三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用

楊建強(qiáng)

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在市政道路工程中，傳統(tǒng)地形圖數(shù)據(jù)采集方式有全站儀、GPS等，但是這些方式所采集的地形數(shù)據(jù)總量有限。一般應(yīng)根據(jù)地形圖的比例需要有選擇性的進(jìn)行地形測(cè)量，對(duì)不同比例尺的地形圖測(cè)量的詳細(xì)程度不同，且數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)，外業(yè)工作強(qiáng)度大，對(duì)于一些危險(xiǎn)無(wú)法到達(dá)的區(qū)域無(wú)法測(cè)量。三維激光掃描技術(shù)是近些年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，又被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，它能夠完整并高精度地重建掃描物體的空間形態(tài)，無(wú)需接觸被測(cè)物體即可獲取空間物體的精確的三維位置信息及準(zhǔn)確的色彩紋理信息，真正實(shí)現(xiàn)了高精度的非接觸測(cè)量。本文主要以市政道路工程為例，探討三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程測(cè)量中的外業(yè)作業(yè)方法及內(nèi)業(yè)成圖方法。

1 三維激光掃描技術(shù)簡(jiǎn)介

Leica公司的P40三維激光掃描儀完美融合了高精的測(cè)距測(cè)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(dá)270 m，滿足各種掃描任務(wù)的要求，見(jiàn)圖1。

圖1 Leica P40掃描儀

2 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

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

2.1 外業(yè)掃描方案

（1）控制測(cè)量，為了將掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到城市坐標(biāo)系下，需沿道路中線均勻布設(shè)控制點(diǎn)。

平面控制測(cè)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(cè)量技術(shù)規(guī)范》（CJJT 73—2010）中一級(jí)GNSS點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。高程控制測(cè)量采用《工程測(cè)量規(guī)范》（GB 50026—2001）中四等水準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

（2）設(shè)站掃描

沿著道路中線設(shè)站掃描，在控制點(diǎn)架設(shè)掃描儀對(duì)中整平并量取儀器高，設(shè)定好掃描參數(shù)后開(kāi)始掃描。對(duì)于沒(méi)有控制點(diǎn)的區(qū)域采用自由設(shè)站通過(guò)標(biāo)靶配準(zhǔn)的方式，從而保證了作業(yè)效率及數(shù)據(jù)的精度。

2.2 內(nèi)業(yè)處理方案

（1）數(shù)據(jù)拼接，由于獲取的每站掃描點(diǎn)云都是以掃描測(cè)站為參考點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系，需要在Cyclone中對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)拼接換至統(tǒng)一的城市坐標(biāo)系下。

（2）點(diǎn)云去噪，由于拼接后完整的點(diǎn)云中包含移動(dòng)物體（車(chē)、人等）、構(gòu)筑物及樹(shù)木等，利用Cyclone軟件中將非地形、地物數(shù)據(jù)刪除，減少數(shù)據(jù)冗余，處理后數(shù)據(jù)僅包含地表點(diǎn)。

（3）地形圖及縱橫斷面繪制

a.地形圖繪制，使用CloudWorx在CAD中繪制1∶500地形圖。窨井、樹(shù)、桿等有規(guī)則形狀的獨(dú)立地物，采用擬合中心的方法獲取位置；路邊線、房屋等現(xiàn)狀特征可以直接描邊。

b.縱橫斷面繪制，將道路中線導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，在Cyclone中對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片，縱斷面沿道路中線做切片，橫斷面按樁號(hào)垂直中線做切片并將切片數(shù)據(jù)輸出繪制縱橫斷面。

c.對(duì)地形起伏較大區(qū)域可以用Cyclone生成等高線，計(jì)算土方量。

（4）精度評(píng)定，使用全站儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重要地物進(jìn)行測(cè)量，以此檢查掃描成果的平面點(diǎn)位精度和高程精度。

3 市政道路工程案例分析

3.1 工程概況

某條道路進(jìn)行大修，根據(jù)設(shè)計(jì)專業(yè)提供的測(cè)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(chǎng)車(chē)流量較大，地形地物復(fù)雜，項(xiàng)目工期較緊，綜合考慮后決定采取Leica-P40三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)結(jié)合Cyclone及CAD等軟件進(jìn)行地形圖、縱橫斷面繪制。

3.2 外業(yè)掃描

掃描沿線布設(shè)有控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)上設(shè)站掃描將掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至已知坐標(biāo)系下。本次外業(yè)共掃描10站，掃描線路350 m，掃描測(cè)站沿線路均勻分布，見(jiàn)圖2。

圖2 掃描沿線布設(shè)控制點(diǎn)

3.3 點(diǎn)云拼接及道路點(diǎn)云提取

外業(yè)掃描結(jié)束后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)導(dǎo)入Cyclone中，點(diǎn)云拼接具體實(shí)現(xiàn)采用控制點(diǎn)拼接和標(biāo)靶拼接，拼接完成后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪，剔除周邊冗余點(diǎn)云只留下道路點(diǎn)云。拼接及去道路點(diǎn)云模型見(jiàn)圖3～圖5。

