三維激光掃描技術用于公路工程測量的可行性分析

劉新強

(新疆交通建設管理局項目執行二處)

三維激光掃描技術用于公路工程測量的可行性分析

劉新強

(新疆交通建設管理局項目執行二處)

公路工程測量是公路設計的先導，公路建設的發展使其對測量精度與效率的要求不斷提高，三維激光掃描技術可以利用高精度逆向三維建模和重構技術獲得同步的三維坐標數據與數碼照片等，以此建立三維數據模型，客觀而真實的再現事物的形態等，是一種有效的空間數據測量技術，通過測試表明其測量過程與精度都可以滿足公路工程的測量需求，是一種繼GPS后的新一代工程測繪技術。

三維激光掃描;工程測量測試;數據分析;成果研究

1 三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術是利用三維激光掃描設備為觀測設備的測量技術，目前已經有不同類型的三維激光掃描儀應用在各個領域。按照掃描空間位置與系統平臺來對其進行劃分，有機載型、地面型、手持型等，經常用于公路工程測量的是地面型三維激光掃描儀。此類技術對物體表面測量的精度極高可以達到毫米級別，可以解決精確地圖的繪制難題，因此研究其在公路工程測量中應用的可行性是十分必要的。

2 三維激光掃描技術在公路工程中應用的分析

2.1 公路工程中的可行性測量過程

可行性分析利用某個工程場地，是一個構造物的工程，具有一定程度的表面覆蓋，但是不能過于密集。工程場地限定后利用地面上的特征標志物作為測量的標志，利用三維激光掃描儀進行標志物的三維坐標測量，隨后利用全站儀掃描測量范圍內的散點，作為測量的補充。可行性試驗中設定的掃描范圍為5 cm，點云控制點掃描的間距則降至5 mm，掃描時間的長短根據掃描參數確定，然后將數據進行記錄并傳輸至計算機進行后續分析，得出測量成果并進行精度分析，這樣就完成了對公路工程項目的測量。

2.2 測量數據的初步處理

(1)對坐標進行好轉換，利用系統配置的相應軟件對測量的數據進行處理，取點云中測量標志的位置，一般經過標志點的掃描點距離較小且密度大，因為在測試中標志點的掃描點的點距為5 mm，其他部分則為5 cm，因此可以很容易的區分標志點與其他位置。通過移動和旋轉、放大在點云圖上對標志點進行定位，標志出點的位置，輸入各個測點標志的坐標，通過軟件就可以計算出點云工程坐標的匹配精度。在測量中工程點的不同位置經過精度轉換獲得了不同的精度，但是其精度都達到了要求。轉換精度主要取決于采用全站儀、GPS的測量精度、標志點的測量精細度等。所以測量標志點應利用較高的精度進行聯測，同時測量標志應小且清楚。

(2)數據的篩分，外業掃描中會獲得大量的點云，但是這些點云并不是都能對工程測量有所幫助，如地表的點云等，利用其觀測可以獲得地面的坐標，但是有些測量過程是不需要此類點云作為參考的，如地表的植物。在處理軟件中可以通過兩種模式對這些不需要進入測量分析的數據進行篩選，如通過移動或者旋轉、選擇、刪除等進行編輯完成對某些點云的篩選與去除;或者通過對不同高度的地表植物進行人為的區塊劃分，以此消除植物對測量的干擾，從而獲得有效的地表坐標。但是此兩種模式在實際應用中的效果并不是十分理想。利用濾波的方式對數據進行篩選可以更加有效的降低“噪聲”干擾，以此獲得更加有效的數據。

2.3 測量的精度分析

(1)在分析三維激光掃描儀的測量精度的時候，首先應考慮其平面的精度，測試中有效掃描能精確測量的坐標點位較少，所以在掃描中隨機性的布置了一些平面的測量標志點，用測量儀考察其精度，所布置的平面點有55個，標志點在基礎控點之上，利用2 s級的全站儀對水平角度、垂直角度、測量距離等進行測量。每個工作點的掃描范圍除了選擇4個標志測點作為運點，并對其進行計算分析，其余的測點都作為對標志平面測量精度的對比參照。平面精度的測點設計了50個，經過分析比對后，其綜合精度分析的結果是4個點位的測量精度都在工程測量的允許范圍內，可以作為工程參考。

(2)地形高程與斷面精度分析，在測試中測量的高程點作為對三維激光掃描儀高程精度的考察依據，利用2s級全站儀測量了多個地形散點，也利用與散點位置相同的基礎控點完成測量，對其水平角、垂直角等測量1測回，得到的結果其誤差滿足實際工程的需求。另外，利用此類方式對縱向與橫向斷面的精度進行了分析，在測試中掃描點云方的范圍控制在樁高101個，橫斷面測量點102個，因為可以比較的樁高程數量不多，所以其精度也在四個工程測點內進行分析比較，其中產生的橫縱斷面的誤差都在可以接受的范圍內。根據工程中樁坐標和野外實際的中樁測量結果，截取地形變化的高程差異，將從三維激光掃描所形成的數學模型上截取的高程差與外業實際測量的數值進行比較，其誤差的范圍也在允許的范圍內。

2.4 總體精度分析

測試中根據測量的綜合數據對采用三維激光掃描儀所采集到的數據和輸出結果進行分析，總結影響三維激光掃描儀平面精度的因素是控制點測量的精度與控制點的面積、以及點云掃描的誤差等。測試中的工作點都在一個基礎控制點上設立測量點站，采用的是J2級別的全站儀測量其水平角度與垂直角、距離等個1測回，基礎控制點的本身存在誤差但對點云測量不會產生干擾。測量點之間的相對平面位置中誤差可以經過計算獲得。經過計算可以得出點云控制點的精度包括了測量精度、測量時標志的對點精度、點云面積誤差等，經過比較分析，三維激光掃描所得到的精度較高。另外從測試的結果看，利用是三維激光掃描技術生成的平面精度要好于高程精度、平面和高程精度都能夠達到精密地圖測量，以及縱斷面和橫斷面測量的要求范圍。

3 結束語

地面三維激光掃描技術可以在較短的時間內對目標進行高密度、高精度的測量，并獲得三維空間信息，其掃描速度快、數據信息全面、精度高、過程簡單、可以節約人力與資源，具有強大的后期處理能力，可以在公路工程測繪中取得一定的成功。這一技術可以在不同位置、不同細節要求下完成對道路工程設計所需數據的采集。雖然因為某些技術難點還沒有完全得到解決，不能將其做測繪技術轉型的重點技術，但是隨著科技的發展與進步，相關企業所研發的三維激光掃描儀所支持的測繪技術，必將成為測繪工作中的重要技術分支。

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U416.1

C

1008-3383(2012)04-0009-01

2012-01-04

劉新強(1982-)，男，山東濰坊人，研究方向:工程測量。