三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用

萬飛，許小金

（安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，合肥230011）

1 引言

地面三維激光掃描技術(shù)主要對(duì)測(cè)繪的數(shù)據(jù)獲取、處理和服務(wù)方面進(jìn)行了一次新的技術(shù)突破，它的突破主要體現(xiàn)在GPS空間定位技術(shù)。當(dāng)前的三維激光掃描技術(shù)發(fā)展迅猛，被普遍應(yīng)用到大面積的范圍，效果也十分顯著。在道路的施工驗(yàn)收工作中，它能對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行全方位的掃描分析，直接可獲取到被掃描物體的反射強(qiáng)度和三維坐標(biāo)以及色彩信息[1]。

2 三維激光掃描技術(shù)概述

2.1 技術(shù)原理

三維掃描技術(shù)利用光源的基礎(chǔ)上對(duì)被掃描的對(duì)象獲取其三維坐標(biāo)、地表信息等做出一個(gè)三維場(chǎng)景，通過其獨(dú)有的GPS定位系統(tǒng)、高精度的測(cè)量和測(cè)光系統(tǒng)做出一系列的分析。

激光測(cè)距傳感器是由測(cè)距單元、控制和處理單元以及光學(xué)機(jī)械掃描裝置組成的。脈沖式和相位式是常見的兩種激光測(cè)距。脈沖式激光測(cè)距是由激光發(fā)射裝置發(fā)出一束激光到被測(cè)實(shí)物而反射過來的光線再有激光接收機(jī)接收到，而得知地表和激光發(fā)射器之間的距離。其公式如下面（1）所示。用傳感器發(fā)射以及接收波之間的相位差來計(jì)算傳感器和物體之間的距離是相位式測(cè)距。在此以外，要獲得傳感器具體的空間位置還可以通過系統(tǒng)內(nèi)部的GPS以及測(cè)量區(qū)內(nèi)的GPS基站的差分得出；傳感器的狀態(tài)主要由INS負(fù)責(zé)記錄。

2.2 激光掃描的發(fā)展概況

三維激光掃描技術(shù)在近些年來愈發(fā)壯大，同時(shí)在一些測(cè)量測(cè)繪技術(shù)較為發(fā)達(dá)的國(guó)家或相關(guān)單位得到了廣泛的應(yīng)用，在我國(guó)的一些相關(guān)專家的努力下也得到了很多的研究成果。并且在一些比如水利大壩和文物參考保護(hù)方面的這些領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。

當(dāng)前，很多國(guó)家的廠商已經(jīng)生產(chǎn)出不同型號(hào)的三維激光掃描儀，它的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀（3D layser scanner）的誕生為代表。

三維激光掃描儀可分為三種類型，分別是地面型三維激光掃描儀、車載型三維激光掃描儀和手持型的三維激光掃描儀。地面型的三維激光掃描儀常用于工程道路測(cè)量這方面。

2.3 傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)與其的區(qū)別

傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)由于操作過于簡(jiǎn)便且容易上手，但是卻因?yàn)椴牲c(diǎn)的密度不夠、容易丟露點(diǎn)位且速度太慢等一些原因在一些比較要求高的工程上就顯得蹩腳。而地面三維激光掃描儀是通過激光的測(cè)距原理，全自動(dòng)全方位的高精度步進(jìn)式測(cè)量掃描，以此得到更全面且完整性很高的三維坐標(biāo)。能在很短的時(shí)間內(nèi)把這些獲取到的數(shù)據(jù)通過電纜傳入電腦并獲得景象的三維空間，將這些高密度的數(shù)據(jù)點(diǎn)按順序排列在三維虛擬空間中，形成坐標(biāo)圖，也就是專業(yè)術(shù)語“點(diǎn)云”。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和處理：點(diǎn)云數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)，INS數(shù)據(jù)將由一部高分辨率數(shù)碼相機(jī)采集儲(chǔ)存到一套完整的LiDAR系統(tǒng)里。LiDAR數(shù)據(jù)跟普通的遙感數(shù)據(jù)的區(qū)別在于，它主要獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是離散的，而這種數(shù)據(jù)是可以在同一個(gè)平面里接觸到幾個(gè)高程值的，能很方便地得知其細(xì)節(jié)信息和有比較變動(dòng)大的目標(biāo)，如電桿、山崖等，但是同時(shí)也對(duì)地形信息的獲取增加了難度。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)出的第一次回波都是入射至物體，最后一次是在地面上反射形成的，它的組成是整個(gè)流程里最復(fù)雜的，很不方便做出數(shù)據(jù)處理。而點(diǎn)云數(shù)據(jù)不但能獲取到目標(biāo)的三維坐標(biāo)，還能得知激光對(duì)地表物體的影響。由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)量比較多，所以對(duì)計(jì)算機(jī)的配置方面有很高的要求。

一般情況下地面LiDAR系統(tǒng)都是掃描儀生產(chǎn)廠商用來處理公司自營(yíng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的軟件，為更方便地對(duì)用戶的要求做出相應(yīng)的改變，可以用這些軟件得出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為別的類型數(shù)據(jù)比如3DMAX，AutoCAD，Geomagic。當(dāng)前Cyclone更新到7.0版本后，其內(nèi)容十分豐富，更是添加了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，可以應(yīng)用于工程放樣，能夠很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理流程，還可以通過Cyclone VIEWER模塊處理其他儀器的ASCII，PTS和PTX等格式的數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1 采集數(shù)據(jù)

