王馨偉 葉巧玲

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

淺析3D掃描儀在道路工程竣工中路面檢測的應(yīng)用

王馨偉 葉巧玲

(重慶交通大學(xué) 重慶 400074)

3D激光掃描技術(shù)又被稱作實際景物復(fù)制技術(shù)，是突破GPS技術(shù)的又一次技術(shù)革命，走在當(dāng)前測繪領(lǐng)域最前沿的。它突破了傳統(tǒng)手工和半機(jī)械化法中以“點”檢測或“輪跡”檢測的數(shù)據(jù)采集缺陷如數(shù)量少，精確度低，耗時長等。而3D掃描技術(shù)以配準(zhǔn)模塊(IMAlign)為點云數(shù)據(jù)收集軟件工具，并且在一個完整的三維坐標(biāo)系中繪制點云數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為清晰明了的三維立體圖像。對于路面工程的竣工檢驗中以彎沉值、車轍、平整度、抗滑性能(構(gòu)造深度、摩擦系數(shù))為主要參數(shù)。這些參數(shù)都需要經(jīng)過精準(zhǔn)的測量、計算、整理、分析后才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。3D激光掃描技術(shù)不僅可以高效精確的完成檢驗，并且所獲得的數(shù)據(jù)便于整理且更具有參考意義。

3D激光掃描；竣(交)工驗收；點云；配準(zhǔn)模塊；檢驗

一、引言

三維掃描技術(shù)是一項極為實用的新型技術(shù)，三維掃描技術(shù)集合了機(jī)械技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等，將傳統(tǒng)的測繪工藝經(jīng)過電子傳感技術(shù)和多種現(xiàn)代高科術(shù)發(fā)展而來。就當(dāng)下而言三維掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛的運用到各行各業(yè)，如測繪工程領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)測量方面、建筑、古跡測量方面、緊急服務(wù)業(yè)、采礦業(yè)等。目前，三位掃描技術(shù)在竣工路面檢測方面并沒有深入研究。而就三維掃描技術(shù)的諸多優(yōu)勢而言，可以極大的彌補(bǔ)竣工路面的檢測的耗時費力的缺陷。

二、3D掃描技術(shù)工作原理、流程、分類

三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù)，在國內(nèi)越來越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注。它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(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。

3D掃描技術(shù)工作原理和流程：掃描儀發(fā)射激光，激光到達(dá)目標(biāo)的時間計算掃描儀和目標(biāo)間距離，如此可以得到豎向坐標(biāo)。然后根據(jù)目標(biāo)與激光水平和垂直方向的步進(jìn)角距值，分別得到橫向和垂直坐標(biāo)。得到的云點數(shù)據(jù)經(jīng)除粗差、拼模型、參數(shù)統(tǒng)一、數(shù)據(jù)壓縮、建模、應(yīng)用分析等程序后再儲存整理三維激光測量的技術(shù)優(yōu)勢和缺點。配準(zhǔn)模塊(IMAlign)：在光學(xué)非接觸三維測量中，復(fù)雜對象的重構(gòu)需要多組測量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。為了獲得好的配準(zhǔn)結(jié)果，提出一種新的配準(zhǔn)方法——直接誤差分析配準(zhǔn)方法。該方法基于一種新型的雙目CCD光柵投影測量系統(tǒng)進(jìn)行測量和分析。經(jīng)過配準(zhǔn)模塊軟件加工處理后轉(zhuǎn)化為3D圖像格式。

主要分類：按測量方式可分為三維激光掃描儀的不同樣式，于脈沖式；基于相位差；基于三角測距原理。按用途可分為為室內(nèi)型和室外型。也就是長距離和短距離的不同。一般基于相位差原理的三維激光掃描儀測程較短，只有百米左右。而基于脈沖式原理的三維激光掃描儀測程較長，測程最遠(yuǎn)的可達(dá)6公里

