應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的道路工程測量研究

吳浩 朱盼

摘? 要：本文從市政道路工程對測繪的需求出發(fā)，探討了三維激光掃描技術(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。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)地形測量手段相比，三維激光掃描技術(shù)可以快速獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，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(qiáng)度，將工作重點(diǎn)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(jìn)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。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描? 道路工程? 外業(yè)掃描? 內(nèi)業(yè)處理

中圖分類號：TU198 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）02（c）-0007-03

Research on Road Engineering Survey Using 3D Laser Scanning Technology

WU Hao1? ZHU Pan2

（1.China Railway Bridge Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China; 2. CCCC Second Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China）

Abstract： Based on the requirements of Surveying and mapping of municipal road engineering， this paper discusses the field operation method and interior mapping method of three-dimensional laser scanning technology in municipal road engineering survey. The results show that compared with traditional topographic survey methods， 3D laser scanning technology can quickly obtain massive point cloud data， greatly improve the work efficiency of field survey， reduce the intensity of field survey work， and shift the focus of work to the internal work. In addition， through the comparative analysis of the mapping results of scanner and total station， it is found that the accuracy of 3D laser scanner can fully meet the requirements of topographic mapping.

Key Words： 3D laser scanning; Road engineering; Field scanning; Interior processing

道路縱橫斷面是道路方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料，縱斷面可以反映中線上地面起伏情況，橫斷面可以反映垂直中線方向的起伏情況[1]。通常我們使用全站儀，GPS和水準(zhǔn)儀來測量道路斷面，但是這些測量方法是單點(diǎn)接觸式測量，工作速度很慢，數(shù)據(jù)的密度低，無法準(zhǔn)確反映地面的上升和下降[2]。對于某些地形復(fù)雜且波動較大的地區(qū)，傳統(tǒng)測量方法存在很大缺陷。三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，也被稱為實(shí)景復(fù)制技術(shù)。它可以完全、高精度地重建被掃描物體的空間形狀，無需接觸被測物體即可獲得空間物體的精確的三維位置信息以及精確的顏色和紋理信息，真正實(shí)現(xiàn)了高度精確的非接觸式測量[3]。本文主要以市政道路工程為例，對市政道路工程勘察中三維激光掃描技術(shù)的現(xiàn)場操作方法和內(nèi)業(yè)制圖方法進(jìn)行探討。

1? 市政道路工程的分類及對測繪內(nèi)容的要求

市政公路項(xiàng)目主要分為兩類：公路建設(shè)和公路維修。測繪部門測繪設(shè)計(jì)線的1/500或1/1000比例尺地形圖應(yīng)由設(shè)計(jì)單位在新路的設(shè)計(jì)階段使用[4]。確定了施工中心線后，將對與設(shè)計(jì)中心線相對應(yīng)的每個(gè)樁點(diǎn)的中心線的橫截面數(shù)據(jù)和縱向截面數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和繪圖。大比例尺地形圖不僅用作設(shè)計(jì)路線的依據(jù)，而且還反映道路建設(shè)范圍內(nèi)的特征，地形和地貌，并由拆遷單位用來計(jì)算數(shù)量和拆遷補(bǔ)償費(fèi)[5]。

道路整修項(xiàng)目是指由于裂縫、損壞，出現(xiàn)車轍、汽車站、港口而需要重新規(guī)劃的原始道路。這種類型的項(xiàng)目需要當(dāng)前的大比例尺地形圖，除了測量總橫截面外，所有地面交通設(shè)施還具有另一個(gè)功能，例如各種交通標(biāo)志、交通信號燈、公交車站、道路上的所有護(hù)欄甚至車道分隔線、車轍和隔離區(qū)域，各種管道檢查人孔蓋的上部路面類型和范圍、位置、尺寸和高程必須在地形圖上準(zhǔn)確指出[6]。為了準(zhǔn)確地確定加鋪厚度，設(shè)計(jì)人員對工程圖的高程密度有很高的要求，并且需要每10m測量一組高程，而交叉點(diǎn)通常需要測量5m高程網(wǎng)格。

2? 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(dá)270m，滿足各種掃描任務(wù)的要求。

3? 技術(shù)方案設(shè)計(jì)

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

3.1 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(biāo)系下，需沿道路中線均勻布設(shè)控制點(diǎn)。

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》（CJJT73—2010）中一級GNSS點(diǎn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。高程控制測量采用《工程測量規(guī)范》（GB50026—2001）中四等水準(zhǔn)測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

