探析道路工程測繪中地面三維激光掃描技術的運用研究

■王徐　曹暉

（臺州市椒江城建測繪隊　浙江　臺州　318000）

探析道路工程測繪中地面三維激光掃描技術的運用研究

■王徐曹暉

（臺州市椒江城建測繪隊浙江臺州318000）

隨著科學技術的不斷發展，計算機技術和測繪技術逐漸走向成熟，數字化測繪技術發生了重大的變革，特別是在道路工程測繪中，地面三維激光掃描技術運用廣泛，可以實現不限時間地點的數據處理，其輸出效果極大的方便了道路工程領域工作的推進。將來該技術可以有更好的演變和發展，應用范圍也會更加的廣闊。作為新的信息科學，測繪技術在經濟建設的多領域中發揮著越來越重要的作用。本文詳細介紹了三維激光測繪技術在道路工程測繪中的應用，以及與傳統測繪技術的區別，運用這項技術進行外業數據采集，并通過點云處理，進行平面虛擬測量、DEM建模、等高線、縱橫斷面等模型生成的過程。

地面三維激光掃描技術道路工程測繪三維建模土方量計算

0　引言

近年來，隨著我國測繪技術的不斷提高，地面三維測繪技術逐漸作為一種高科技技術應用于道路測繪中去，通常在道路修建或維修過程中，以及對道路工程進行復制、施工驗收以及竣工驗收的時候，會遇到道路道路有坑洼點、局部路面不平整以及關鍵路段里面有起伏的情況，在遇到以上情況時，一般會通過將路面密集點連接起來做成具體實地模型，將路面實際情況呈現出來。為簡化復雜的程序，在路面測繪中，地面三維激光技術逐漸被運用進來，具有測量精密度高、密度均勻的優點，可以在現場掃描測量被測物體，直接得到激光點覆蓋的物體表面具體三維坐標和具體反射強度以及色彩信息。

1　三維激光掃描基本原理和應用發展

1.1三維激光掃描基本原理

在進行道路工程測量時，利用地面三維激光掃描技術，可不需要光源，在黑暗中就可以進行測繪，這使得道路工程測繪更加方便。在使用地面三維激光掃描技術進行道路工程測繪時，激光信號會隨著掃描設備的二極管發射出，利用棱鏡直接射向測繪目標，這樣射出的激光信號可以再接收返還。通過計算激光信號發射到返還所用的時間，得出發射點和被測點之間的實際距離，再通過不斷的變換測量的地點和位置，就可以得出被測工程的空間立體坐標，這樣就可以全面的分析道路工程各個數據，更加簡便，精確度更高。在實際應用中，我們根據測繪方式，可以將地面三維激光掃描技術分為固定式激光掃描和移動式激光掃描，其應用原理各有不同。

圖1　三維坐標系

①固定式激光掃描，主要利用電腦系統對掃描儀的控制原理，在實地測量時，對地形進行拍攝，再將測繪對象進行后期處理。固定式激光測量會對測量區進行大范圍的掃描，不同于單個點的掃描，會形成大量的點位數據，具有測量范圍廣，精確度高的特點。

②移動式激光掃描是以固定式激光掃描為基礎的，利用激光測量道路工程各方面的距離的原理，不斷采集和處理整個范圍內的數據，最終具體的測繪結果，再與激光測量結果進行強度匹配，繪制出具體的三維模型(如圖1)。這種測繪方式靈活性更強，可以在移動設備上對測繪位置進行GPS定位。

1.2發展概覽及應用發展

在道路施工中，三維激光掃描極大的方便了作業施工，給這一領域帶來了劇烈的變動和影響，相對于一些傳統的測量方式，增色不少，優勢更強。應用范圍廣，科學性強，融合多門學科，集合了機械、光譜、電信號等多種因素于一體，能快速獲得物品的空間位置，在實際工程中具有實戰性強的特點。以橫縱旋轉角度為參考條件，獲取到相對位置信息，再通過高頻激光照射物品，將采集到的數據發送到電腦中，就可以形成一幅影像圖。該技術不僅可以應用于地面作業，還可用于高空，對于高層建筑的建造也有很大幫助。

1.3與傳統測量技術的區別

傳統的測量數據采集顯得操作簡單方便，GPS RTK與全站儀相結合，每次獲取單點目標信息，易于上手，但測量速度慢、采點密度不夠，容易導致目標點丟失，對于要求精度高、對地物地貌要求高的工程來說，傳統的測量數據采集顯得力不從心。但與傳統的測量數據采集相比，地面三維激光掃描就更為精準和方便，在利用激光測距原理下，對建筑物從水平和垂直兩個方面進行全自動高精度布進式掃描測量，這樣在較短的時間內獲得全面的、完整的、連續的、關聯的全景點的三維坐標，高速、精確地記錄獲取信息，獲取景象的完整的三維空間位置。這些數據傳入電腦后，高密度的掃描數據點會有序地排列于三維的虛擬空間中，成為帶有坐標的影像圖，即“點云”。這樣建筑物的三維坐標就展現在人們面前，與傳統相比，更為方便快捷，更為精確。

