探討三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用

何明

摘要：市政道路工程是我國市政建設(shè)的重要組成部分，為了切實保證其穩(wěn)定性與安全性，有必要采用相應(yīng)的三維激光掃描技術(shù)進行實時監(jiān)測。本文簡略闡述了三維激光掃描技術(shù)的系統(tǒng)原理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點，同時從相關(guān)實際案例入手，對市政道路工程中的具體應(yīng)用展開了詳細分析。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；市政道路工程；道路地形測繪

1.引言

三維激光掃描技術(shù)有著自動化、精度高以及非接觸性等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域各個行業(yè)，并取得了良好的效果，在市政道路工程中也同樣，但盡管目前該技術(shù)相比以往已經(jīng)有所進步，但在實際應(yīng)用過程中仍然存在部分阻礙因素，制約著市政道路工程的高效開展，所以應(yīng)加強對該技術(shù)的深入研究。

2.三維激光掃描技術(shù)

2.1系統(tǒng)原理

在運用該技術(shù)的過程中，在考慮測量點三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性時，工作人員要先明確測量點至設(shè)備之間的實際距離，同時還要注意，在對相同的測量點進行不同方式的測距時存在不同的精度。因此，工作人員務(wù)必要深入探析該技術(shù)的系統(tǒng)原理，以便優(yōu)化選擇最適合的測距方式，有效提升設(shè)備測量精準(zhǔn)度。

2.2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點

通常情況下，三維激光掃描技術(shù)是利用直線數(shù)據(jù)采集方式進行數(shù)據(jù)采集，具備一定的次序關(guān)系。通過掃描獲得云數(shù)據(jù)構(gòu)成像素點，具體的排列方式主要是根據(jù)矩陣的方式進行依次排列。在市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，既能夠獲得目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的相關(guān)信號，同時還能夠獲取相關(guān)的激光反射強度信息、顏色信息以及空間坐標(biāo)等，以此明確更加精確的掃描數(shù)據(jù)。一般情況下，數(shù)據(jù)是通過保存為純文本TXT的格式進行儲存的，該技術(shù)的應(yīng)用能夠在獲取相關(guān)空間數(shù)據(jù)時體現(xiàn)出密度高、數(shù)據(jù)量大以及立體化的特點。除此以外，工作人員應(yīng)建立三維數(shù)字模型，經(jīng)過相關(guān)的數(shù)字處理評估流程，充分發(fā)揮在數(shù)據(jù)采集工作中的應(yīng)用價值。

3.三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用

3.1市政道路工程地形圖測繪

現(xiàn)如今，三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于市政道路工程地形圖測繪中，在開展市政道路工程測繪工作的過程中常常受到一些條件的限制，包括交通復(fù)雜、車流和人流眾多等，盡管測繪人員能夠在實地開展測繪工作，但事實上對于自身安全有著極大的隱患。而三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能夠代替人工實地測繪，高效地完成道路地形的測量以及繪制工作，此舉對于減輕人工的壓力，降低人工成本有著重要意義。市政道路工程地形圖測繪中三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用主要可以分為三個步驟，首先是用三維激光掃描進行測量，進而獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其次是針對數(shù)據(jù)開展相應(yīng)的處理工作，最后便是將具體的地底物地貌提取出來，便能夠獲得較為精確的地形圖。

3.2市政道路工程地物提取和繪制

不管是市政道路修復(fù)工程還是新建市政道路工程，相關(guān)工作人員都要完成對于工程途徑范圍內(nèi)的各個公共設(shè)施的全面收集工作，包括公交站點、電線桿、車道變道線、斑馬線、下水道井蓋、隔離帶以及建筑物等。市政道路工程整體地物數(shù)量極大，種類繁雜，若是單純應(yīng)用以往傳統(tǒng)的方式方法，勢必會增加作業(yè)員的工作量，使得人力成本出現(xiàn)不必要的浪費，同時還會產(chǎn)生諸多漏提現(xiàn)象。若是靈活應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，能夠通過數(shù)據(jù)的形式提取出地面標(biāo)識、建筑物等，采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方式進行數(shù)據(jù)提取，以此實現(xiàn)固定輸出格式呈現(xiàn)出的道路工程沿線的地物數(shù)據(jù)。