圖3 點(diǎn)云拼接成果

圖4 點(diǎn)云拼接精度

圖5 道路點(diǎn)云模型

從拼圖中可以看出，本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。

3.4 地形圖繪制

利用拼接點(diǎn)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(diǎn)及縱橫斷面數(shù)據(jù)以TXT格式導(dǎo)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(jì)提供中線導(dǎo)入點(diǎn)云中，利用Cyclone切片功能按照中線樁號(hào)對(duì)拼接后點(diǎn)云進(jìn)行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖6～圖8。

圖6 1∶500地形圖

圖7 縱斷面圖

圖8 橫斷面圖

3.5 總橫斷面提取

3.6 精度評(píng)定

根據(jù)項(xiàng)目要求本工程需提供1∶500地形圖及道路縱橫斷面成果，為了驗(yàn)證地形地物點(diǎn)及縱橫斷面的精度，這里對(duì)地形圖部分地物點(diǎn)（如窨井、房角點(diǎn)等）的平面位置精度、高程精度斷面點(diǎn)的高程精度進(jìn)行驗(yàn)證。使用全站儀和水準(zhǔn)儀采集特征地物點(diǎn)，采集21點(diǎn)地物點(diǎn)高程，20點(diǎn)縱斷面點(diǎn)高程，在拼接后點(diǎn)云中提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)平面及高程值進(jìn)行精度分析，見(jiàn)圖9～圖11。

圖9 地物點(diǎn)平面誤差分布圖

圖10 地物點(diǎn)高程誤差分布圖

圖11 縱斷面高程誤差分布圖

經(jīng)過(guò)整理計(jì)算，地物檢查點(diǎn)平面中誤差7.61 cm，地物檢查點(diǎn)高程中誤差為0.91 cm，縱斷面高程中誤差為0.78 cm。從表中可以看出，地物檢查點(diǎn)平面誤差分布在5～10 cm之間。地物檢查點(diǎn)高程較差分布在-3 cm～+2 cm之間，縱斷面高程較差分布在-1 cm～+2.5 cm之間。所有檢查點(diǎn)平面及高程較差的分布圖，精度可以滿足工程測(cè)量規(guī)范（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

3.7 數(shù)據(jù)量及工作效率對(duì)比

傳統(tǒng)方式進(jìn)行道路地形及縱橫斷面測(cè)量時(shí)，一般只采集明顯地物點(diǎn)及縱橫斷面地形變化處地形點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)量有限，一般情況10個(gè)左右地形點(diǎn)即表示一條橫斷面；而三維激光掃描通過(guò)非接觸測(cè)量的方式直接獲取高精度道路地表三維點(diǎn)云模型，設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)高精度的掃描數(shù)據(jù)更精確的確定工作量及設(shè)計(jì)更好的方案，見(jiàn)圖 12、圖 13。

圖12 全站儀測(cè)量縱橫斷面成果

圖13 三維激光掃描縱橫斷面成果

另外三維激光掃描技術(shù)可以人員作業(yè)強(qiáng)度，減少作業(yè)時(shí)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(cè)量（1∶500地形圖及縱橫斷面測(cè)量）需要兩個(gè)工作日，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理大約需一個(gè)工作日，共采集地形點(diǎn)數(shù)據(jù)600個(gè)點(diǎn)；而使用掃描議外業(yè)測(cè)量（外業(yè)掃描）僅需幾個(gè)小時(shí)，外業(yè)效率極高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間相當(dāng)，且數(shù)據(jù)量豐富。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形測(cè)量，能快速、詳細(xì)的獲取地形表面詳細(xì)、真實(shí)的信息。與傳統(tǒng)地形測(cè)量手段相比，掃描儀快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，極大提高了外業(yè)測(cè)量工作效率，降低外業(yè)測(cè)量工作的強(qiáng)度，將工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。另外本文通過(guò)將掃描儀測(cè)圖與全站儀測(cè)圖成果進(jìn)行對(duì)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(cè)繪的要求。

目前還沒(méi)有一套完整有效的基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的地形圖繪制的方法，只能通過(guò)將數(shù)據(jù)在各個(gè)軟件之間轉(zhuǎn)換、處理，最終繪制成地形圖。并且還沒(méi)有完善的軟件能夠滿足點(diǎn)云的各種非地形點(diǎn)剔除要求，一般需要手動(dòng)剔除大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。另外掃描點(diǎn)云中只能分辨出距離較近的地面上窨井類型，對(duì)于距離較遠(yuǎn)的窨井只能判斷井位不能判斷類型。因此將三維激光掃描技術(shù)成熟應(yīng)用于地形圖繪制還需要長(zhǎng)期的研究。