應用三維激光掃描技術(shù)的某道路大修工程測量研究

單學雷

摘要：該文從市政道路大修工程對測繪的需求出發(fā)，探討了三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程測量中的外業(yè)作業(yè)方法及內(nèi)業(yè)成圖方法。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)地形測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取海量點云數(shù)據(jù)，極大地提高了外業(yè)測量工作效率，降低外業(yè)測量工作的強度，將工作重點轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。另外，該文通過將掃描儀測圖與全站儀測圖成果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的精度完全可以滿足地形圖測繪的要求。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描??道路工程??外業(yè)掃描??內(nèi)業(yè)處理

中圖分類號：P225.2;TU198???文獻標識碼：A

Research?on?a?Road?Overhaul?Engineering?Survey?by?Using?3D?Laser?Scanning?Technology

SHAN?Xuelei

（Beijing?Jiucheng?Surveying?and?Mapping?Technology?Co.，?Ltd.，?Beijing，?101300?China）

Abstract：?Staring?from?the?requirements?of?surveying?and?mapping?in?municipal?road?overhaul?engineering，?this?paper?discusses?the?field?operation?method?and?internal?mapping?method?of?3D?laser?scanning?technology?in?municipal?road?engineering?surveying.?Results?show?that?compared?with?traditional?topographic?survey?methods，?3D?laser?scanning?technology?can?quickly?obtain?massive?point?cloud?data，?which?greatly?improves?the?work?efficiency?of?field?survey，?reduces?the?intensity?of?field?survey?work，?and?shifts?the?focus?of?work?to?the?internal?work.?In?addition，?through?the?comparative?analysis?of?the?mapping?results?of?the?scanner?and?those?of?the?total?station，?it?is?found?that?the?accuracy?of?3D?laser?scanner?can?fully?meet?the?requirements?of?topographic?mapping.

Key?Words：?3D?laser?scanning;?Road?engineering;?Field?scanning;?Internal?processing

道路縱橫斷面是道路方案設(shè)計的基礎(chǔ)資料，縱斷面可以反映中線上地面起伏情況，橫斷面可以反映垂直中線方向的起伏情況。通常相關(guān)工作者使用全站儀、GPS（Global?Positioning?System，全球定位系統(tǒng)）和水準儀來測量道路斷面，但是這些測量方法是單點接觸式測量，工作速度很慢，數(shù)據(jù)的密度低，無法準確反映地面的上升和下降[1]。對于某些地形復雜且波動較大的地區(qū)，傳統(tǒng)測量方法存在很大缺陷。三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，也被稱為實景復制技術(shù)。它可以完全、高精度地重建被掃描物體的空間形狀，無須接觸被測物體，即可獲得空間物體精確的三維位置、顏色、紋理信息，真正實現(xiàn)了高度精確的非接觸式測量。

在勘測人員難以測量的危險地段，三維激光掃描技術(shù)可以高精度地采集目標物體的表面點云信息；通過海量點云數(shù)據(jù)來模擬目標物體表面信息特點，可以細致地描述目標物體特征。三維激光掃描技術(shù)進行掃描測量時不受光強限制，因此可以全天候工作；獲取的數(shù)據(jù)信息為點云形式，因此能夠直接用來對目標對象表面進行建模[2]。將三維激光掃描技術(shù)引入道路工程測量領(lǐng)域，將極大地推進其測量水平的進步。該文主要以市政道路工程為例，對市政道路工程勘察中三維激光掃描技術(shù)的現(xiàn)場操作方法和內(nèi)業(yè)制圖方法進行探討。

1?市政道路工程的分類及對測繪內(nèi)容的要求

市政道路工程主要分為道路新建及道路大修兩大類。新建道路設(shè)計階段需要測繪部門測繪設(shè)計線路的1/500或1/1000大比例尺地形圖，供設(shè)計單位使用。施工中線確定后，要測繪對應設(shè)計中線各樁點的橫斷面數(shù)據(jù)及中線縱斷面數(shù)據(jù)。大比例尺地形圖不僅作為設(shè)計選線依據(jù)，還要反映道路施工范圍內(nèi)的地物、地形、地貌，供拆遷單位統(tǒng)計拆遷量及拆遷賠償使用[3]。

道路大修工程是指原有道路因路面開裂、破損、出現(xiàn)車轍以及公交車站及港灣、交通標志需重新規(guī)劃等情況需要重新加鋪改造的工程，這種工程除了需測繪大比例尺現(xiàn)狀地形圖機總橫斷面測量以外，還有一個特點就是對地面上所有交通設(shè)施，都要準確地在地形圖中表示出來。為準確確定加鋪量，設(shè)計人對圖面高程密度要求很高，需要每10?m測一組高程，路口往往需要測量5?m高程方格網(wǎng)。