一般情況下會(huì)選擇比較少的測(cè)站，這是為了省去原始數(shù)據(jù)量過大造成繁雜還有保證獲取到數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)的。采集的數(shù)據(jù)主要包括標(biāo)靶的位置和掃描儀以及測(cè)站數(shù)。通常會(huì)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的獲取同步操作是方便后面數(shù)據(jù)能有效地匹配完成。因此，要依次逐站掃描，且必須嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行選擇對(duì)應(yīng)的采樣標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 標(biāo)靶和控制點(diǎn)的測(cè)量和分布

在采集數(shù)據(jù)的時(shí)候，由于三維激光掃描儀與被掃描物體形成的夾角不同，它的空間分辨率也會(huì)隨之變化，這和掃描儀的測(cè)距是有關(guān)系的。一條道路的測(cè)量往往需要多個(gè)測(cè)站來完成，就是因?yàn)椴煌膾呙杈嚯x和點(diǎn)的精度不同，此外還可能有別的障礙物的影響。為了供點(diǎn)云拼接，需要在每個(gè)相連的測(cè)站重合的部位設(shè)置3個(gè)以上且要形成不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，根據(jù)掃描儀的測(cè)距，將這些測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合在一塊。

3.1.2 對(duì)采樣的間隔掃描

采樣的間隔如果太大就會(huì)對(duì)后期的數(shù)據(jù)處理進(jìn)度帶來影響，反之如果采樣間隔過小的話，采集到的數(shù)據(jù)又太多對(duì)后期的傳輸和保存又會(huì)造成很多不必要的麻煩。由此可見，對(duì)采樣間隔的設(shè)置是很重要的。

在視力觀察良好的情況下，要保證相鄰的測(cè)站間有點(diǎn)云的重疊區(qū)域，建議每站的掃描距離在30～50m之間；若視觀條件不適的狀況下，要使掃描的目標(biāo)測(cè)量完成，就要選擇合適的位置來布置掃描站數(shù)，適當(dāng)?shù)目梢栽黾印?/p>

3.2 處理采集的數(shù)據(jù)

在處理激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的時(shí)候，對(duì)于不在同一站點(diǎn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)要嚴(yán)格匹配，其主要有：點(diǎn)石匹配、噪聲的消除、分割、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、圖像的匹配。將其進(jìn)行目標(biāo)構(gòu)模和進(jìn)行定量分析并歸置于一個(gè)坐標(biāo)系內(nèi)。一般采用的方式有下列幾種：

①為進(jìn)一步的與其他數(shù)據(jù)同步處理需要在GPS的幫助下，獲得各個(gè)掃描站點(diǎn)的具體坐標(biāo)，將獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，就可以得出比較準(zhǔn)確的點(diǎn)云地理位置。噪音數(shù)據(jù)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)的區(qū)別就是在于它是沒有規(guī)律且不連續(xù)比較雜亂的，可利用這一個(gè)特點(diǎn)將噪聲數(shù)據(jù)迅速剔除掉。分割點(diǎn)石構(gòu)建目標(biāo)模型。作為該地區(qū)的地理樣貌特征信息資料，要截取到清晰的紋理圖像與點(diǎn)石匹配。②若在掃描的時(shí)候多次掃到相同的目標(biāo)，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽隙處理，是因?yàn)椴杉降狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)過多而密集，不易于整理歸納，這種方法叫冗。③點(diǎn)云拼接的過程是結(jié)合在每個(gè)測(cè)站得到的數(shù)據(jù)通過設(shè)置在測(cè)站周圍的標(biāo)靶聯(lián)合拼在一起。點(diǎn)云拼接好后，可以利用布置好且測(cè)量正確的三維坐標(biāo)，將其納入到我們使用的平面直角坐標(biāo)系里。④處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在生成等高線的過程中，點(diǎn)云數(shù)據(jù)會(huì)排除一些非地貌影響的因素后并根據(jù)測(cè)繪的詳細(xì)進(jìn)度做出相應(yīng)的變動(dòng)。在地形測(cè)繪的時(shí)候若點(diǎn)位過于密集且分布不均勻的話那么地面的詳細(xì)信息則不可用三維激光掃描。有些較為煩瑣的細(xì)節(jié)信息會(huì)導(dǎo)致等高線混亂，而這種情況是因?yàn)椴捎昧藪呙椟c(diǎn)構(gòu)造三角網(wǎng)追蹤等值線。⑤對(duì)造成等高線殘缺、變形或者不完整的情況，可以進(jìn)行手動(dòng)修復(fù)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)，參考照片的時(shí)候標(biāo)記好高程，形成輪廓后對(duì)其進(jìn)行局部的修改。這種情況的發(fā)生多是在編輯地形圖的時(shí)候，將等高線的圖形和地面物體的圖形重疊在了一起編輯，而有些部分的物體數(shù)據(jù)的刪除后就會(huì)引起這種情況。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法是具有高效率、高精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，很大程度上幫助完善了測(cè)繪工作，使測(cè)繪工作的開展進(jìn)一步擴(kuò)展提升，相關(guān)數(shù)據(jù)采集較為完整。