掃描系統具備獨立的坐標體系，為了加強三維坐標與大地坐標的轉化效率，可以配合相應的布設控制網絡，并且利用水準儀與全站儀搭建全新的三維坐標體系，首先將三維坐標體系與三維激光掃描生成的數據信息進行對比，然后將相同區(qū)域的數據與大地坐標進行對比，這樣可以發(fā)揮閉合環(huán)形控制網絡的應用優(yōu)勢。此外，由于道路工程屬于大型帶狀結構，因此要采用多站點測量模式，例如圍繞施工區(qū)域科學布設控制點位，掃描儀在道路兩側依次向前推進，不同站之間利用標靶進行連接，通過擬合球心將兩站數據進行對接，明確無差異數值后，將最終的坐標體系錄入計算機中，為點云數據圖像的生成提供信息支持。

3.3 點云數據處理

在處理點云數據時，首先要建立原始點位，并且在軟件中進行數據預處理，保證三維激光掃描儀獲取的數據信息不受噪聲影響，因此需要經過多次降噪處理;然后將數據信息轉化為點云數值，對多個檢測區(qū)域內的點云數據進行拼接，利用軟件將標靶球心所連接的站點進行結合，形成統一的坐標體系，這樣可以準確反映道路施工區(qū)域的全景三維圖;之后對坐標中的數據信息進行轉化，利用標靶中心數值，對橫斷面、縱斷面的坐標信息進行劃定，后續(xù)通過對坐標點位的變化數值進行分析，能夠準確判定斷面是否存在質量問題。云數據轉換為大地坐標系統，測量數據中包含行人、車輛、樓房等無用數據，數據量非常大，為了提高后續(xù)數據處理的效率，需要進行數據的抽稀處理。

3.4 轉化成圖

在三維激光掃描數據轉化成圖像的過程中，需要保證測量數據的準確性，因此要分別對測量精度與道路特征結果進行驗證。在對點云數據精度進行測量時，要避免數據拼接過程中出現誤差，逐次對標靶坐標體系和大地坐標數據進行對比和分析，將誤差數值控制在合理范圍內，保證點云數據信息的準確性。在對道路特征的準確性進行判定時，一方面要保證抽稀工作效果，盡量去除多余的圖像噪聲;另一方面要把控抽稀程度，避免對原有的圖像信息造成影響，最后確認無誤后，將點云數據轉化為CAD圖像，為道路施工提供數據支撐。

4 結論

綜上所述，將三維激光掃描技術應用到道路施工中，不僅可以保證橫斷面、縱斷面的施工質量，而且能夠及時發(fā)現斷面質量問題。通過對施工區(qū)域內的斷面信息進行準確判定，生成相應的云點圖像，不僅可以減少道路檢測外業(yè)工作量，還能提升斷面檢測工作的準確性與可靠程度。

參 考 文 獻

[1]程思源.工程測繪中地面三維激光掃描技術的應用研究[J].華東科技（綜合），2019（10）：1.

[2]王克峰，平世越.車載三維激光掃描系統在公路斷面測量中的應用[J].測繪與空間地理信息，2018（8）：195-197.

[3]潘小波.三維激光掃描技術在地鐵隧道平縱斷面測量中的應用[J].低溫建筑技術，2020（3）：116-119.

[4]孟斌，吳廷，張?zhí)?三維激光掃描技術在公路隧道檢測中的應用[J].礦山測量，2019（4）：108-112.

[5]陳濤，翟超，范鵬程，等.回彈法及三維激光掃描技術在地鐵線路結構健康檢測中的應用[J].試驗研究，2018

（7）：55-57.