三維激光掃描技術在道路測繪中的應用研究

余磊

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

在我國現代化的城市建設中，道路建設的重要性逐漸顯現出來，道路是推動交通運輸業進步的基礎設施，同時也是人們日常出行的重要保障，只有不斷完善道路建設技術，延長道路使用壽命，才能推動和諧社會的建設。三維激光掃描技術能夠應用于道路測繪當中，全面優化道路測繪手段，構建現代化的測繪工作體系。在實踐當中，三維激光既能夠幫助道路工程設計人員構建道路平面圖，推動施工方案的優化，還可以檢查道路病害，提高道路病害維修的針對性。

1 三維激光掃描技術概述

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術的原理是應用高速激光對被測對象實施全覆蓋、大面積的掃描，以此來獲得三維坐標數據，數據的分辨率較高，工作人員可以將數據傳輸到專業的軟件中，繪制出模型。在三維激光掃描技術中，掃描設備可以獲得目標物體的線、面、體、空間，這些三維數據是三維模型構建的基礎。針對地面三維激光掃描系統而言，掃描儀、電源供應系統、控制器是整個系統的關鍵部分，在應用過程中，三維激光掃描能夠形成獨立的坐標系統，獲得精準的數據。

近些年來，我國很多專家學者都對三維激光掃描技術進行研究，取得了豐富的研究成果，這種新型技術的應用范圍也越來越廣。目前，很多國家已經生產出不同型號的三維激光掃描儀，這些掃描儀能夠廣泛應用于道路測繪、地形測繪、水利大壩測繪、文物保護等方面，對城市規劃建設、自然災害調查、土木工程具有較大幫助。

1.2 三維激光掃描技術的分類

按測距原理劃分，三維激光掃描技術可以分為光學三角式三維激光掃描技術、脈沖式三維激光掃描技術、相位式三維激光掃描技術。其中，光學三角式三維激光掃描技術主要應用在幾米到幾十米的范圍內，脈沖式三維激光掃描技術能夠在幾百米到上千米的范圍內進行測距掃描，相位式三維激光掃描技術主要應用于百米范圍內的測距，測量精度為毫米量級。

按照掃描系統和空間位置，三維激光掃描技術可以分為機載系統、地面系統和手持系統。其中，機載系統將飛機的固定翼作為儀器的安裝平臺，能夠對地面進行高分辨率、高精度的測量。地面系統包含固定式、移動式兩種，固定式是指固定在某個位置，進行目標點的數據采集，移動式是指將汽車作為掃描系統平臺。手持系統中的三維激光掃描設備體積小巧，能夠在短時間內準確測量被測物體的各項參數，在工程建設施工等領域應用廣泛。

2 三維激光掃描技術的應用優勢

2.1 測繪精度高

在道路工程建設中，傳統的測繪方法和測繪技術已經無法滿足道路工程的建設需求，以往的測繪技術在準確性上存在較大缺陷，三維激光掃描技術的應用是道路測繪的新方向。

目前，隨著我國道路交通運輸壓力的增大，很多道路出現了裂縫、松散等病害，為更好地處理道路病害，測繪部門可以應用三維激光掃描技術，對道路的病害進行掃描。在使用該技術時，工作人員只需截取一小段路程，進行掃描測試，就能夠獲得道路病害的相關數據，工作精度較高，掃描誤差較小。總而言之，三維激光掃描技術是一種全新的道路測繪手段，能夠廣泛應用于道路測繪中，在我國測繪領域獲得了快速發展。

2.2 工作速度快

在以往傳統的道路工程測繪中，測繪人員工作強度大、工作風險較高，整體的測繪效率較低。通過引入三維激光掃描技術，工作人員可以充分利用現代高新技術，進一步提高道路工程測繪速度。在應用這項技術時，工作人員只需經過簡單的培訓，就能夠熟練操作激光掃描技術的相關儀器，工作壓力能夠得到有效緩解。通過應用三維激光掃描技術，工作人員無需接觸測量對象，就能夠實現動態化的數據采集，信息采集過程和分享過程都具有較高的自動化和數字化特點。在山區道路測繪中，工作人員可以運用車載三維激光掃描技術，對數據進行采集，無需開展實地測量，就能夠獲得誤差較小的地形圖，繪制出高精準度的三維模型，全面提高山區道路地形圖的測繪效率。目前，三維激光掃描技術已經廣泛應用于測繪領域，有效減少了測繪工作的人力和物力投入，提高了測繪工作效率，同時提高了測繪工作的安全性。

