基于三維激光掃描技術(shù)的工程施工測(cè)量應(yīng)用研究

楊國(guó)林1，韓峰2，王丹英1

(1.蘭州交通大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，蘭州730070； 2.甘肅省地理國(guó)情監(jiān)測(cè)工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州730070)

摘要：三維激光掃描儀作為一種新型的非接觸式海量高精度數(shù)據(jù)獲取手段, 在國(guó)內(nèi)外的眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文利用三維激光掃描獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)工程建設(shè)中的斷面信息及土方量計(jì)算等作了研究，表明利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)是一種快速、高精度的實(shí)現(xiàn)工程信息獲取的手段。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；點(diǎn)云；道路；土方

基金項(xiàng)目：本研究為蘭州交通大學(xué)2014教改項(xiàng)目(JG2014Y01)。

中圖分類(lèi)號(hào)：TN247

Application Research of Engineering Construction Measurement Based on

Three-dimensional Laser Scanning Technology

YANG Guo-lin1, HAN Feng2, WANG Dan-ying1

(1.FacultyofGeomatics,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;

2.GansuProvincialGeographicalConditionMonitoringEngineeringLaboratory,Lanzhou730070,China)

Abstract：Three-dimensional laser scanner acts as a novel non-contact mass high accuracy data acquisition means, which is widely applied in many fields at home and abroad. In the paper, three-dimensional laser scanning and acquisition point cloud data is utilized for studying cross-section information, earthwork calculation and other aspects in project construction. It is proved that point cloud data belongs to a means for realizing project information acquisition rapidly with high accuracy.

Keywords：3D laser scanning; point cloud; road; earthwork

1引言

隨著計(jì)算機(jī)硬件和相關(guān)軟件的發(fā)展，利用三維激光掃描儀對(duì)水利水電、鐵路、公路等工程信息進(jìn)行大量數(shù)據(jù)獲取和處理變成現(xiàn)實(shí)。在工程勘測(cè)中，引進(jìn)激光掃描儀對(duì)道路狀況進(jìn)行測(cè)量，得到的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，貼近工程的真實(shí)結(jié)構(gòu)，測(cè)量速度快、用時(shí)短、效

率高，可在距待測(cè)目標(biāo)較遠(yuǎn)處對(duì)地形進(jìn)行掃描，對(duì)工程勘測(cè)來(lái)說(shuō)，激光掃描測(cè)量的非接觸性、準(zhǔn)確性、快速性正是工程建設(shè)所追求的。這將推動(dòng)工程勘測(cè)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)水利水電、鐵路、公路勘測(cè)水平和質(zhì)量、效率的提高。因此，在勘測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用激光掃描測(cè)量具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

利用Z+F IMAGER 5010C激光掃描儀，本研究以各種工程建設(shè)中常見(jiàn)的道路勘測(cè)為例，在實(shí)際完成了數(shù)據(jù)獲取后，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，快速、高精度獲取了其設(shè)計(jì)的工程縱橫斷面、土方量等重要信息。

2三維激光掃描及點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取原理

三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)，其表現(xiàn)形式是矩陣，并且每個(gè)矩陣單元是獲取的目標(biāo)結(jié)構(gòu)的表面三維點(diǎn)，矩陣單元值是三維點(diǎn)的坐標(biāo)值。三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行掃描后，獲取的是目標(biāo)結(jié)構(gòu)物上的空間點(diǎn)坐標(biāo)，這些點(diǎn)的集合叫作“點(diǎn)云”(point clouds)。三維激光掃描儀最終獲取了空間實(shí)體的三維坐標(biāo)(X,Y,Z)、激光反射強(qiáng)度(itensity)以及顏色信息(RGB)和目標(biāo)實(shí)體豐富的影像信息等[1]。

地面三維激光掃描測(cè)量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)(即以?xún)x器為坐標(biāo)原點(diǎn)),X軸在橫向掃描面內(nèi), Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X 軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直。由此可得到采樣點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式為[2]

(1)

三維激光掃描技術(shù)在道路與鐵路工程中，主要用于帶狀地形的數(shù)據(jù)獲取，如公路、鐵路建設(shè)中，主要應(yīng)用于公路地形測(cè)繪、改擴(kuò)建和竣工驗(yàn)收等。京港澳高速公路改擴(kuò)建工程中綜合采用車(chē)載三維激光掃描技術(shù)分別完成了京石段和石安段的高速公路改擴(kuò)建三維激光掃描，并且形成了一整套全新的公路改擴(kuò)建勘測(cè)技術(shù)。馬來(lái)西亞采用機(jī)載激光掃描技術(shù)，對(duì)680km傾斜電氣化鐵路進(jìn)行了改造和擴(kuò)建，提高了工作效率[3]。

3點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取及成果分析

3.1工程設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)獲取概述

本研究實(shí)測(cè)完成了一公路勘測(cè)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集，利用三維數(shù)據(jù)處理軟件完成了線(xiàn)路設(shè)計(jì)中部分信息的獲取，其道路點(diǎn)云及后續(xù)線(xiàn)路平曲線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　掃描點(diǎn)云及線(xiàn)路平曲線(xiàn)

本研究所用儀器為三維激光掃描儀，該儀器是相位式三維激光掃描儀，最高精度可達(dá)0.3mm，有效測(cè)量距離可達(dá)187m，內(nèi)置相機(jī)可生成一站8000萬(wàn)像素的高分辨率影像數(shù)據(jù)，角度分辨率達(dá)到水平0.0002°、垂直0.0004°。Z+F IMAGER 5010C最大的特點(diǎn)是掃描速度快、操作簡(jiǎn)單，這能極大地提高掃描效率。

