地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用研究

郁凱帆 蔣小琴

（嘉善縣三維測(cè)繪與地理信息院 浙江 嘉善 314100）

引言

通常在對(duì)道路工程進(jìn)行復(fù)制、施工驗(yàn)收以及竣工驗(yàn)收的時(shí)候，需要用到道路工程的具體信息，比如，道路坑洼點(diǎn)、局部路面平整度以及關(guān)鍵路段里面具體起伏情況等。以上這些現(xiàn)象都應(yīng)該通過密集路面點(diǎn)組成具體實(shí)地模型將其呈現(xiàn)出來。而地面三維激光技術(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)掃描測(cè)量被測(cè)物體，并且掃描測(cè)量結(jié)構(gòu)精度以及密度均非常高，這樣就可以直接得到激光點(diǎn)覆蓋的物體表面具體三維坐標(biāo)、具體反射強(qiáng)度以及色彩信息。

1 地面三維激光掃描具體分類和工作原理

（1）依據(jù)測(cè)量方式，可以將地面三維激光掃描系統(tǒng)分成固定式和移動(dòng)式兩種，和全站儀不同，固定式掃描儀主要采集的不是非常離散的那種單點(diǎn)三維坐標(biāo)，其采集的是眾多點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集特點(diǎn)為：掃描范圍比較廣、速度非?？臁⒉杉Y(jié)果精度比較高、同時(shí)野外操作性非常強(qiáng)。而移動(dòng)式掃描系統(tǒng)的基礎(chǔ)是車載平臺(tái)，主要組成部分有：全球定位系統(tǒng)——GPS、固定式掃描系統(tǒng)以及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。

（2）三維激光掃描技術(shù)工作核心原理為激光測(cè)距過程以及三維激光掃描過程，即不斷重復(fù)采集具體數(shù)據(jù)以及處理數(shù)據(jù)的過程。針對(duì)激光掃描儀來說，采樣點(diǎn)屬于系統(tǒng)局部坐標(biāo)，而掃描儀內(nèi)部就是坐標(biāo)原點(diǎn)，通常X 軸和Y 均處于局部坐標(biāo)系相應(yīng)的水平面上，其中Y 軸一般是掃描儀具體掃描方向，而Z 軸則是垂向方向。從而得到掃描目標(biāo)點(diǎn)P，其坐標(biāo)（Xs、Ys、Zs）具體計(jì)算公式為：

X=Ssinθsinα

Y=Ssinθcosα

Z=Scosθ

2 道路工程測(cè)量過程中地面三維激光技術(shù)的具體應(yīng)用

2.1 道路掃描

想要獲得精度非常高的具體數(shù)字地面模型，就一定要確保各表面掃描點(diǎn)具有較高的精度以及均勻的密度[2]。因?yàn)榈孛鎾呙鑳x主要架設(shè)于地面，通常高度是1.6～2.0cm，待測(cè)路面以及激光束不可以處于垂直狀態(tài)?？墒莾x器測(cè)量主要應(yīng)用的是一種極坐標(biāo)方式，和中心投影相似，理論上來說，如果測(cè)量面設(shè)激光束幾乎垂直，那么固定水平步進(jìn)以及垂直步進(jìn)就能夠獲得規(guī)則掃描格網(wǎng)，而如果測(cè)量面以及激光束處于斜交狀態(tài)，相同的設(shè)置就會(huì)獲得變形掃描格網(wǎng)。所以，針對(duì)路面掃描，其會(huì)造成下列問題：①點(diǎn)密度非常不均勻，隨著和儀器越來越接近，相應(yīng)的掃描點(diǎn)就會(huì)變得更加密，否則就會(huì)變稀。同時(shí)隨著距離的改變，密度差異性會(huì)非常大大。②延長(zhǎng)外業(yè)時(shí)間，由于脈沖式掃描速度相對(duì)較慢，若同時(shí)掃描近處以及遠(yuǎn)處，必然會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)處與近處具體點(diǎn)密度相差非常大。想要提升作業(yè)效率，確保點(diǎn)密度非常均勻，可以依據(jù)實(shí)際情況采取分塊掃描方式，并且利用距離控制法以及時(shí)間控制法對(duì)塊進(jìn)行劃分，從而獲得比較理想的測(cè)繪效果。

2.2 確定具體掃描塊

想要有效控制掃描密度，同時(shí)提升測(cè)量效率，就必須合理確定每站具體掃描區(qū)域。道路路面通常都有分道線，而路旁設(shè)置有隔離帶護(hù)欄以及路燈桿等設(shè)備，各設(shè)備相對(duì)距離存在一定的規(guī)律，屬于非常好的參照標(biāo)志[3]。想要不影響交通，方便測(cè)量分塊、架設(shè)以及轉(zhuǎn)站工作，通常儀器架設(shè)于主道兩側(cè)人行路以及路邊花壇中。

2.3 進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.3.1 布設(shè)以及測(cè)量標(biāo)靶和各控制點(diǎn)

進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，該三維激光掃描儀具體測(cè)程并不是沒有限制的。如果掃描儀和掃描目標(biāo)間的夾角不同，那么空間分辨率也存在差異性，隨著夾角變小，空間分辨率會(huì)變低。對(duì)于各掃描距離，測(cè)量點(diǎn)精度也不一樣，此外還會(huì)有障礙物影響通視的狀況發(fā)生，標(biāo)靶能夠把各測(cè)站具體測(cè)量數(shù)據(jù)有效拼接在一起。按照掃描儀測(cè)程，于相鄰測(cè)站重合部位，設(shè)置超過3 個(gè)不規(guī)則標(biāo)靶，便于供點(diǎn)進(jìn)行云拼接，可以通過GPS 或全站儀來測(cè)量控制點(diǎn)具體平面坐標(biāo)。