3 三維激光掃描技術在道路測繪中的應用分析

3.1 采集道路工程項目的測繪數據

3.1.1 標靶與控制點布設及測量

在道路工程項目的數據采集中，三維激光掃描儀的測程有限，影響空間分辨率的因素較多。在道路測繪中，有些道路存在一些障礙物，比如山體，激光無法穿越這類障礙物。為解決這些問題，一條道路通常需要設置多個測站，為了實現測量數據拼接，工作人員需要結合具體的測量需求，布設標靶，為點云拼接奠定基礎。標靶能夠將所有測站的數據連接為一個整體，是數據采集的基礎。在實踐當中，為測量控制點的平面坐標，工作人員可以應用全站儀進行測量。

3.1.2 確定采樣間隔開始掃描

采樣間隔的疏密會直接影響測量的精度，對后期數據處理的誤差產生影響，工作人員需要結合實際情況科學確定采樣的間隔，確保掃描作業順利開展。一般情況下，如果采樣間隔過大，數據處理精度會受到限制，如果采樣間隔過小，采集到的點云數據量過于龐大，數據的復雜程度較高，數據處理的難度也會大幅度提升。因此，確定采樣間隔是數據采集的關鍵，在采樣過程中，采樣點的分布被稱作“點云”。

3.2 對道路工程項目數據進行處理

經過前期的道路工程項目數據采集，儀器掃描到的三維點云數據量較大，有用數據和無用數據同時存在，要想充分發揮數據信息的作用，就要對這些數據進行處理。

3.2.1 數據濾波、抽隙

在道路工程項目的數據采集中，三維激光掃描儀會受到道路當中車輛、行人等因素的影響，采集大量的無用數據，此時就需要通過數據濾波手段，對這些無用數據進行剔除。無用數據被稱為噪聲數據，噪聲數據是無規律的，具有雜亂而稀疏的特點，數據濾波能夠依靠噪聲數據的特征將其剔除，使有用數據保留下來。除此之外，在前期的數據采集中，點云數據有可能存在過于密集的問題，這種情況可以對數據進行抽隙處理。

3.2.2 點云拼接

在前期的數據采集中，工作人員設計了不規則的標靶，點云拼接能夠將各個測站掃描到的點云數據進行拼接。在此之前，工作人員已經對控制點的三維坐標進行了布設和測量，能夠將拼接后的點云納入平面直角坐標系中。

3.2.3 平面虛擬測量

點云數據是三維信息的點位組成的，在數據處理中，工作人員還需要結合相機拍攝的彩色影像，保證道路邊緣和角落的信息完整。通過利用自動化的軟件平臺，工作人員能夠科學處理獲取的點云數據，結合影像信息，對車站、燈桿、道路邊線、中央隔離帶、過街天橋等重要信息進行描述，最終構建出地形圖。

3.2.4 建立模型

在點云數據經過處理之后，工作人員可以將抽隙處理后的數據作為原始數據，運用Microstation 和Geopak 軟件，自動生成三角網模型，然后設計出縱橫斷面圖形，如圖1所示。

圖1 數據采集與數據處理的主要流程

4 道路測繪中應用三維激光掃描技術的工作流程

4.1 完成現場資料準備

在道路測繪中，要想充分發揮三維激光掃描技術的應用價值，徹底打破傳統測繪技術的束縛，工作人員需要全面做好前期的準備工作。在道路測繪開展之前，工作人員首先需要完成系統化的信息收集工作，掌握道路的車載流量，充分了解現場的實際情況，把握周圍環境對道路工程的影響，為測繪工程奠定堅實基礎。一般情況下，道路的測繪是一個長期工作，如果儀器設備在測繪工作開展中出現問題，就會直接影響工作效率。針對這種情況，相關單位需要聘請專業的儀器維護人員，一旦儀器出現問題，就要第一時間進行保養和維修，確保工作進度。除了完成現場勘察和機器設備準備之外，工作人員還需要準備好相關的計算機軟硬件，將獲得的信息和數據在第一時間傳輸到計算機軟件中，利用硬件設備和軟件設備進行信息存儲，避免出現信息丟失等問題。

