三維激光掃描在道路工程測量中的應(yīng)用

焦嵐清

摘要：在道路建設(shè)工程中，測量工作極為重要，三維激光掃描技術(shù)具有處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、掃描速度較快的優(yōu)點(diǎn)，能夠在測量過程中快速地獲取更加完整、精確的目標(biāo)空間的信息。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，利用三維激光掃描技術(shù)來采集數(shù)據(jù)更加節(jié)省人力、簡單安全、信息完整、符合要求，因此對其進(jìn)行研究具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);道路工程測量;應(yīng)用

1三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(shù)突破。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機(jī)載、車載、地面和手持型幾類。應(yīng)用掃描技術(shù)來測量工件的尺寸及形狀等原理來工作。主要應(yīng)用于逆向工程，負(fù)責(zé)曲面抄數(shù)，工件三維測量，針對現(xiàn)有三維實(shí)物，在沒有技術(shù)文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構(gòu)、編輯、修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型。三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有點(diǎn)云、建模、空間點(diǎn)陣掃描，其中空間點(diǎn)陣掃描屬于核心技術(shù)，通過掃描儀與目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近來劃分采樣點(diǎn)的大小，不同大小的采樣距離適用于不同的對象，中遠(yuǎn)距離一般用于大型目標(biāo)的測量，近距離則用于小物體的精準(zhǔn)測量。

2道路工程中三維激光掃描作業(yè)流程

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1標(biāo)靶與測量點(diǎn)的布置

在道路工程項(xiàng)目的測繪環(huán)節(jié)，因?yàn)榧す鈷呙鑳x只能測量一定的距離，同時(shí)，激光掃描儀在測量目標(biāo)的掃描過程中往往會(huì)產(chǎn)生一些不同的角度，使得測量的結(jié)果在空間上的分辨率有很大的的差別，掃描儀和測量目標(biāo)之間的角度越小，測量結(jié)果的分辨率就會(huì)越低。更主要的是，在道路工程項(xiàng)目的測繪工作中，地貌情況也會(huì)直接影響到測繪結(jié)果。因?yàn)榧す庵荒苤本€傳播，如果測量物體和測量儀器之間存在障礙物，那么測繪工作人員就必須建立許多目標(biāo)測量站點(diǎn)。在思考如何將每一個(gè)測量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)合并為一個(gè)整體，這這個(gè)過程還需要設(shè)定一個(gè)標(biāo)靶，處理數(shù)據(jù)的難度是比較大的，而且很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理誤差。

2.1.2確定采樣間隔與掃描作業(yè)

在道路工程項(xiàng)目的測量工作中，必須科學(xué)合理的確定取樣點(diǎn)之間的距離。如果取樣點(diǎn)的距離過大或過小，都將影響到最終測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并將對以后的測量數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生干擾，特別是在測量間隔太小的情況下，就會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，過大的數(shù)據(jù)量的增加了數(shù)據(jù)傳輸和儲(chǔ)存以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度，當(dāng)然，測量工作的效率也會(huì)受到影響。在測量環(huán)境沒有明顯遮擋物的情況下，每一個(gè)取樣點(diǎn)的距離設(shè)定在40米左右，不僅可以確保站點(diǎn)的重疊覆蓋還可以減少數(shù)據(jù)量。如果測量區(qū)域有障礙物，那么取樣點(diǎn)的距離可相應(yīng)縮短，但是需要保障站點(diǎn)重疊，完成測繪任務(wù)。

2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用

2.2.1數(shù)據(jù)濾波

測繪設(shè)備所收集到的數(shù)據(jù)中，包括了各種各樣的無意義的雜亂數(shù)據(jù)。因此，在處理測繪數(shù)據(jù)之前，必須要將這些無意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，這個(gè)處理無意義數(shù)據(jù)的過程，主要是利用噪聲數(shù)據(jù)的斷續(xù)、不規(guī)則、不連續(xù)的特點(diǎn)。

2.2.2點(diǎn)云拼接

從各個(gè)測點(diǎn)上掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要通過標(biāo)靶將這些數(shù)據(jù)拼接成連貫的數(shù)據(jù)，這個(gè)過程就叫做點(diǎn)云拼接，然后通過控制點(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平面虛擬測量點(diǎn)

云數(shù)據(jù)有測量點(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，表明高程點(diǎn)信息，形成所需的地形圖。

2.2.4DEM建模，生成等高線以及縱橫斷面圖

經(jīng)過點(diǎn)云拼接以及虛擬測量成的點(diǎn)云呈三維離散，就可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置等高線的間距，以形成任意縱橫斷面圖。

3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)場車流量較大，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350m，掃描測站沿線路均勻分布。

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。本次拼接最大拼接誤差為1.4cm，多數(shù)誤差在1cm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)對拼接后點(diǎn)云進(jìn)行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)。

3.5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)云中提取對應(yīng)點(diǎn)平面及高程值進(jìn)行精度分析。經(jīng)過整理計(jì)算，地物檢查點(diǎn)平面中誤差7.61cm，地物檢查點(diǎn)高程中誤差為0.91cm，縱斷面高程中誤差為0.78cm。所有檢查點(diǎn)平面及高程較差的分布圖，精度可以滿足《工程測量規(guī)范》（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

3.6數(shù)據(jù)量及工作效率對比

傳統(tǒng)方式進(jìn)行道路地形及縱橫斷面測量時(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非接觸測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。另外三維激光掃描技術(shù)可以減少人員作業(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)測量（1∶500地形圖及縱橫斷面測量）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);而使用掃描儀外業(yè)測量（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)束語

三維激光掃描技術(shù)在道路測量工程中受到了越來越廣泛的應(yīng)用，不僅大大節(jié)省了人力，還提高了測量效率，更提高了測量工程的準(zhǔn)確度和精確度，對我國道路工程的施工與發(fā)展有著極大的推動(dòng)作用。在運(yùn)用三維激光技術(shù)的過程中，要注意相關(guān)的操作要求，對重點(diǎn)的操作步驟要謹(jǐn)慎對待，反復(fù)檢查，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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