淺析3D掃描儀在道路工程竣工中路面檢測的應用

王馨偉 葉巧玲

(重慶交通大學 重慶 400074)

淺析3D掃描儀在道路工程竣工中路面檢測的應用

王馨偉 葉巧玲

(重慶交通大學 重慶 400074)

3D激光掃描技術又被稱作實際景物復制技術，是突破GPS技術的又一次技術革命，走在當前測繪領域最前沿的。它突破了傳統手工和半機械化法中以“點”檢測或“輪跡”檢測的數據采集缺陷如數量少，精確度低，耗時長等。而3D掃描技術以配準模塊(IMAlign)為點云數據收集軟件工具，并且在一個完整的三維坐標系中繪制點云數據并將其轉化為清晰明了的三維立體圖像。對于路面工程的竣工檢驗中以彎沉值、車轍、平整度、抗滑性能(構造深度、摩擦系數)為主要參數。這些參數都需要經過精準的測量、計算、整理、分析后才能得到準確的結果。3D激光掃描技術不僅可以高效精確的完成檢驗，并且所獲得的數據便于整理且更具有參考意義。

3D激光掃描；竣(交)工驗收；點云；配準模塊；檢驗

一、引言

三維掃描技術是一項極為實用的新型技術，三維掃描技術集合了機械技術、光學技術、計算機技術等，將傳統的測繪工藝經過電子傳感技術和多種現代高科術發展而來。就當下而言三維掃描技術已經廣泛的運用到各行各業，如測繪工程領域、結構測量方面、建筑、古跡測量方面、緊急服務業、采礦業等。目前，三位掃描技術在竣工路面檢測方面并沒有深入研究。而就三維掃描技術的諸多優勢而言，可以極大的彌補竣工路面的檢測的耗時費力的缺陷。

二、3D掃描技術工作原理、流程、分類

三維激光掃描技術是近年來出現的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。它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的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。

3D掃描技術工作原理和流程：掃描儀發射激光，激光到達目標的時間計算掃描儀和目標間距離，如此可以得到豎向坐標。然后根據目標與激光水平和垂直方向的步進角距值，分別得到橫向和垂直坐標。得到的云點數據經除粗差、拼模型、參數統一、數據壓縮、建模、應用分析等程序后再儲存整理三維激光測量的技術優勢和缺點。配準模塊(IMAlign)：在光學非接觸三維測量中，復雜對象的重構需要多組測量數據的配準。為了獲得好的配準結果，提出一種新的配準方法——直接誤差分析配準方法。該方法基于一種新型的雙目CCD光柵投影測量系統進行測量和分析。經過配準模塊軟件加工處理后轉化為3D圖像格式。

主要分類：按測量方式可分為三維激光掃描儀的不同樣式，于脈沖式；基于相位差；基于三角測距原理。按用途可分為為室內型和室外型。也就是長距離和短距離的不同。一般基于相位差原理的三維激光掃描儀測程較短，只有百米左右。而基于脈沖式原理的三維激光掃描儀測程較長，測程最遠的可達6公里

三、三維激光掃描技術的優缺點

(一)三維激光掃描的技術優勢

遠距離非接觸測量：三維激光掃描技術的最大特點就是遠距離的非接觸測量。三維地面激光掃描是直接利用發生激光器對物體進行測量，直接獲取物體表面的三維激光點云坐標數據，不需要發射棱鏡或人工到達現場進行測量。三維激光掃描系統獲取的激光點云數據坐標真實可靠。可以用于危險地、人員難以到達等地方的遠距離測量，比傳統測量方法具有較大的優勢。

數據密度大、速度快：無論是脈沖式激光掃描設備還是相位式激光掃描設備，激光掃描速度可達到數千點/秒甚至可以達到數十萬點/秒。激光獲取點云的掃描速度是傳統方法不能比擬的。

