三維激光掃描在道路工程測量中的應用

焦嵐清

摘要：在道路建設工程中，測量工作極為重要，三維激光掃描技術具有處理數(shù)據(jù)能力強、掃描速度較快的優(yōu)點，能夠在測量過程中快速地獲取更加完整、精確的目標空間的信息。與傳統(tǒng)技術相比，利用三維激光掃描技術來采集數(shù)據(jù)更加節(jié)省人力、簡單安全、信息完整、符合要求，因此對其進行研究具有重要的意義。

關鍵詞：三維激光掃描技術;道路工程測量;應用

1三維激光掃描技術

三維激光掃描技術主要是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。應用掃描技術來測量工件的尺寸及形狀等原理來工作。主要應用于逆向工程，負責曲面抄數(shù)，工件三維測量，針對現(xiàn)有三維實物，在沒有技術文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構、編輯、修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型。三維激光掃描技術的關鍵技術有點云、建模、空間點陣掃描，其中空間點陣掃描屬于核心技術，通過掃描儀與目標距離的遠近來劃分采樣點的大小，不同大小的采樣距離適用于不同的對象，中遠距離一般用于大型目標的測量，近距離則用于小物體的精準測量。

2道路工程中三維激光掃描作業(yè)流程

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1標靶與測量點的布置

在道路工程項目的測繪環(huán)節(jié)，因為激光掃描儀只能測量一定的距離，同時，激光掃描儀在測量目標的掃描過程中往往會產生一些不同的角度，使得測量的結果在空間上的分辨率有很大的的差別，掃描儀和測量目標之間的角度越小，測量結果的分辨率就會越低。更主要的是，在道路工程項目的測繪工作中，地貌情況也會直接影響到測繪結果。因為激光只能直線傳播，如果測量物體和測量儀器之間存在障礙物，那么測繪工作人員就必須建立許多目標測量站點。在思考如何將每一個測量站點的數(shù)據(jù)合并為一個整體，這這個過程還需要設定一個標靶，處理數(shù)據(jù)的難度是比較大的，而且很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理誤差。

2.1.2確定采樣間隔與掃描作業(yè)

在道路工程項目的測量工作中，必須科學合理的確定取樣點之間的距離。如果取樣點的距離過大或過小，都將影響到最終測量數(shù)據(jù)的準確性，并將對以后的測量數(shù)據(jù)分析產生干擾，特別是在測量間隔太小的情況下，就會產生巨大的數(shù)據(jù)量，過大的數(shù)據(jù)量的增加了數(shù)據(jù)傳輸和儲存以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度，當然，測量工作的效率也會受到影響。在測量環(huán)境沒有明顯遮擋物的情況下，每一個取樣點的距離設定在40米左右，不僅可以確保站點的重疊覆蓋還可以減少數(shù)據(jù)量。如果測量區(qū)域有障礙物，那么取樣點的距離可相應縮短，但是需要保障站點重疊，完成測繪任務。

2.2內業(yè)數(shù)據(jù)處理使用

2.2.1數(shù)據(jù)濾波

測繪設備所收集到的數(shù)據(jù)中，包括了各種各樣的無意義的雜亂數(shù)據(jù)。因此，在處理測繪數(shù)據(jù)之前，必須要將這些無意義的數(shù)據(jù)進行過濾處理，這個處理無意義數(shù)據(jù)的過程，主要是利用噪聲數(shù)據(jù)的斷續(xù)、不規(guī)則、不連續(xù)的特點。

2.2.2點云拼接

從各個測點上掃描到的點云數(shù)據(jù)，需要通過標靶將這些數(shù)據(jù)拼接成連貫的數(shù)據(jù)，這個過程就叫做點云拼接，然后通過控制點構建三維坐標，將拼接后的點云放入到三維坐標系中。

2.2.3平面虛擬測量點

云數(shù)據(jù)有測量點的坐標點位組成，尚且不能形成有參考價值的信息，因此還需要結合使用CCD相機拍攝的圖像，通過計算機處理平臺，將拼接的點云數(shù)據(jù)與影響結合，將這些數(shù)據(jù)在實景中標識出來，表明高程點信息，形成所需的地形圖。

