三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用探討

楊喜明

摘 要：文章簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描技術(shù)的概念，探討三維激光掃描技術(shù)在當(dāng)前道路工程測(cè)量中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；道路工程；測(cè)量

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷提升，在當(dāng)前道路工程建設(shè)中，對(duì)三維激光掃描技術(shù)的使用越來(lái)越頻繁，相比傳統(tǒng)測(cè)繪手段，三維激光掃描技術(shù)有的更多的有點(diǎn)，對(duì)提高道路工程建設(shè)質(zhì)量有重要意義。

1 技術(shù)概況

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要是通過(guò)激光掃描對(duì)目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行高精度測(cè)量，以獲得目標(biāo)的線、面、體、空間等三維數(shù)據(jù)，然后在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中重建目標(biāo)的思維模型與數(shù)據(jù)。在目標(biāo)數(shù)據(jù)的采樣中，采樣點(diǎn)分布可以稱作“點(diǎn)云”[ 1 ]。

三維激光掃描核心技術(shù)是空間點(diǎn)陣掃描。主要是根據(jù)掃描儀器與目標(biāo)的距離對(duì)采樣點(diǎn)的大小進(jìn)行劃分。其中激光掃描又可以分為遠(yuǎn)、中、近三種距離，精度也各部相同，因此適用于不同的對(duì)象。通常而言，中遠(yuǎn)距離常用于大型目標(biāo)的測(cè)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(cè)量中，使用的是地面三維激光掃描儀，系統(tǒng)主要由掃描儀、電源以及控制器三個(gè)部件組成。掃描儀的內(nèi)部有獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，在測(cè)量時(shí)以儀器的所處位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，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(gè)測(cè)量面中有一個(gè)反射鏡，在實(shí)際測(cè)量中快速旋轉(zhuǎn)，使激光能夠快速掃描被測(cè)目標(biāo)，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

2 道路工程中三維激光掃描作業(yè)流程

在實(shí)際的道路工程測(cè)量中，三維激光作業(yè)通常包括了外業(yè)數(shù)據(jù)采集與內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理兩個(gè)工作內(nèi)容。

2.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

外業(yè)數(shù)據(jù)采集中要設(shè)置一定距離的標(biāo)靶并且對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，然后對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全景掃描，數(shù)據(jù)掃描內(nèi)容包括了三維激光掃描與標(biāo)靶三維坐標(biāo)測(cè)量。

2.1.1 標(biāo)靶與測(cè)量點(diǎn)的布置

在道路測(cè)量中，由于激光的射程有限，因此三維激光掃描儀只能測(cè)量一定長(zhǎng)度。同時(shí)激光掃描儀與被掃描的目標(biāo)常常會(huì)形成不同的夾角，使最終測(cè)量空間的分辨率不同，并且?jiàn)A角越小，分辨率會(huì)越低；另外，在道路工程測(cè)量中，還受到山體的影響，存在激光不能通過(guò)障礙物的情況，因此測(cè)量一條道路需要設(shè)置很多的測(cè)站，而如何將各測(cè)站的數(shù)據(jù)連成一體，就需要標(biāo)靶來(lái)完成，根據(jù)掃描儀的側(cè)成，在各相鄰測(cè)站的重合位置布設(shè)3個(gè)以上不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，供后續(xù)處理時(shí)點(diǎn)云拼接。

2.1.2 確定采樣間隔與掃描作業(yè)

在實(shí)際道路工程測(cè)量中，設(shè)置采樣點(diǎn)的間隔非常關(guān)鍵，間隔太大或者間隔密集都會(huì)影響測(cè)量精度，對(duì)后期數(shù)據(jù)的處理也會(huì)造成巨大的影響；尤其是如果間隔太小，往往會(huì)收獲龐大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)以及處理過(guò)程的復(fù)雜性提升，降低測(cè)量效率。

在道路前方無(wú)障礙的情況下，每個(gè)站點(diǎn)的測(cè)量距離在30～50米范圍，這能保證相鄰測(cè)站有一定的點(diǎn)云重疊部分。如果道路前方存在一些障礙，則可以適當(dāng)縮短掃描的距離，直至完成整個(gè)道路測(cè)繪任務(wù)。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

使用地面三維激光掃描儀收集到的數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)種類比較龐大，既有有用的信息，也包含樹(shù)木、車輛、行人等無(wú)用的數(shù)據(jù)，因此需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理，將無(wú)用的信息剔除，然后對(duì)有用的信息進(jìn)行分析，從道路掃描到數(shù)據(jù)處理的一整套流程如圖1所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)濾波

采集到的數(shù)據(jù)，由于里面包含行人、車輛、樹(shù)木等噪聲數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)道路測(cè)量沒(méi)有任何作用，因此需要將這些數(shù)據(jù)剔除，剔除的過(guò)程也叫做數(shù)據(jù)濾波[ 2 ]。在處理過(guò)程中主要利用噪聲數(shù)據(jù)不連續(xù)、無(wú)規(guī)律、稀疏與雜亂的特點(diǎn)。

2.2.2 點(diǎn)云拼接

從各個(gè)測(cè)點(diǎn)上掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要通過(guò)標(biāo)靶將這些數(shù)據(jù)拼接成連貫的數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程就叫做點(diǎn)云拼接，然后通過(guò)控制點(diǎn)構(gòu)建三維坐標(biāo)，將拼接后的點(diǎn)云放入到三維坐標(biāo)系中。

2.2.3 平面虛擬測(cè)量

點(diǎn)云數(shù)據(jù)有測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)位組成，尚且不能形成有參考價(jià)值的信息，因此還需要結(jié)合使用CCD相機(jī)拍攝的圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)，將拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影響結(jié)合，將這些數(shù)據(jù)在實(shí)景中標(biāo)識(shí)出來(lái)，表明高程點(diǎn)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(jīng)過(guò)點(diǎn)云拼接以及虛擬測(cè)量成的點(diǎn)云呈三維離散，將這些空間點(diǎn)借助計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)成連續(xù)的不規(guī)則三角網(wǎng)，連接成等高線，就可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置等高線的間距，然后根據(jù)道路設(shè)計(jì)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(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前道路測(cè)量中，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)具有速度快、操作簡(jiǎn)單、節(jié)省人力以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)后續(xù)處理能力，完全滿足我國(guó)道路工程設(shè)計(jì)以及施工的需求。對(duì)于三維激光掃描技術(shù)在道路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，如果在現(xiàn)有的使用成果上進(jìn)行繼續(xù)的深入挖掘與分析，該技術(shù)可以有更好的發(fā)展，應(yīng)用范圍也將更加廣闊。

參考文獻(xiàn)：

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

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