三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用

楊建強

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在市政道路工程中，傳統(tǒng)地形圖數(shù)據(jù)采集方式有全站儀、GPS等，但是這些方式所采集的地形數(shù)據(jù)總量有限。一般應(yīng)根據(jù)地形圖的比例需要有選擇性的進行地形測量，對不同比例尺的地形圖測量的詳細程度不同，且數(shù)據(jù)采集時間長，外業(yè)工作強度大，對于一些危險無法到達的區(qū)域無法測量。三維激光掃描技術(shù)是近些年來發(fā)展起來的一項新技術(shù)，又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，它能夠完整并高精度地重建掃描物體的空間形態(tài)，無需接觸被測物體即可獲取空間物體的精確的三維位置信息及準確的色彩紋理信息，真正實現(xiàn)了高精度的非接觸測量。本文主要以市政道路工程為例，探討三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程測量中的外業(yè)作業(yè)方法及內(nèi)業(yè)成圖方法。

1 三維激光掃描技術(shù)簡介

Leica公司的P40三維激光掃描儀完美融合了高精的測距測角技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)、Mixed Pixels技術(shù)和HDR圖像技術(shù)，使得該儀器具有更高的性能和穩(wěn)定性，掃描距離可以到達270 m，滿足各種掃描任務(wù)的要求，見圖1。

圖1 Leica P40掃描儀

2 技術(shù)方案設(shè)計

技術(shù)方案主要包含控制測量、外業(yè)掃描、點云拼接與去噪、地形圖繪制、縱橫斷面繪制等步驟。

2.1 外業(yè)掃描方案

（1）控制測量，為了將掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一到城市坐標系下，需沿道路中線均勻布設(shè)控制點。

平面控制測量采用上海虛擬參考站技術(shù)布設(shè)，根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》（CJJT 73—2010）中一級GNSS點的技術(shù)標準實施。高程控制測量采用《工程測量規(guī)范》（GB 50026—2001）中四等水準測量技術(shù)標準實施。

（2）設(shè)站掃描

沿著道路中線設(shè)站掃描，在控制點架設(shè)掃描儀對中整平并量取儀器高，設(shè)定好掃描參數(shù)后開始掃描。對于沒有控制點的區(qū)域采用自由設(shè)站通過標靶配準的方式，從而保證了作業(yè)效率及數(shù)據(jù)的精度。

2.2 內(nèi)業(yè)處理方案

（1）數(shù)據(jù)拼接，由于獲取的每站掃描點云都是以掃描測站為參考點的獨立坐標系，需要在Cyclone中對點云進行拼接及坐標轉(zhuǎn)換，將掃描點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)拼接換至統(tǒng)一的城市坐標系下。

（2）點云去噪，由于拼接后完整的點云中包含移動物體（車、人等）、構(gòu)筑物及樹木等，利用Cyclone軟件中將非地形、地物數(shù)據(jù)刪除，減少數(shù)據(jù)冗余，處理后數(shù)據(jù)僅包含地表點。

（3）地形圖及縱橫斷面繪制

a.地形圖繪制，使用CloudWorx在CAD中繪制1∶500地形圖。窨井、樹、桿等有規(guī)則形狀的獨立地物，采用擬合中心的方法獲取位置；路邊線、房屋等現(xiàn)狀特征可以直接描邊。

b.縱橫斷面繪制，將道路中線導(dǎo)入點云數(shù)據(jù)中，在Cyclone中對點云進行切片，縱斷面沿道路中線做切片，橫斷面按樁號垂直中線做切片并將切片數(shù)據(jù)輸出繪制縱橫斷面。

c.對地形起伏較大區(qū)域可以用Cyclone生成等高線，計算土方量。

（4）精度評定，使用全站儀對現(xiàn)場重要地物進行測量，以此檢查掃描成果的平面點位精度和高程精度。

3 市政道路工程案例分析

3.1 工程概況

某條道路進行大修，根據(jù)設(shè)計專業(yè)提供的測量要求需提供1∶500數(shù)字地形圖、道路縱橫斷面等，由于現(xiàn)場車流量較大，地形地物復(fù)雜，項目工期較緊，綜合考慮后決定采取Leica-P40三維激光掃描儀進行外業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)結(jié)合Cyclone及CAD等軟件進行地形圖、縱橫斷面繪制。

3.2 外業(yè)掃描

掃描沿線布設(shè)有控制點，在控制點上設(shè)站掃描將掃描坐標系轉(zhuǎn)換至已知坐標系下。本次外業(yè)共掃描10站，掃描線路350 m，掃描測站沿線路均勻分布，見圖2。