2.2.4DEM建模，生成等高線以及縱橫斷面圖

經過點云拼接以及虛擬測量成的點云呈三維離散，就可以根據(jù)實際需求設置等高線的間距，以形成任意縱橫斷面圖。

3案例分析

3.1工程概況

某條道路進行大修，根據(jù)設計專業(yè)提供的測量要求需提供1∶500數(shù)字地形圖、道路縱橫斷面等，由于現(xiàn)場車流量較大，地形地物復雜，項目工期較緊，綜合考慮后決定采取Leica-P40三維激光掃描儀進行外業(yè)掃描，內業(yè)結合Cyclone及CAD等軟件進行地形圖、縱橫斷面繪制。

3.2外業(yè)掃描

掃描沿線布設有控制點，在控制點上設站掃描將掃描坐標系轉換至已知坐標系下。本次外業(yè)共掃描10站，掃描線路350m，掃描測站沿線路均勻分布。

3.3點云拼接及道路點云提取

外業(yè)掃描結束后，將點云數(shù)據(jù)及控制點導入Cyclone中，點云拼接具體實現(xiàn)采用控制點拼接和標靶拼接，拼接完成后對點云進行去噪，剔除周邊冗余點云只留下道路點云。本次拼接最大拼接誤差為1.4cm，多數(shù)誤差在1cm以內，拼接精度可以滿足該工程的需要。

3.4地形圖繪制

利用拼接點云在Cyclone和CAD軟件中繪制道路1∶500地形圖及道路縱橫斷面。也可以直接提取地形地物點及縱橫斷面數(shù)據(jù)以TXT格式導出，在CAD軟件中按照傳統(tǒng)方式繪制地形圖及縱橫斷面。為了提高繪圖效率，這里綜合使用Cyclone和CAD軟件繪制地形圖，然后將設計提供中線導入點云中，利用Cyclone切片功能按照中線樁號對拼接后點云進行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)。

3.5精度評定

根據(jù)項目要求本工程需提供1∶500地形圖及道路縱橫斷面成果，為了驗證地形地物點及縱橫斷面的精度，這里對地形圖部分地物點（如窨井、房角點等）的平面位置精度、高程精度斷面點的高程精度進行驗證。使用全站儀和水準儀采集特征地物點，采集21點地物點高程，20點縱斷面點高程，在拼接后點云中提取對應點平面及高程值進行精度分析。經過整理計算，地物檢查點平面中誤差7.61cm，地物檢查點高程中誤差為0.91cm，縱斷面高程中誤差為0.78cm。所有檢查點平面及高程較差的分布圖，精度可以滿足《工程測量規(guī)范》（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

3.6數(shù)據(jù)量及工作效率對比

傳統(tǒng)方式進行道路地形及縱橫斷面測量時，一般只采集明顯地物點及縱橫斷面地形變化處地形點，采集數(shù)據(jù)量有限，一般情況10個左右地形點即表示一條橫斷面;而三維激光掃描通過非接觸測量的方式直接獲取高精度道路地表三維點云模型，設計階段設計人員可以根據(jù)高精度的掃描數(shù)據(jù)更精確的確定工作量及設計更好的方案。另外三維激光掃描技術可以減少人員作業(yè)強度，減少作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。該工程使用傳統(tǒng)方式作業(yè)外業(yè)測量（1∶500地形圖及縱橫斷面測量）需要兩個工作日，內業(yè)數(shù)據(jù)處理大約需一個工作日，共采集地形點數(shù)據(jù)600個點;而使用掃描儀外業(yè)測量（外業(yè)掃描）僅需幾個小時，外業(yè)效率極高，內業(yè)數(shù)據(jù)處理時間相當，且數(shù)據(jù)量豐富。

4結束語

三維激光掃描技術在道路測量工程中受到了越來越廣泛的應用，不僅大大節(jié)省了人力，還提高了測量效率，更提高了測量工程的準確度和精確度，對我國道路工程的施工與發(fā)展有著極大的推動作用。在運用三維激光技術的過程中，要注意相關的操作要求，對重點的操作步驟要謹慎對待，反復檢查，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性和參考價值。

參考文獻

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