3.3市政道路工程等高線生成

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用能夠助力市政道路工程等高線的生成，主要便是在原有的地形圖上去除掉一些無關(guān)緊要的建筑以及植被等地物。以往在獲取市政道路工程等高線的過程中，通常都是采用自動以及人為的方式將無關(guān)地物除去，進而得到相應(yīng)的地貌圖，在完成數(shù)據(jù)計算工作之后，上傳以及處理，周而復(fù)始，便可最終在構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)的基礎(chǔ)上獲得相應(yīng)的等高線。三維激光技術(shù)相比上述傳統(tǒng)的等高線獲取方法具有更多的優(yōu)勢，包括精準(zhǔn)度更高、工作量更少，所得出的地形地貌更加清晰。

3.4市政道路工程土方計算

以往我國在計算市政道路工程土方量的過程大多應(yīng)用RTK、水準(zhǔn)儀以及GPS等儀器設(shè)備，詳細測量地表實際的凹凸情況，并利用數(shù)字地面模型計算市政道路工程的土方量。該類傳統(tǒng)的市政道路工程土方計算方法具有一定的局限性，一方面該方法的工作量比較大，所受到的影響因素較多，具有不穩(wěn)定和不可控性。另一方面，因為測量樣點有著較大的時間間隔，所以會存在精度比較低的問題。但三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用有效彌補傳統(tǒng)計算方法所具有的局限性，能夠減少深入到野外開展樣點采集的工作，并直接在數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上完成基準(zhǔn)面的構(gòu)建，當(dāng)去除無關(guān)地物后便能夠形成數(shù)字高程模型，直接完成對于工程土方量的計算工作。

3.5市政道路工程變形監(jiān)測

將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于市政道路變形監(jiān)測中，能夠構(gòu)建起更加系統(tǒng)的道路三維數(shù)據(jù)模型，針對整個道路開展周期性掃描工作，進而獲得點云數(shù)據(jù)，同時通過設(shè)備內(nèi)部處理器的應(yīng)用，將相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagicstudio內(nèi)，可以建立起更加具體的三維數(shù)據(jù)模型，高效開展數(shù)據(jù)采集、處理以及評估等工作。在進行數(shù)據(jù)采集的過程中，將三維激光技術(shù)設(shè)備安置在所要勘測道路的周圍，確保測量視野的開闊性，在道路周圍設(shè)置六個數(shù)據(jù)采集點。在進行數(shù)據(jù)處理過程中，工作人員主要從以下三方面入手，首先對于點云數(shù)據(jù)的拼接和糾正，其次是點云數(shù)據(jù)的濾波過程，最后是數(shù)據(jù)的縮減過程。針對點云數(shù)據(jù)開展與處理的工作中，大多是運用人工的手段刪除多余的測量點，然后需要分析點云數(shù)據(jù)的誤差，依據(jù)誤差理論展開探究[1]。

4.三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用案例

4.1工程概況

本文以某道路為例對三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用進行分析，該道路面臨著工程較大的返修工作，要詳細測量現(xiàn)狀地形，以此明確道路縱橫斷面的實際情況，該道路周圍有機場，交通情況比較復(fù)雜，而且市政附屬設(shè)施比較多，實際的測量環(huán)境存在極為不穩(wěn)定的問題，若是仍然沿用以往傳統(tǒng)的作業(yè)方式，勢必會阻礙測量工作的正常開展，同時還會對工作人員的安全造成極大威脅。基于此，相關(guān)專家在經(jīng)過詳細考慮之后，決定在對該市政道路工程現(xiàn)場地形數(shù)據(jù)的采集工作中應(yīng)用三維激光掃描儀，通過使用現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)明確相應(yīng)的道路縱橫斷面，為科學(xué)系統(tǒng)的方案設(shè)計創(chuàng)造條件。

4.2數(shù)據(jù)采集與處理

在該工程上，主要采用的是Leica公司的P40三維激光掃描儀，該設(shè)備具有一定的先進性，主要包含著HDR圖像技術(shù)、Mixed Pixels技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)以及測距測角技術(shù)，上述功能增加了該三維激光掃描儀的穩(wěn)定性，同時提升了實際的應(yīng)用性能，能夠在270m以內(nèi)完成相應(yīng)的掃描工作，可以有效完成各類掃描任務(wù)。在開展掃描作業(yè)之前，要事先將控制點分別布設(shè)在測區(qū)范圍之內(nèi)，要注意的是，工作人員應(yīng)嚴(yán)格從《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》中所規(guī)定的要求以及標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，選用城市CORS系統(tǒng)開展相應(yīng)的布設(shè)工作，在高程控制方面要采用《工程測量規(guī)范》中四等水準(zhǔn)測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進行布設(shè)。工作人員應(yīng)于控制點處加設(shè)儀器完成掃描工作，選用常規(guī)控制測量手段進行控制測量工作，再運用水準(zhǔn)儀和GPS在道路沿線布設(shè)相應(yīng)的控制點。在道路沿線進行掃描的過程中，要在測站之間完成各個公共靶標(biāo)的布設(shè)，將其應(yīng)用于點云拼接，在完成相應(yīng)的掃描工作之后便在Cyclone軟件中導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)，并進行點云拼接以及轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系，根據(jù)里程樁號在軟件內(nèi)部開展點云切片，以此獲得相應(yīng)的縱橫斷面。最后便要采用全站儀，針對斷面點高程以及地物點高程展開高精度的全面檢查[2]。