2?三維激光掃描技術(shù)簡介

Leica公司的P40三維激光掃描儀完美融合了高精的測距測角技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)、Mixed?Pixels技術(shù)和HDR圖像技術(shù)，使得該儀器具有更高的性能和穩(wěn)定性，掃描距離可以到達270?m，滿足各種掃描任務的要求[4]。

3?技術(shù)方案設(shè)計

技術(shù)方案主要包含控制測量、外業(yè)掃描、點云拼接與去噪、地形圖繪制、縱橫斷面繪制等步驟。

3.1 外業(yè)掃描方案

3.1.1?控制測量

為了將掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到城市坐標系下，需沿道路中線均勻布設(shè)控制點。平面控制測量采用上海虛擬參考站技術(shù)布設(shè)，根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》（CJJT73-2010）中一級GNSS點的技術(shù)標準實施。高程控制測量采用《工程測量規(guī)范》（GB50026-2001）中四等水準測量技術(shù)標準實施[5]。

3.1.2?設(shè)站掃描

沿著道路中線設(shè)站掃描，在控制點架設(shè)掃描儀對中整平并量取儀器高，設(shè)定好掃描參數(shù)后開始掃描。對于沒有控制點的區(qū)域采用自由設(shè)站通過標靶配準的方式，從而保證了作業(yè)效率及數(shù)據(jù)的精度。點云數(shù)據(jù)的獲取流程如圖1所示。

3.2?內(nèi)業(yè)處理方案

內(nèi)業(yè)處理方案如圖2所示[6]。

4?道路工程案例分析

4.1?工程概況

某條道路進行大修，根據(jù)設(shè)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(nèi)業(yè)結(jié)合Cyclone及CAD等軟件進行地形圖、縱橫斷面繪制。

4.2?外業(yè)掃描

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

4.3?點云拼接及道路點云提取

外業(yè)掃描結(jié)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。道路點云模型如圖3所示。

此次拼接最大拼接誤差為1.4?cm，多數(shù)誤差在1?cm以內(nèi)，拼接精度可以滿足該工程的需要。

4.4?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(shè)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)，見圖4。

4.5?精度評定

根據(jù)項目要求，該工程需提供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(jīng)過整理計算，地物檢查點平面中誤差7.61?cm，地物檢查點高程中誤差為0.91?cm，縱斷面高程中誤差為0.78?cm。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。

4.6?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，一般情況下，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(shè)計階段設(shè)計人員可以根據(jù)高精度的掃描數(shù)據(jù)更精確地確定工作量，設(shè)計更好的方案，如圖5所示。

另外三維激光掃描技術(shù)可以減少人員作業(yè)強度和作業(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(nèi)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(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間相當，且數(shù)據(jù)量豐富。

5?結(jié)語

運用三維激光掃描技術(shù)進行地形測量，能快速、詳細地獲取地形表面詳細、真實的信息。與傳統(tǒng)地形測量手段相比，掃描儀快速獲取海量點云數(shù)據(jù)的特點，極大提高了外業(yè)測量工作效率，降低外業(yè)測量工作的強度，將工作重點轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。另外該文通過將掃描儀測圖與全站儀測圖成果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的精度完全可以滿足地形圖測繪的要求。

目前還沒有一套完整有效的基于點云數(shù)據(jù)的地形圖繪制的方法，只能通過將數(shù)據(jù)在各個軟件之間轉(zhuǎn)換、處理，最終繪制成地形圖。并且還沒有完善的軟件能夠滿足點云的各種非地形點剔除要求，一般需要手動剔除大量的點云數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]劉華.車載激光點云地物提取與分類研究[J].測繪學報，2020，49（11）：1506.

[2]羌鑫林，李廣偉，王留召，等.基于SSW點云數(shù)據(jù)的矢量地圖平面精度自動校驗方法[J].測繪通報，2019（3）：98-102.

[3]陳揚.基于三維激光掃描的路基壓實質(zhì)量檢測技術(shù)研究[D].成都：西華大學，2022.

[4]劉平.基于三維激光掃描技術(shù)的大壩變形監(jiān)測方法研究[D].南昌：南昌大學，2021.

[5]劉斌，李樹文，隋儉武，等.基于格網(wǎng)點的三維激光掃描技術(shù)在邊坡監(jiān)測中的應用[J].北京測繪，2022，36（9）：1177-1181.

[6]史正軍.三維激光掃描技術(shù)在建筑立面測繪中的應用[J].北京測繪，2020，34（10）：1388-1391.