圖2 掃描沿線布設(shè)控制點

3.3 點云拼接及道路點云提取

外業(yè)掃描結(jié)束后，將點云數(shù)據(jù)及控制點導(dǎo)入Cyclone中，點云拼接具體實現(xiàn)采用控制點拼接和標靶拼接，拼接完成后對點云進行去噪，剔除周邊冗余點云只留下道路點云。拼接及去道路點云模型見圖3～圖5。

圖3 點云拼接成果

圖4 點云拼接精度

圖5 道路點云模型

從拼圖中可以看出，本次拼接最大拼接誤差為1.4 cm，多數(shù)誤差在1 cm以內(nèi)，拼接精度可以滿足該工程的需要。

3.4 地形圖繪制

利用拼接點云在Cyclone和CAD軟件中繪制道路1∶500地形圖及道路縱橫斷面。也可以直接提取地形地物點及縱橫斷面數(shù)據(jù)以TXT格式導(dǎo)出，在CAD軟件中按照傳統(tǒng)方式繪制地形圖及縱橫斷面。為了提高繪圖效率，這里綜合使用Cyclone和CAD軟件繪制地形圖，然后將設(shè)計提供中線導(dǎo)入點云中，利用Cyclone切片功能按照中線樁號對拼接后點云進行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)，見圖6～圖8。

圖6 1∶500地形圖

圖7 縱斷面圖

圖8 橫斷面圖

3.5 總橫斷面提取

3.6 精度評定

根據(jù)項目要求本工程需提供1∶500地形圖及道路縱橫斷面成果，為了驗證地形地物點及縱橫斷面的精度，這里對地形圖部分地物點（如窨井、房角點等）的平面位置精度、高程精度斷面點的高程精度進行驗證。使用全站儀和水準儀采集特征地物點，采集21點地物點高程，20點縱斷面點高程，在拼接后點云中提取對應(yīng)點平面及高程值進行精度分析，見圖9～圖11。

圖9 地物點平面誤差分布圖

圖10 地物點高程誤差分布圖

圖11 縱斷面高程誤差分布圖

經(jīng)過整理計算，地物檢查點平面中誤差7.61 cm，地物檢查點高程中誤差為0.91 cm，縱斷面高程中誤差為0.78 cm。從表中可以看出，地物檢查點平面誤差分布在5～10 cm之間。地物檢查點高程較差分布在-3 cm～+2 cm之間，縱斷面高程較差分布在-1 cm～+2.5 cm之間。所有檢查點平面及高程較差的分布圖，精度可以滿足工程測量規(guī)范（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

3.7 數(shù)據(jù)量及工作效率對比

傳統(tǒng)方式進行道路地形及縱橫斷面測量時，一般只采集明顯地物點及縱橫斷面地形變化處地形點，采集數(shù)據(jù)量有限，一般情況10個左右地形點即表示一條橫斷面；而三維激光掃描通過非接觸測量的方式直接獲取高精度道路地表三維點云模型，設(shè)計階段設(shè)計人員可以根據(jù)高精度的掃描數(shù)據(jù)更精確的確定工作量及設(shè)計更好的方案，見圖 12、圖 13。

圖12 全站儀測量縱橫斷面成果

圖13 三維激光掃描縱橫斷面成果

另外三維激光掃描技術(shù)可以人員作業(yè)強度，減少作業(yè)時間，提高作業(yè)效率。該工程使用傳統(tǒng)方式作業(yè)外業(yè)測量（1∶500地形圖及縱橫斷面測量）需要兩個工作日，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理大約需一個工作日，共采集地形點數(shù)據(jù)600個點；而使用掃描議外業(yè)測量（外業(yè)掃描）僅需幾個小時，外業(yè)效率極高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時間相當，且數(shù)據(jù)量豐富。

4 結(jié)語

運用三維激光掃描技術(shù)進行地形測量，能快速、詳細的獲取地形表面詳細、真實的信息。與傳統(tǒng)地形測量手段相比，掃描儀快速獲取海量點云數(shù)據(jù)的特點，極大提高了外業(yè)測量工作效率，降低外業(yè)測量工作的強度，將工作重點轉(zhuǎn)移到內(nèi)業(yè)。另外本文通過將掃描儀測圖與全站儀測圖成果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)三維激光掃描儀的精度完全可以滿足地形圖測繪的要求。

目前還沒有一套完整有效的基于點云數(shù)據(jù)的地形圖繪制的方法，只能通過將數(shù)據(jù)在各個軟件之間轉(zhuǎn)換、處理，最終繪制成地形圖。并且還沒有完善的軟件能夠滿足點云的各種非地形點剔除要求，一般需要手動剔除大量的點云數(shù)據(jù)。另外掃描點云中只能分辨出距離較近的地面上窨井類型，對于距離較遠的窨井只能判斷井位不能判斷類型。因此將三維激光掃描技術(shù)成熟應(yīng)用于地形圖繪制還需要長期的研究。