在分辨率和質(zhì)量方面，在極高測(cè)量率的情況下有四種數(shù)據(jù)質(zhì)量等級(jí)和七種分辨率可以設(shè)置，依據(jù)項(xiàng)目或測(cè)量物體的外形選擇最佳配置，即使在比較遠(yuǎn)的距離也能保持相當(dāng)高的點(diǎn)密度。視野范圍能做到水平360°、垂直320°的全方位覆蓋。

3.2道路設(shè)計(jì)及斷面圖獲取

Geomagic Studio是一款三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，其最初功能包括使用Geomagic Qualify可以實(shí)現(xiàn)迅速檢測(cè)產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型和產(chǎn)品制造件之間的差異，并且Geomagic Qualify以直觀(guān)易懂的圖形比較結(jié)果來(lái)顯示兩者的差異，可以應(yīng)用于產(chǎn)品的首件檢驗(yàn)、生產(chǎn)線(xiàn)上或車(chē)間內(nèi)檢驗(yàn)、趨勢(shì)分析、二維和三維幾何形狀尺寸標(biāo)注并可自動(dòng)生成格式化的報(bào)告等工作。

在工程建設(shè)領(lǐng)域，利用該軟件能合理有效地處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提高建模的效率與質(zhì)量，完成對(duì)所需信息的提取。利用Geomagic Studio生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以輸出多種格式，有封裝文件(.wrp)，AutoCad文件(.dxf)，IGES文件(.igs)，OpenInventor文件(.iv)，Vrml1、Vrml2文件(.wrl)，wavefront文件(.obj)，以及頂點(diǎn)文件(.vtx)?？梢赃x用適合的輸出格式數(shù)據(jù)。

其中線(xiàn)路平曲線(xiàn)設(shè)計(jì)圖如下頁(yè)圖2所示。本文在利用Geomagic Studio軟件獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)設(shè)計(jì)的平曲線(xiàn)參數(shù)，獲取了線(xiàn)路縱橫斷面，如圖3、圖4所示。

圖2　線(xiàn)路平曲線(xiàn)

圖3　線(xiàn)路縱斷面

圖4　線(xiàn)路橫斷面

在成果生成中，采用激光掃描儀對(duì)該路段進(jìn)行信息采集，其成果生成精度高，能詳盡體現(xiàn)所研究區(qū)域的細(xì)部信息，其斷面圖也更加貼合實(shí)際地面。

3.3工程土方量計(jì)算

利用Geomagic Studio軟件，三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)能完成幾何信息的提取、土方量的計(jì)算，這些是進(jìn)行下一步工程建設(shè)的依據(jù)。

處理過(guò)程中，利用三維激光數(shù)據(jù)處理軟件，首先完成借助球形標(biāo)靶的圖形拼接，然后在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)抽稀；著色、去噪；刪除體外孤點(diǎn)；減少噪點(diǎn)，其成果如圖6所示。

對(duì)上述成果進(jìn)行采樣封裝，利用網(wǎng)格醫(yī)生檢查錯(cuò)誤等步驟，得到較為干凈的掃描數(shù)據(jù)，在其基礎(chǔ)上應(yīng)用多邊形填充(如圖6中紅色區(qū)域)，得到最終的三維成果如下頁(yè)圖7所示。

在圖7成果基礎(chǔ)上，選用分析模塊下的計(jì)算體積到平面功能，選定設(shè)計(jì)的平面高程值，即可計(jì)算出在此平面之上的形體體積，如圖8所示。

圖7　三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖8　工程土方量信息的提取

經(jīng)過(guò)計(jì)算，其土方量為28516.2m3，在此次測(cè)量中，還與傳統(tǒng)測(cè)量手段GPS-RTK方式作了對(duì)比測(cè)量，兩者之差小于10%，能符合一般工程的技術(shù)等級(jí)要求。

以上實(shí)例表明：

a.基于海量道路點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取設(shè)計(jì)位置的特征信息，過(guò)程簡(jiǎn)單方便，細(xì)節(jié)表現(xiàn)詳盡，能準(zhǔn)確體現(xiàn)所研究區(qū)域的細(xì)部信息，其斷面圖也更加貼合實(shí)際地面。

b. 利用三維激光掃描測(cè)量獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行土方量計(jì)算，工作強(qiáng)度小，速度快，精度高，測(cè)量成果能為設(shè)計(jì)和工程計(jì)算提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

4結(jié)語(yǔ)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)是將工程現(xiàn)場(chǎng)及其周?chē)畔呙璩扇S數(shù)據(jù)點(diǎn)儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中，利用掃描得到的數(shù)據(jù)完成幾何信息提取、斷面圖繪制，其成果較傳統(tǒng)斷面圖繪制更為準(zhǔn)確；在土方量計(jì)算方面，與傳統(tǒng)測(cè)量手段比較其數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確可靠。

采用三維激光掃描技術(shù)，在水利水電、鐵路、公路工程勘測(cè)中，其具有的高效、非接觸性有特定的應(yīng)用價(jià)值，能為后續(xù)工程建設(shè)、維護(hù)維修提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，是一種工程勘測(cè)中有效的數(shù)據(jù)獲取手段。

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