（2）設(shè)站掃描。

沿著道路中線設(shè)站掃描，在控制點(diǎn)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(diǎn)的區(qū)域采用自由設(shè)站通過標(biāo)靶配準(zhǔn)的方式，從而保證了作業(yè)效率及數(shù)據(jù)的精度。

3.2 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(diǎn)云都是以掃描測站為參考點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系，需要在Cyclone中對點(diǎn)云進(jìn)行拼接及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)拼接換至統(tǒng)一的城市坐標(biāo)系下。（2）點(diǎn)云去噪，由于拼接后完整的點(diǎn)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(diǎn)。（3）地形圖及縱橫斷面繪制。①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(dú)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。②縱橫斷面繪制，將道路中線導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，在Cyclone中對點(diǎn)云進(jìn)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。③對地形起伏較大區(qū)域可以用Cyclone生成等高線，計(jì)算土方量。（4）精度評定，使用全站儀對現(xiàn)場重要地物進(jìn)行測量，以此檢查掃描成果的平面點(diǎn)位精度和高程精度。

4? 道路工程案例分析

4.1 工程概況

某條道路進(jìn)行大修，根據(jù)設(shè)計(jì)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(xiàng)目工期較緊，綜合考慮后決定采取Leica-P40三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)結(jié)合Cyclone及CAD等軟件進(jìn)行地形圖、縱橫斷面繪制。

4.2 外業(yè)掃描

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

4.3 點(diǎn)云拼接及道路點(diǎn)云提取

外業(yè)掃描結(jié)束后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)導(dǎo)入Cyclone中，點(diǎn)云拼接具體實(shí)現(xiàn)采用控制點(diǎn)拼接和標(biāo)靶拼接，拼接完成后對點(diǎn)云進(jìn)行去噪，剔除周邊冗余點(diǎn)云只留下道路點(diǎn)云。道路點(diǎn)云模型如圖1所示。本次拼接最大拼接誤差為1.4cm，多數(shù)誤差在1cm以內(nèi)，拼接精度可以滿足該工程的需要。

4.4 地形圖繪制

利用拼接點(diǎn)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(diǎn)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(jì)提供中線導(dǎo)入點(diǎn)云中，利用Cyclone切片功能按照中線樁號對拼接后點(diǎn)云進(jìn)行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)，見圖2。

4.5 精度評定

根據(jù)項(xiàng)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(yàn)證地形地物點(diǎn)及縱橫斷面的精度，這里對地形圖部分地物點(diǎn)（如窨井、房角點(diǎn)等）的平面位置精度、高程精度斷面點(diǎn)的高程精度進(jìn)行驗(yàn)證。使用全站儀和水準(zhǔn)儀采集特征地物點(diǎn)，采集21點(diǎn)地物點(diǎn)高程，20點(diǎn)縱斷面點(diǎn)高程，在拼接后點(diǎn)云中提取對應(yīng)點(diǎn)平面及高程值進(jìn)行精度分析。

經(jīng)過整理計(jì)算，地物檢查點(diǎn)平面中誤差7.61cm，地物檢查點(diǎn)高程中誤差為0.91cm，縱斷面高程中誤差為0.78cm。所有檢查點(diǎn)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。

4.6 數(shù)據(jù)量及工作效率對比

傳統(tǒng)方式進(jìn)行道路地形及縱橫斷面測量時(shí)，一般只采集明顯地物點(diǎn)及縱橫斷面地形變化處地形點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)量有限，一般情況10個(gè)左右地形點(diǎn)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(diǎn)云模型，設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)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(jì)更好的方案，如圖3所示。

另外三維激光掃描技術(shù)可以人員作業(yè)強(qiáng)度，減少作業(yè)時(shí)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(gè)工作日，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理大約需一個(gè)工作日，共采集地形點(diǎn)數(shù)據(jù)600個(gè)點(diǎn);而使用掃描議外業(yè)測量（外業(yè)掃描）僅需幾個(gè)小時(shí)，外業(yè)效率極高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間相當(dāng)，且數(shù)據(jù)量豐富。

5? 結(jié)語

運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地形測量，能快速、詳細(xì)的獲取地形表面詳細(xì)、真實(shí)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(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，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(qiáng)度，將工作重點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(gè)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(diǎn)云的各種非地形點(diǎn)剔除要求，一般需要手動剔除大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。另外掃描點(diǎn)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(yuǎn)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。

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