三維激光掃描技術在道路工程測量中的應用

楊森

遼寧乾成工程設計咨詢有限公司 遼寧沈陽 110000

三維激光掃描技術作為一項新興的測繪手段，已廣泛應用于基礎建設與空間三維測量等測繪領域，具有速度快、精度高、非接觸的優勢。在道路工程中，三維激光掃描技術可以同時實現對于道路寬度、長度和路面高程的精準測量，故而在道路的測繪工作中，該項技術可以起到良好的作用效果。在具體的技術應用過程，要根據該技術的使用原理、應用原則和工作方案，綜合分析該項技術的具體使用原則，之后取得專業的掃描測量結果，讓掃描技術體系的運行質量提高[1]。

1 三維激光掃描技術

1.1 概述

三維激光掃描儀有多種類型，根據掃描平臺的不同可分為機載激光掃描系統、便攜式激光掃描系統和地面激光掃描系統，利用精密的時鐘編碼器可以測量和計算每個激光脈沖的橫向掃描角和縱向掃描角。三維激光掃描的工作過程主要包括數據采集、數據預處理、幾何模型重建、模型可視化和輸出。其中，數據采集的作用是為模型重建提供準確的點云數據，從而有效降低模型重建的復雜度，提高模型的精度和運算速度；而數據預處理主要是對所有的點云數據進行過濾。

1.2 工作原理

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，其工作原理是由內部的激光發射器發射激光，經過垂直反射鏡和水平反射鏡折射射向目標，激光反射回來的被掃描儀接收，內部的距離測量模塊可以測量反射時間和激光強度，再通過S=1/2ct（c為光速，t為時間）得到目標點與掃描儀之間的距離，同時各傳感器會記錄激光發射的角度θ，再利用極坐標系與笛卡爾坐標系之間的相互轉換關系計算出目標點的X，Y，Z坐標，從而得到大量帶有三維坐標和反射率信息的點，并經過內部軟件轉換成數據信息，構建被測物體的數字化模型。相較于傳統的空間數據采集方式，三維激光掃描技術更加便捷高效，在建筑數字化領域得到了廣泛的應用。

1.3 技術優勢

三維激光掃描技術與傳統測量技術相比，具有自動化程度高、人工矯正難度低、受環境和時間約束小、精度及分辨率高等優勢。首先，運用非接觸掃描的測量方式，無需反射棱鏡，目標建筑物不需進行表面處理，即可直接采集物體表面的三維數據，數據采集過程可通過三維激光掃描設備自動完成。其次，三維掃描技術采用“過范圍”掃描的方式，其外業測繪范圍往往超過實際測繪范圍，以保證數據的全面性，故無需進行測量范圍校準及草圖繪制，只需在內業進行綜合取舍，完成制圖任務，對于不需要的部分可以直接截取。再次，三維激光掃描技術采用主動發射掃描光束，通過探測自身發射的激光回波信號來獲取建筑物信息，因此在掃描過程中不受掃描環境的時間和空間約束。最后，三維激光掃描技術可以快速、高精度獲取大量點云數據，可以對掃描目標進行高密度的三維數據采集，從而達到高分辨率實景數據提取的目的，從而減少漏測、少測的情況[2]。

2 三維激光掃描技術在道路工程測量中的應用

2.1 前期準備

（1）項目進場前，需要完成一系列準備工作，包括前期資料的收集、人員及設備就位、測繪儀器檢查校驗、計算機軟硬件的準備等。

（2）外業觀測開始前，所有人員都經過了野外工作培訓，對相關的技術規范、儀器的使用方法熟練掌握，同時盡量保證在整個作業期間人員與使用的儀器、設備保持固定，減少人為因素的誤差影響。

（3）進行現場踏勘，其目的主要是查看工作區內概略地形，路面完成情況，車輛運行情況，GPS信號是否正常，是否涉及人員安全問題等。

（4）現場布設控制點，控制點布設間隔約100m。現場采用RTK技術和精密水準技術測量的控制點三維坐標。

2.2 數據采集

為了利用三維激光掃描技術對道路工程狀況進行測量，首先要采集現場數據。第一步是對調查區域內的環境進行嚴格的調查，從而確定掃描儀的詳細位置、目標和調查站的數量。同時，需要保證每個掃描站獲得的最終數據能夠真實反映測量范圍的完整區域，在測量過程中，需要盡可能減少對應站的數量，從而減少原始數據量[3]。

2.3 數據獲取

利用三維激光掃描進行點云數據獲取的方案主要有兩種：一是基于控制點坐標作為外部參考，每站在點云采集時同時掃描3個以上控制點坐標，數據處理時可以直接利用控制點坐標將點云數據從掃描坐標系轉換到控制點坐標系下；另一種是在數據采集時保證相鄰掃描站之間有一定的重疊度，數據處理時利用配準算法對多站點云進行配準，同時在點云采集時掃描一定數量的控制點坐標，實現點云模型的重建。

2.4 道路變形分析

傳統的變形監測方法是以固定的、有限的觀測點為基礎，利用專用儀器和方法連續觀測變形體的變形現象，分析變形體的變形形態，預測變形體的發展趨勢。它只能反映道路的局部變形，而三維激光掃描技術是測繪領域的關鍵技術，一次重大的技術變革打破了傳統的接觸測量模式。傳統的測量方法是將變形監測點嵌入道路的特征部位，同時在道路上設置檢測標志，定期比較檢測標志與基準點之間的變形量，這種檢測方式需要合理設置觀測標志和基準點，難以完整客觀地反映道路變形，而對于大型鋼結構橋梁這種測量方式更加難以呈現橋梁微小部位的變形，三維激光掃描儀能夠快速、便捷地對橋梁進行全方位的測量，通過收集和比較不同時間點的建筑三維點云數據，不需接觸橋梁就可以反映橋梁的微小變形。

3 結語

綜上所述，三維激光掃描測量技術是對傳統測繪技術的創新和發展，是一種全新的測繪技術。三維激光掃描測量技術的不斷發展，促使其使用范圍也越來越廣，尤其是在道路工程測量中具有明顯的優勢。