三維激光掃描技術在道路工程測量中的應用探討

楊喜明

摘 要：文章簡要介紹了三維激光掃描技術的概念，探討三維激光掃描技術在當前道路工程測量中的具體應用。

關鍵詞：三維激光掃描技術；道路工程；測量

隨著我國經濟的快速發展以及科學技術的不斷提升，在當前道路工程建設中，對三維激光掃描技術的使用越來越頻繁，相比傳統測繪手段，三維激光掃描技術有的更多的有點，對提高道路工程建設質量有重要意義。

1 技術概況

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術主要是通過激光掃描對目標的整體或局部進行高精度測量，以獲得目標的線、面、體、空間等三維數據，然后在計算機系統中重建目標的思維模型與數據。在目標數據的采樣中，采樣點分布可以稱作“點云”[ 1 ]。

三維激光掃描核心技術是空間點陣掃描。主要是根據掃描儀器與目標的距離對采樣點的大小進行劃分。其中激光掃描又可以分為遠、中、近三種距離，精度也各部相同，因此適用于不同的對象。通常而言，中遠距離常用于大型目標的測量，近距離常用于小物體的思維精確建模。

1.2 道路工程中思維激光掃描原理

在道路工程測量中，使用的是地面三維激光掃描儀，系統主要由掃描儀、電源以及控制器三個部件組成。掃描儀的內部有獨立的坐標系統，在測量時以儀器的所處位置為坐標原點，X軸在橫向的掃描面，Y軸與X軸垂直，Z周與橫向掃描面垂直，在XOY這個測量面中有一個反射鏡，在實際測量中快速旋轉，使激光能夠快速掃描被測目標，得出相應的數據。

2 道路工程中三維激光掃描作業流程

在實際的道路工程測量中，三維激光作業通常包括了外業數據采集與內業數據處理兩個工作內容。

2.1 外業數據采集

外業數據采集中要設置一定距離的標靶并且對測量點進行布設，然后對目標進行全景掃描，數據掃描內容包括了三維激光掃描與標靶三維坐標測量。

2.1.1 標靶與測量點的布置

在道路測量中，由于激光的射程有限，因此三維激光掃描儀只能測量一定長度。同時激光掃描儀與被掃描的目標常常會形成不同的夾角，使最終測量空間的分辨率不同，并且夾角越小，分辨率會越低；另外，在道路工程測量中，還受到山體的影響，存在激光不能通過障礙物的情況，因此測量一條道路需要設置很多的測站，而如何將各測站的數據連成一體，就需要標靶來完成，根據掃描儀的側成，在各相鄰測站的重合位置布設3個以上不規則圖形的標靶，供后續處理時點云拼接。

2.1.2 確定采樣間隔與掃描作業

在實際道路工程測量中，設置采樣點的間隔非常關鍵，間隔太大或者間隔密集都會影響測量精度，對后期數據的處理也會造成巨大的影響；尤其是如果間隔太小，往往會收獲龐大的點云數據，這會造成數據傳輸、存儲以及處理過程的復雜性提升，降低測量效率。

在道路前方無障礙的情況下，每個站點的測量距離在30～50米范圍，這能保證相鄰測站有一定的點云重疊部分。如果道路前方存在一些障礙，則可以適當縮短掃描的距離，直至完成整個道路測繪任務。

2.2 內業數據處理

使用地面三維激光掃描儀收集到的數據量和數據種類比較龐大，既有有用的信息，也包含樹木、車輛、行人等無用的數據，因此需要經過相應的處理，將無用的信息剔除，然后對有用的信息進行分析，從道路掃描到數據處理的一整套流程如圖1所示。

2.2.1 數據濾波

采集到的數據，由于里面包含行人、車輛、樹木等噪聲數據，這些數據對道路測量沒有任何作用，因此需要將這些數據剔除，剔除的過程也叫做數據濾波[ 2 ]。在處理過程中主要利用噪聲數據不連續、無規律、稀疏與雜亂的特點。

2.2.2 點云拼接

從各個測點上掃描到的點云數據，需要通過標靶將這些數據拼接成連貫的數據，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

點云數據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，將拼接的點云數據與影響結合，將這些數據在實景中標識出來，表明高程點信息，形成所需的地形圖。

2.2.4 DEM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，將這些空間點借助計算機軟件構成連續的不規則三角網，連接成等高線，就可以根據實際需求設置等高線的間距，然后根據道路設計的要求確定斷面的間距以及斷面的寬度，以形成任意縱橫斷面圖。

3 結語

在當前道路測量中，三維激光掃描技術應具有速度快、操作簡單、節省人力以及強大的數據后續處理能力，完全滿足我國道路工程設計以及施工的需求。對于三維激光掃描技術在道路工程領域中的應用，如果在現有的使用成果上進行繼續的深入挖掘與分析，該技術可以有更好的發展，應用范圍也將更加廣闊。

參考文獻：

[1] 劉盈.淺談地面三維激光掃描技術在市政工程測量中的應用[J].北京測繪，2012（01）：67-68.

[2] 孔祥玲，歐斌.三維激光掃描技術在隧道工程竣工測量中的應用研究[J].城市勘測，2013（02）：100-102.