4.2 開展人員培訓工作

在道路測繪工作中，工作人員的技術素養、職業道德、工作經驗等會直接影響測繪工作的開展效果，為全面提高道路測繪工作的開展水平，有關單位需要高度重視道路測繪人員的培訓工作。在實踐中，道路測繪工作經常遇到惡劣的自然天氣，工作時間段較長，有時還會在荒野地段、山丘等地點開展道路測繪，因此，工作人員必須經過嚴格的野外培訓，防止在道路測繪工作中出現身體不適的情況。野外培訓工作完成之后，工作人員還需要認真學習道路測繪的相關技術規范和儀器設備的使用方法，確保團隊中每個工作人員都能獨立進行儀器設備的操作，這樣才能避免測繪工作中出現意外。

4.3 現場勘測與布控

在道路測繪工作正式開展之前，工作人員要全面了解現場的環境，制定出現場環境勘探計劃，對現場的地形地貌、路面完整情況、車輛運行情況等進行調查，為后期的測繪工作奠定基礎。在完成現場勘測之后，工作人員還需要進一步檢查GPS 信號，確保自身的安全。在現場布控工作中，工作人員需要把握好控制點的間距，利用水準儀測量出三維控制點坐標。

4.4 儀器架設

在道路測繪工作中，開展現場測量工作首先需要完成儀器架設，儀器的數量需要結合道路工程現場的實際情況進行選擇，確保儀器的精準度。在道路測量中，一旦儀器出現問題，工作人員就需要對儀器進行更換。在儀器架設中，工作人員需要結合道路測繪的現實需求，科學調節儀器架設的高度，增大掃描儀的有效測程，進一步提高數據的有效性，同時提高數據采集的精確度。

5 三維激光掃描技術應用于道路測繪中的注意事項

5.1 收集天氣預報數據

在道路測繪工作中，外界的自然環境會對測繪工作的開展產生重要影響，如果遇到極端惡劣天氣，現場測量工作就會受到阻礙，嚴重的還會引起人員傷亡。因此，在應用三維激光掃描技術開展道路測繪時，測繪部門需要高度重視自然環境的調查，在測繪工作開展前收集天氣預報數據，提前做好測繪方案，減少外界天氣因素對測繪工作的影響。

5.2 熟悉作業環境

除了收集天氣預報數據之外，測繪工作人員還需要加強對野外作業環境的了解，針對坑塘、暗井、懸崖、水溝、沼澤、草地等特殊的野外環境，工作人員需要時刻保持警惕。有些工作區域在高山或者林區，針對這些工作地點，測繪人員需要隨身攜帶安全防護用品，還要掌握自救、互救的方法，與測站保持聯系。總而言之，在使用三維激光掃描技術時，工作人員需要高度重視作業區域的環境，充分發揮三維激光掃描技術的優勢。

5.3 避免儀器磕碰

在三維激光掃描技術的應用中，測繪儀器設備的精準度非常關鍵，目前，道路測繪常用的儀器是掃描全站儀，這種儀器設備非常精密，工作人員必須要對儀器進行保護，在存儲、搬運和使用的過程中杜絕磕碰，避免掃描全站儀出現精度不準確的情況。

6 結語

在以往傳統的道路測繪中，測繪部門需要投入大量的人力資源和物力資源，工作人員的體力勞動強度較大。三維激光掃描技術具有采集過程簡單、掃描速度快等特點，通過引入該技術，測繪工作人員能夠獲取高精度、高密度的目標空間信息，全面提高數據處理效率。在道路測繪工作中，工作人員可以應用三維激光掃描技術，完成數據采集和數據處理工作，按照準備現場資料、學習儀器設備、完成現場勘測與布控、架設儀器等工作流程，做好道路測繪工作。目前，三維激光掃描技術已經廣泛應用于道路測繪中，工作人員需要在實踐中做好現場勘查，避免儀器磕碰，這樣才能完成道路測繪目標。