自發激光：三維激光掃描設備通過激光發射器主動發射激光，利用回波信號得到被測物體的點坐標數據信息，現場測量時，不受外部環境的影響。

精度高：三維激光測量系統可以獲取高密度和高精度的激光點云數據，采集到的激光點云數據分辨率也較高。

可與常規測量設備聯合使用：三維激光掃描技術可以獲取被測物體的多種信息，包括激光點云坐標、RGB信息和反射率信息等，這些信息大大擴展了三維激光掃描技術的應用范圍，特別是和傳統的全站儀、GPS等測量手段結合使用，進一步擴大了三維激光掃描技術的應用。

(二)三維地面激光掃描技術的缺點

盡管地面三維激光掃描儀在眾多行業中得到廣泛應用，但地面三維掃描儀的使用受地形、天氣和使用人員技術水平的限制，也存在眾多不足，歸納如下：

精度難以校驗。目前地面掃描設備多為封閉式系統，不同廠家使用的激光發射器不同，其測量精度也不同，再受到外部環境的影響，激光掃描精度通常難以檢校。

后處理工作量大。由于激光獲取了被測物體大量的信息數據，這些數據有些可用，有些不可用，對獲取的點云數據的處理目前是影響該技術發展的一個重要因素。目前已有的后處理軟件功能偏少(特別是專業應用功能)、數據處理量有限，且很多算法不夠完善，造成了現場掃描容易，后期數據處理及應用較為困難。

操作規程和數據處理規范的缺乏。野外數據采集和數據處理受人員水平限制，精度和成果質量難以保證，需要對地面激光掃描進行測繪的標準化研究。

不同站次坐標拼接和植被過濾問題仍是地面三維激光掃描難以逾越的問題。在一些特殊行業應用中，數據可重復性也受到一定的限制。

四、三維激光技術在路面竣工驗收的作用

基于三維激光技術的優缺點，三維激光技術在路面竣工驗收中的作用將體現在以下幾個方面：

首先，路面竣工驗收中彎沉值檢驗，路面彎沉值變化是一個較為復雜的變化，需要考慮諸多綜合因素，路面每層材料性能因素、結構因素、壓實因素、溫度因素、濕度環境因素、交通狀況等。檢測時主要影響因素是環境條件和施工人員的檢測水平對彎沉的大小有較大的影響。而瀝青路面的彎沉檢驗是一個長時間的過程簡要分為三個階段，大概需要4年左右。

三維激光掃描技術可控制力強，可以大范圍使用，極大的縮減了多次測量所需的時間和人力。

三維激光掃描檢測速度快，縮短竣工路面檢測所需工期，而且所需檢驗人員數量少可以縮減檢驗所需成本，就精確度而言，三維激光掃描技術發生激光直接達到檢測目標利用回聲定位系統確定數據且不受外界環境影響，因此所得數據比傳統的多次檢驗方法準確。

三維激光技術最大的優勢既是可以建立完整的三維模型，而非僅僅的數據組，在三維模型圖中即便于觀察和檢測所需要的彎沉值還可推算路面的其他數據如平整度、抗滑性能等。并且三維模型圖像更容易進行對比分析，有清晰的圖像對比便于研究人員進行整理和分析，從直觀圖像對比中獲得經驗教訓和創造靈感。同時也為數據收集帶來了方便。

[1]葉巧玲,張明.3D激光掃描系統在路面功能檢測中的應用[J].山西建筑.2007,33(12)

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[3]邢正全,鄧喀中.三維激光掃描技術應用于邊坡位移監測[J].地理空間信息.2011,9(1)

[4]林靜,湯汶,萬韜阮.基于結構光的3D激光掃描儀系統研究[J].微機處理.2013,(1)

[5]張德軍,皺順平.淺談土地測繪技術的發展[J].山西建筑.2009,35(29)

王馨偉(1990-)，男，漢，內蒙古，重慶交通大學研究生在讀，研究方向：道路路面材料。