三維激光掃描技術在道路工程測量中的應用

摘? 要：道路工程測量是道路工程的施工基礎和保障，因此道路工程測量的質量一直以來都是受到重點關注的。尤其是隨著社會經濟的不斷發展，道路工程的作用越來越重要，對道路工程測量的要求也就越來越高。傳統的道路工程測量技術已經無法滿足現代道路工程測量的基本要求，新的技術受到了越來越廣泛的應用。該文主要研究的是三維激光掃描技術在道路工程測量中的應用。

關鍵詞：三維激光掃描技術? 道路工程? 測量

中圖分類號：TH457? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0046-02

道路工程對我國社會經濟的發展有著十分重要的影響，因此道路工程的施工質量一直以來都備受關注。而作為道路工程施工質量的基礎和保障，道路工程測量工作也受到了較多的關注。傳統的道路工程測量技術已經完全無法滿足現代道路工程測量的基本需求，新的技術手段在實際測量過程中不斷被開發和應用，使用現代化技術手段以及設備進行道路測量工作已經是常態，但是這種應用依舊是平面化的，沒有辦法將測量工作以及測量數據立體化，使得測量數據在實際運用的過程中無法發揮更大的作用。由此，三維激光掃描技術進入了人們的視野，并在道路工程測量工作中得到了越來越廣泛的應用。在道路工程測量中使用三維激光掃描技術不僅能夠將測量數據立體化，還能對測量區域進行空間描繪，讓測量數據更加精準，具有更高的參考價值，有利于道路工程測量工作的長期發展。

1? 技術概況

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術主要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。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對于傳統的單點測量，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。三維激光掃描系統包含數據采集的硬件部分和數據處理的軟件部分。按照載體的不同，三維激光掃描系統又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。應用掃描技術來測量工件的尺寸及形狀等原理來工作。主要應用于逆向工程，負責曲面抄數，工件三維測量，針對現有三維實物（樣品或模型），在沒有技術文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數據，并加以建構、編輯、修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型。

三維激光掃描技術的關鍵技術有點云、建模、空間點陣掃描，其中空間點陣掃描屬于核心技術，通過掃描儀與目標距離的遠近來劃分采樣點的大小，不同大小的采樣距離適用于不同的對象，中遠距離一般用于大型目標的測量，近距離則用于小物體的精準測量。

1.2 道路工程中三維激光掃描原理

道路測量中運用的三維激光掃描由掃描儀、電源以及控制器3個部件組成。與一般的三維掃描不同，道路測量工程中面對的掃描對象不再是一個物體，而是一片區域，因此在道路工程中運用的激光掃描儀中有一套獨立的坐標系統，以掃描儀的位置為原點，橫向的掃描面為X，垂直的掃描面為Y，與掃描面立面垂直的為Z，對掃描的位置進行三維的立體定位，并且在掃描的過程中能夠進行快速的旋轉，應用靈活，掃描范圍廣，并且得出的數據更加準確。

2? 道路工程中三維激光掃描作業流程

2.1 外業數據采集

外業數據采集主要針對的是被掃描對象的外觀數據，包括長、寬、高、面積、體積等。在進行外業數據采集的過程中需要布設一定距離的標靶和測量點，然后再進行目標的全景掃描，數據掃描主要有三維激光掃描與標靶三維坐標測量兩項作業內容，在進行數據采集的過程中要特別關注以下兩個方面。

2.1.1 標靶與測量點的布置

三維激光掃描的掃描范圍雖然很廣，但畢竟是有限的，和道路工程中涉及到的道路來比就顯得十分狹窄，再加上激光掃描儀和掃描目標之間還存在著不同程度的夾角，對空間測量結果的分辨率會造成一定的影響。此外，道路工程屬于室外作業，在整個工程范圍內植被、水文、地形都有所不同，整個工程范圍并不是一覽無余的，總會存在障礙物。這些障礙物是極廣不能穿透的。因此在對道路工程進行測量的過程中需要設置很多的測量點，再將這些測量點的數據連成一體，得到最終的測量結果。這些測量點數據的連貫性就需要由標靶來保證，根據掃描儀的測程，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，以便在后續處理時能夠通過點云拼接將測量點的數據連成完整的整體。

2.1.2 確定采樣間隔與掃描作業

道路工程是一項范圍比較廣，距離比較長的工程，面對這樣的工程進行測量作業就需要借助采樣點來保證測量的準確性，采樣點的密集程度會對數據結果以及后期的數據處理造成十分大的影響。采樣點間隔太大會導致采樣數據不連貫，一些重要的地勢變化和道路情況就會被遺漏掉，給后期的施工帶來不必要的麻煩;而采樣點間隔太小又會造成測量數據過于密集，點云數據龐大，這對環境和條件相對較差的戶外作業來說，會給數據的傳輸、存儲、分類都帶來較大的麻煩，可能會造成數據的誤差，而如此大體量的數據也增加了后期處理數據的復雜性，大大降低了測量工作的效率。因此在實際測量的過程中，對于采樣點的間隔距離要進行嚴格的把控，在無障礙的情況下，保持在30～50m的距離范圍內，從而保證數據的合理性和連貫性，對于有地勢變化的路段則要根據實際情況來進行調整。

2.2 內業數據處理

內業數據處理則主要包括與被測量對象相關的樹木、車輛、行人、水文、環境等相關信息，在進行內業數據處理的過程中要根據相關的要求，將無用的信息剔除出去，留下有用的信息進行分析研究。內業數據處理的主要流程包括有設計方案、收集數據、數據濾波、點云拼接、平面虛擬測量、DEM建模、縱橫斷面圖生成幾個步驟，其中重點需要關注的是以下幾個步驟。

2.2.1 數據濾波

數據濾波就是對三維激光掃描收集到的數據進行過濾，將例如行人、車輛、樹木等對道路測量無用的數據剔除出去，這個過濾和剔除主要是利用噪聲數據不連續、無規律、稀疏、雜亂的特點將噪聲數據與有用數據區分出來，再進行剔除的。

2.2.2 點云拼接

從個測量點上掃描得到的點云數據都是不連貫或者存在重疊的一段一段的獨立數據，要想得到整個道路工程的具體數據就需要通過點云拼接將這些獨立的數據段落連接起來，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。

2.2.3 平面虛擬測量

雖然點云拼接具有三維坐標，但是與實際情況還是具有一定差距的，并不能形成有效的參考。平面虛擬測量就是將點云拼接得到的數據與CCD相機拍攝的圖像結合起來，將數據尺寸在實景中標識出來，表明高程點信息，形成所需的地形圖。

3? 結語

綜上所述，三維激光掃描技術在道路測量工程中受到了越來越廣泛的應用，不僅大大節省了人力，提高了測量效率，更提高了測量工程的準確度和精確度，對我國道路工程的施工與發展有著極大的推動作用。在運用三維激光技術的過程中，要注意相關的操作要求，對重點的操作步驟要謹慎對待，反復檢查，以保證測量數據的準確性和參考價值。

參考文獻

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①作者簡介：王佳樂（1998—），男，漢族，河北石家莊人，本科在讀，研究方向：激光。