三維激光掃描技術在道路工程測繪中的應用

胡寅銀

摘要：本文從三維激光掃描技術的概念出發，簡單闡述其工作原理，并結合實例對道路工程測繪中應用地面三維激光掃描技術的具體流程進行了說明，希望能對我國道路工程測繪效率的提高與傳統測繪方式中缺陷的完善有所幫助。

關鍵字：三維激光掃描技術；道路工程；測繪；應用

引言

傳統道路工程測繪中往往存在著測繪效率低、測繪人員工作強度大、測繪人員測繪風險較大的缺點。而地面三維激光掃描技術的引入不僅可以有效克服這些缺點，并實現在復雜環境的深入掃描與三維數據的全面采集，因此，我們要加強對三維激光掃描技術的應用研究，有效提高道路工程建設質量。

1三維激光掃描技術概況

1.1三維激光掃描技術概述

三維激光掃描技術主要是通過激光掃描對目標的整體或局部進行高精度測量，以獲得目標的線、面、體、空間等三維數據，然后在計算機系統中重建目標的思維模型與數據。在目標數據的采樣中，采樣點分布可以稱作“點云”。

三維激光掃描核心技術是空間點陣掃描，主要是根據掃描儀器與目標的距離對采樣點的大小進行劃分。實際工作中，根據不同的對象以及精度要求，激光掃描一般分為遠、中、近三種距離，其中，中、遠距離常用于大型目標的測量，近距離則常用于小物體的精確建模。

1.2三維激光掃描原理

掃描儀、電源供應系統和控制器是地面三維激光掃描系統的三個主要組成部分。其中，掃描儀在使用過程中應用的是內部獨立的坐標系統，以儀器為坐標原點O，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖1所示。在XOY平面及其垂直面各有一個反射鏡，在進行測量作業時可快速旋轉，使激光依次掃過被測區域，系統自動同步測量各激光脈沖的空間距離S、水平角α和天頂距θ。每個激光點的坐標按照極坐標原理有：

由于道路工程屬于大型帶狀結構，加之三維激光掃描儀有限的激光射程只能測量到一定的長度，因此在實際工作中普遍需要用到多站測量。此時要通過布設標靶或者根據兩站間重合的特征點、特征面進行兩站之間的拼接最終形成測區的完整三維場景信息。

2道路工程中三維激光掃描作業流程

2.1外業數據采集

2.1.1標靶與測量點的布置

道路工程在進行多站測量時，其實際的掃描測量距離往往是有限的，也因此造成各個激光掃描儀與掃描目標間夾角各不相同的情況，進而導致空間分辨率的差異，同時，其夾角越大分辨率越高。另外，在道路工程測量中，還受到山體的影響，存在激光不能通過障礙物的情況，因此測量一條道路需要設置很多的測站，而如何將各測站的數據連成一體，就需要標靶來完成，根據掃描儀的側成，在各相鄰測站的重合位置布設3個以上不規則圖形的標靶，供后續處理時點云拼接。

2.1.2確定采樣間隔與掃描作業

采樣點的間隔設置是在實際道路工程測量中應用三維掃描技術的關鍵，間隔的過疏或過密都會嚴重影響到其測量精度，進而導致后期數據處理時誤差的產生。尤其是當采樣點設置過于密集時，其龐大的點云數據往往會大幅度提高數據傳輸、存儲以及處理的復雜程度，并造成測量效率的降低。通常情況下，若是道路前方無障礙，只要每個站點的測量距離在30-50米范圍內，就能保證相鄰測站有一定的點云重疊部分；如果道路前方存在一些障礙，則可以適當縮短掃描的距離，直至完成整個道路測繪任務。

2.2內業數據處理

2.2.1數據濾波

通常情況下，使用地面三維激光掃描儀收集到的數據中會包含樹木、車輛、行人等無用的非道路數據，進而造成龐大的數據處理量。因此，在進行數據處理時，首先要將無用的信息剔除，然后再對有用的信息進行分析。數據剔除的過程也叫做數據濾波，主要利用的是噪聲數據不連續、無規律、稀疏與雜亂的特點。

2.2.2點云拼接

從各個測點上掃描到的點云數據，需要通過標靶將這些數據拼接成連貫的數據，這個過程就叫做點云拼接，然后通過控制點構建三維坐標，將拼接后的點云放入到三維坐標系中。圖2為某環城路數據處理后的部分點云圖。

2.2.3平面虛擬測量

點云數據有測量點的坐標點位組成，尚且不能形成有參考價值的信息，因此還需要結合使用CCD相機拍攝的圖像，通過計算機處理平臺，將拼接的點云數據與影像結合，將這些數據在實景中標識出來，表明高程點信息，形成所需的地形圖。

2.2.4建模，生成等高線以及縱橫斷面圖

經過點云拼接以及虛擬測量后形成的數據是一種不規則的空間數據，需要我們對其進行優化，即測繪得出的等高線繪制出具體的橫縱線平面圖。平面圖完成后就可以根據實際需求設置等高線的間距，然后根據道路設計的要求確定斷面的間距以及斷面的寬度，以形成任意縱橫斷面圖。

3三維激光掃描技術在測繪領域的發展趨勢

三維激光掃描技術，雖然已經在很多的領域體現出了非常好的作用，但是在我國的三維激光掃描技術未來發展中，主要還是需要朝著這樣的一些方面進行努力：一，三維激光掃描設備，必須要進行自主的研發，要真正能夠實現國產化，尤其是關鍵技術的國產化；二，就是需要是實現更好地公用化，必須要更好地結合云處理技術；三，三維激光掃描技術的精度還能進一步的提高，三維激光掃描技術的掃描范圍能夠更廣；四，三維激光掃描技術，還能更好地結合影像技術，在獲得三維數據的同時，實現三維圖像的同步建立。所以說，三維激光掃描技術，在未來的應用空間還很大，值得探索的地方還很多。

結束語

地面三維激光掃描技術與道路工程測繪的結合是技術上一項突破性的創新之舉，該技術不僅彌補了傳統道路測量的缺相，而且無論速度上還是數據準確程度上都有了革命性的創新轉變，有效減少了人力、物力的投入。并且該技術具有靈活高效的特點，對工程的選址以及數據的處理都大大減少了限制，因此，該技術的應用勢必會帶動我國道路工程技術的發展，為道路建設作出更多的貢獻。

參考文獻

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