2.3.2 確定具體采樣間隔，并且開始掃描

確定合理的采樣間隔是非常重要的，如果采樣間隔太大，就會(huì)嚴(yán)重影響到后期數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確度，如果采樣間隔太小，就會(huì)使采集獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，影響到數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)保存和后期數(shù)據(jù)處理工作。在通視條件比較好的時(shí)候，各站掃描距離是30～50m，確保相鄰測(cè)站間存在點(diǎn)云重疊區(qū)域，若通視條件很差，就需要在適當(dāng)位置上增設(shè)一定掃描站數(shù)，一直到掃描完所有測(cè)量目標(biāo)[4]。

2.4 對(duì)內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

外業(yè)掃描獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)十分龐大，不僅有有用數(shù)據(jù)，同時(shí)也有樹葉、車輛以及行人等無用數(shù)據(jù)，該無用數(shù)據(jù)屬于噪聲數(shù)據(jù)。對(duì)于大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)一定要處理之后才可以利用。由點(diǎn)云變成測(cè)繪成果主要經(jīng)歷過程有：點(diǎn)云拼接、進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、實(shí)行數(shù)據(jù)抽隙、進(jìn)行虛擬測(cè)量、利用DEM 建模以及生成具體縱橫斷面圖。

2.4.1 點(diǎn)云拼接

通過布設(shè)以及測(cè)量好的各個(gè)控制點(diǎn)具體三維坐標(biāo)，把拼接完成的點(diǎn)云放進(jìn)我平面直角坐標(biāo)系。利用設(shè)置在測(cè)點(diǎn)重疊位置的不規(guī)則標(biāo)靶，把測(cè)站上掃描獲得的具體點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，該過程就是點(diǎn)云拼接過程[5]。

2.4.2 進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波以及抽隙

所謂數(shù)據(jù)濾波，就是指通過數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理把存在的噪聲數(shù)據(jù)消除。和有用數(shù)據(jù)點(diǎn)云相比，噪聲數(shù)據(jù)比較稀疏，沒有規(guī)律，并且是不連續(xù)的。通過該特點(diǎn)能夠把噪聲數(shù)據(jù)有效剔除。若采集獲得的具體點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及局部數(shù)據(jù)對(duì)道路工程來說太過密集，則需要抽隙處理數(shù)據(jù)，該方式也被叫做去冗。

2.4.3 平面虛擬測(cè)量

一般點(diǎn)云數(shù)據(jù)組成部分是很多三維信息點(diǎn)位，同時(shí)應(yīng)該結(jié)合所拍攝的詳細(xì)真彩色影像，其中前者可以確保表面模型數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)可以確保邊緣以及角落信息足夠完整以及準(zhǔn)確。利用智能軟件平臺(tái)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及影像信息來描述模型紋理，比如，雨水口、車站、燈桿以及房屋和檢查井等。判讀出該具體信息之后，利用常規(guī)測(cè)量地形圖里面的圖示將其表示出來，并且標(biāo)注比例尺密度具體高程點(diǎn)信息和相應(yīng)特征點(diǎn)具體高程信息，就可以獲得所需地形圖。

3 在某道路修建工程中的應(yīng)用

3.1 道路修建工程特點(diǎn)

修建道路的時(shí)候，道路依然處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，車流量非常大，并且車速比較快。想要不影響交通，就應(yīng)該保證進(jìn)行測(cè)量作業(yè)時(shí)車輛沒有斷流。若采取常規(guī)測(cè)量方法，就必須上路測(cè)量，相關(guān)作業(yè)員需要穿行公路，同時(shí)必須在路面上測(cè)量眾多高程點(diǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)非常大?；谝陨线@些風(fēng)險(xiǎn)因素和工作量比較大，在工程修建中采用三維激光掃描儀來完成測(cè)繪作業(yè)。

3.2 具體測(cè)量方法

順著公路最外側(cè)設(shè)置的緊急停車帶確定測(cè)站，掃描測(cè)量范圍里面的目標(biāo)，利通過軟件拼接數(shù)據(jù)。其中拼接精度是：對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行拼接的誤差不能超過8mm，點(diǎn)云拼接誤差不能超過10mm。

處理完點(diǎn)云之后，開展平面虛擬測(cè)量工作，繪制過街天橋、具體道路邊線以及中央隔離帶等地物，還可以采集獲得幾乎所有位置的平面以及高程信息。并且采取傳統(tǒng)測(cè)量方式對(duì)82 個(gè)相同位置具體點(diǎn)位高程進(jìn)行測(cè)量，和三維激光掃描所獲得的成果相比，誤差是0.011m，和規(guī)范要求相符。

4 結(jié)束語

正是因?yàn)榈孛嫒S激光技術(shù)具有測(cè)量數(shù)據(jù)精度非常高、多信息以及高密度的特點(diǎn)，所以可以描述道路工程具體細(xì)節(jié)，給道路工程的設(shè)計(jì)以及復(fù)制工作提供非常可靠的具體資料。依據(jù)路面掃描特點(diǎn)，對(duì)路面掃描測(cè)量具體控制方法進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而有效控制掃描密度，減少外業(yè)時(shí)間。

[1]劉艷紅.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用探析[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015，2（25）：250.

[2]葉巧玲.3D 激光掃描儀測(cè)設(shè)路面平整度及病害研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，26（4）：110～111，150.

[3]馬利，謝孔振，白文斌，等.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2011，10（2）：48～51.

[4]李發(fā)珍.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)繪中的應(yīng)用[J].裝飾裝修天地，2015，5（Z1）：438.

[5]陳楚江，余紹淮，明洋,等.精密機(jī)載激光掃描測(cè)量及道路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2012，29（1）：43～47.