三維激光掃描技術在市政道路工程中的應用

楊建強

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在市政道路工程中，傳統地形圖數據采集方式有全站儀、GPS等，但是這些方式所采集的地形數據總量有限。一般應根據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，且數據采集時間長，外業工作強度大，對于一些危險無法到達的區域無法測量。三維激光掃描技術是近些年來發展起來的一項新技術，又被稱為實景復制技術，它能夠完整并高精度地重建掃描物體的空間形態，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在市政道路工程測量中的外業作業方法及內業成圖方法。

1 三維激光掃描技術簡介

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、WFD波形數字化技術、Mixed Pixels技術和HDR圖像技術，使得該儀器具有更高的性能和穩定性，掃描距離可以到達270 m，滿足各種掃描任務的要求，見圖1。

圖1 Leica P40掃描儀

2 技術方案設計

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

2.1 外業掃描方案

（1）控制測量，為了將掃描數據統一到城市坐標系下，需沿道路中線均勻布設控制點。

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

（2）設站掃描

沿著道路中線設站掃描，在控制點架設掃描儀對中整平并量取儀器高，設定好掃描參數后開始掃描。對于沒有控制點的區域采用自由設站通過標靶配準的方式，從而保證了作業效率及數據的精度。

2.2 內業處理方案

（1）數據拼接，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換，將掃描點云數據轉拼接換至統一的城市坐標系下。

（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）、構筑物及樹木等，利用Cyclone軟件中將非地形、地物數據刪除，減少數據冗余，處理后數據僅包含地表點。

（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、房屋等現狀特征可以直接描邊。

b.縱橫斷面繪制，將道路中線導入點云數據中，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據輸出繪制縱橫斷面。

c.對地形起伏較大區域可以用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，根據設計專業提供的測量要求需提供1∶500數字地形圖、道路縱橫斷面等，由于現場車流量較大，地形地物復雜，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掃描，內業結合Cyclone及CAD等軟件進行地形圖、縱橫斷面繪制。

3.2 外業掃描

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

圖2 掃描沿線布設控制點

3.3 點云拼接及道路點云提取

外業掃描結束后，將點云數據及控制點導入Cyclone中，點云拼接具體實現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，多數誤差在1 cm以內，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據以TXT格式導出，在CAD軟件中按照傳統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，然后將設計提供中線導入點云中，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據，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范（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

3.7 數據量及工作效率對比

傳統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，采集數據量有限，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，設計階段設計人員可以根據高精度的掃描數據更精確的確定工作量及設計更好的方案，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可以人員作業強度，減少作業時間，提高作業效率。該工程使用傳統方式作業外業測量（1∶500地形圖及縱橫斷面測量）需要兩個工作日，內業數據處理大約需一個工作日，共采集地形點數據600個點；而使用掃描議外業測量（外業掃描）僅需幾個小時，外業效率極高，內業數據處理時間相當，且數據量豐富。

4 結語

運用三維激光掃描技術進行地形測量，能快速、詳細的獲取地形表面詳細、真實的信息。與傳統地形測量手段相比，掃描儀快速獲取海量點云數據的特點，極大提高了外業測量工作效率，降低外業測量工作的強度，將工作重點轉移到內業。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，發現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據的地形圖繪制的方法，只能通過將數據在各個軟件之間轉換、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據。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成熟應用于地形圖繪制還需要長期的研究。