4.3點云拼接與去噪

在點云拼接與去噪方面，應(yīng)在道路沿線進行設(shè)站，開展掃描工作，并設(shè)置3個以上的標(biāo)靶與測站之間，充分利用相鄰測站間的同名標(biāo)靶以及事先布設(shè)的控制點使得全部測站點云轉(zhuǎn)換到城市坐標(biāo)系下。現(xiàn)場掃描點云效果如圖1所示。

從上圖可以看出，該次拼接所產(chǎn)生的最大誤差是1.4cm，同《工程測量規(guī)范》中所規(guī)定的地形圖測圖精度相符，在完成拼接之后的點云進行去噪之后會呈現(xiàn)出的效果，如圖2所示。

4.4斷面成果生成

在斷面成果生成方面，該工程主要采用兩種方式對道路橫斷面進行繪制，一是根據(jù)點云成果，對道路縱橫斷面所需要的坐標(biāo)點進行提取，然后再使用相應(yīng)的縱橫斷面一體化軟件對道路縱橫斷面進行繪制。二是根據(jù)設(shè)計里程樁號，對點云進行直接的切片處理，明確切片數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上直接生成道路縱橫斷面，上述兩種方法都能夠達到所想要的實際效果，相比較，第二種方式的應(yīng)用更加高效[3]。

4.5精度評定

精度評定是較為重要的工作環(huán)節(jié)之一，在該工程中主要是使用全站儀對20個縱斷面點坐標(biāo)進行采集，以此開展對于三維激光點云生成的道路斷面成果的精度評定工作。工作人員在測量工作中要嚴(yán)格從《工程測量規(guī)范》中地形測量基本精度要求出發(fā)，同時在采集數(shù)據(jù)的過程中還要同棱鏡作業(yè)相配合，對其測距長度進行控制，使其能夠保持在150m范圍內(nèi)，以此保障全站儀實際測量數(shù)據(jù)的精確度。相關(guān)計算表明，該地物檢查點平面中誤差有7.61cm，高程中誤差則有0.91cm，而縱斷面高程中誤差則為0.78cm，由此可見，其誤差范圍同相關(guān)《工程測量規(guī)范》相符。通常情況下，在采用傳統(tǒng)方式測量道路地形和縱橫斷面時，大多會對陡坎、臺階、路中以及路邊等特征點進行采集，所以最終得出的斷面數(shù)據(jù)具有較大的誤差，并不具備較高的應(yīng)用價值[4]。但三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用只需要進行簡單的設(shè)站掃描便可以完成對于路面三維點云的精確采集，有著作業(yè)時間短、數(shù)據(jù)精確度高等多方面優(yōu)勢，同時工作量計算能夠同實際情況相符合。除此以外，在市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，外業(yè)人員的工作強度有所降低，切實提高了工作人員的作業(yè)效率，對于市政道路工程的順利進行起著積極作用。

5.結(jié)論

優(yōu)化應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能夠提升市政道路工程的實際建設(shè)質(zhì)量，憑借更加便捷、精度高以及準(zhǔn)確性強等特點，對于市政道路工程測繪等各方面工作的高效完成有著積極的促進作用。因此，有關(guān)人員要加強對該技術(shù)的重視程度，加強在市政道路工程中的應(yīng)用，以推動我國市政工程的現(xiàn)代化發(fā)展進程。

參考文獻：

[1]曹建軍.三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程斷面測量中的應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息， 2020， 43（4）：108-109，113.

[2]劉遠森，劉亮亮，高強.三維激光掃描儀在道路工程中的應(yīng)用分析[J].智能建筑與智慧城市， 2020，（4）：103-105.

[3]薛廣杰，李春偉.三維激光掃描技術(shù)在道路測繪中的應(yīng)用研究[J].中國房地產(chǎn)業(yè)， 2019，（30）：236.

[4]萬飛，許小金.三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技， 2018，（14）：114-115.