2　道路工程測繪分析

尤其是在道路工程領域，會更多的應用到測繪的思路和概念，與測繪技術密不可分，在通過將地質理論與建設聯系緊密的現象進行相關抽象，構造流程化的推論，在長期積累和觀察中，將摻雜著許多地質勘探和相關試驗等得來的數據經驗原封不動的反射到地質圖表中，具有高實戰性，參考價值高，可利用于一些施工部門的具體參考。在實際操作中，設計圖紙時要對需要規劃的線路以及兩個比例尺的使用都要進行相對大制度的比較。作業路線確定好后，還要堅持整理清楚各樁點斷面數據的選線原則，除此之外，還要全面了解道路施工周圍的地形信息，對于住戶拆遷量以及賠償情況也是要了解清楚的。對于測繪技術的應用，除新規劃道路外，在道路維修以及車站選址、城市紅綠燈等，在維修測量時，除了既有的設定外，還要考慮道路護欄、標志牌以及行車道相關車轍和尺寸等信息。在山區公路內，地質條件是現實存在的改動難度較大的一個恒定不變的量。在修建公路時不得不面對的是對天然存在的地質環境改造的問題，為了保護環境，避免的產生不必要的破壞和隱患，在道路修建時，要考慮兩方面的原則：第一，要充分考慮建設中會帶來的生態破壞，和對山區產生的隱患；第二，做好一切規劃，盡可能的保證施工作業的順暢度，具體來說，就是要了解地質薄弱點，以及會在施工中誘發的災害，尤其是在山區打隧道、填埋溝等，都是會對當地山地產生很高的影響。在道路工程中，不良的后果往往是由于錯誤的方法引起的，對地質環境導致的破壞，很可能就會導致地質災害的發生，這樣不僅會導致工程的延誤，影響資金的回收和運轉，還會給當地生活帶來不利影響，潛在的危險會對當地的生活和經濟產生雙重損失。基于這些后果和影響，利用高效精確的三維掃描測繪技術對地形復雜的山區意義重大，在我國，山區面積光大，對于山區道路的修建是我國道路工程測繪的重要組成部分，對于我國道路修建意義重大。

3　道路工程測量過程中地面三維激光技術的具體應用

3.1道路修建工程特點

不同于新修道路，在道路修建時，道路依然處于運營狀態，車流量大、車速快，給道路工程測量帶來很大的不便，在測量時既要保證交通，還要保證測量的準確性，這就需要工作人員上路測試，不僅要穿行公路還要測量路面的眾多高程點，安全風險大，也不利于操作，工作量大，基于此，在工程修建中就會采用三維激光掃描儀來完成測繪工作。

3.2道路掃描

由于地面掃描儀自身高度在1.6—2.0cm左右，且主要架設于地面，所以在測量中，待測路面以及激光束不可能形成垂直狀態，所以在測量中一定要確保各表面掃描點具有較高的精度以及均勻的密度，以保證獲得的數字地面模型的精確度。但在實際應用中，由于儀器測量主要應用的是一種極坐標方式，類似于中心投影，所以從理論上說，當測量面激光束處于垂直狀態下，固定水平步進以及垂直步進就能夠獲得規則掃描格網，而當測量面以及激光束處于斜交狀態，相同的設置就會使得掃描格網變形。基于此，在路面掃描過程中，就會產生以下的問題。

①點密度非常不均勻，表現在隨著距離的改變，密度差異性變化非常大，隨著儀器的接近，掃描點變得加密，

②外業時間延長，脈沖式掃描速度相對較慢，同時伴隨掃描儀的接近或遠離，會導致遠處與近處具體點密度相差非常大。

所以在實際操作中，要想提升作業效率，確保點密度和均勻度，可以利用距離控制法以及時間控制法對塊進行劃分，采取分塊掃描的方式，從而保證掃描的準確度，獲得你叫理想的測繪結果。

3.3確定具體掃描塊

合理的確定每站的具體掃描區域，有利于保證控制掃描密度的準確性以及提升測量效率。在道路測量時，道路通常會有分道線，加之道路兩旁的路燈桿和隔離帶等設備之間的相對距離，都各有一定的規律，都是良好的參照標志。在實際測量中，為不影響交通，方便測量分塊、架設以及轉站工作，保證測量的準確性，一般情況下，會將儀器架設于路邊花壇中以及主道兩側人行路。

4　總結

將三維激光掃描技術和道路測繪結合起來是一項突破性的創新，可以對地物進行無接觸、高精度、高密度的測量，并準確的繪制出測繪區域的三維模型，準確的描述道路工程具體細節，給道路工程的設計以及復制工作提供非常可靠的具體資料。有效的提高了測繪效率，不但能快速的提取保存大量的數據，還能夠將這些數據進行細顆粒度的整合，對路面掃描測量具體控制方法進行合理的設計，從而減少了對人力物力的消耗、減少了外業時間，從而保證了工作人員人身安全。本文通過對三維激光掃描技術的測繪原理進行闡述，研究了應用在道路工程領域中具體的測繪流程。

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