三、三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)缺點

(一)三維激光掃描的技術(shù)優(yōu)勢

遠(yuǎn)距離非接觸測量：三維激光掃描技術(shù)的最大特點就是遠(yuǎn)距離的非接觸測量。三維地面激光掃描是直接利用發(fā)生激光器對物體進(jìn)行測量，直接獲取物體表面的三維激光點云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，不需要發(fā)射棱鏡或人工到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行測量。三維激光掃描系統(tǒng)獲取的激光點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)真實可靠?？梢杂糜谖ｋU地、人員難以到達(dá)等地方的遠(yuǎn)距離測量，比傳統(tǒng)測量方法具有較大的優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)密度大、速度快：無論是脈沖式激光掃描設(shè)備還是相位式激光掃描設(shè)備，激光掃描速度可達(dá)到數(shù)千點/秒甚至可以達(dá)到數(shù)十萬點/秒。激光獲取點云的掃描速度是傳統(tǒng)方法不能比擬的。

自發(fā)激光：三維激光掃描設(shè)備通過激光發(fā)射器主動發(fā)射激光，利用回波信號得到被測物體的點坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)場測量時，不受外部環(huán)境的影響。

精度高：三維激光測量系統(tǒng)可以獲取高密度和高精度的激光點云數(shù)據(jù)，采集到的激光點云數(shù)據(jù)分辨率也較高。

可與常規(guī)測量設(shè)備聯(lián)合使用：三維激光掃描技術(shù)可以獲取被測物體的多種信息，包括激光點云坐標(biāo)、RGB信息和反射率信息等，這些信息大大擴(kuò)展了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍，特別是和傳統(tǒng)的全站儀、GPS等測量手段結(jié)合使用，進(jìn)一步擴(kuò)大了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。

(二)三維地面激光掃描技術(shù)的缺點

盡管地面三維激光掃描儀在眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，但地面三維掃描儀的使用受地形、天氣和使用人員技術(shù)水平的限制，也存在眾多不足，歸納如下：

精度難以校驗。目前地面掃描設(shè)備多為封閉式系統(tǒng)，不同廠家使用的激光發(fā)射器不同，其測量精度也不同，再受到外部環(huán)境的影響，激光掃描精度通常難以檢校。

后處理工作量大。由于激光獲取了被測物體大量的信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有些可用，有些不可用，對獲取的點云數(shù)據(jù)的處理目前是影響該技術(shù)發(fā)展的一個重要因素。目前已有的后處理軟件功能偏少(特別是專業(yè)應(yīng)用功能)、數(shù)據(jù)處理量有限，且很多算法不夠完善，造成了現(xiàn)場掃描容易，后期數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用較為困難。

操作規(guī)程和數(shù)據(jù)處理規(guī)范的缺乏。野外數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理受人員水平限制，精度和成果質(zhì)量難以保證，需要對地面激光掃描進(jìn)行測繪的標(biāo)準(zhǔn)化研究。

不同站次坐標(biāo)拼接和植被過濾問題仍是地面三維激光掃描難以逾越的問題。在一些特殊行業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)可重復(fù)性也受到一定的限制。

四、三維激光技術(shù)在路面竣工驗收的作用

基于三維激光技術(shù)的優(yōu)缺點，三維激光技術(shù)在路面竣工驗收中的作用將體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，路面竣工驗收中彎沉值檢驗，路面彎沉值變化是一個較為復(fù)雜的變化，需要考慮諸多綜合因素，路面每層材料性能因素、結(jié)構(gòu)因素、壓實因素、溫度因素、濕度環(huán)境因素、交通狀況等。檢測時主要影響因素是環(huán)境條件和施工人員的檢測水平對彎沉的大小有較大的影響。而瀝青路面的彎沉檢驗是一個長時間的過程簡要分為三個階段，大概需要4年左右。

三維激光掃描技術(shù)可控制力強(qiáng)，可以大范圍使用，極大的縮減了多次測量所需的時間和人力。

三維激光掃描檢測速度快，縮短竣工路面檢測所需工期，而且所需檢驗人員數(shù)量少可以縮減檢驗所需成本，就精確度而言，三維激光掃描技術(shù)發(fā)生激光直接達(dá)到檢測目標(biāo)利用回聲定位系統(tǒng)確定數(shù)據(jù)且不受外界環(huán)境影響，因此所得數(shù)據(jù)比傳統(tǒng)的多次檢驗方法準(zhǔn)確。

三維激光技術(shù)最大的優(yōu)勢既是可以建立完整的三維模型，而非僅僅的數(shù)據(jù)組，在三維模型圖中即便于觀察和檢測所需要的彎沉值還可推算路面的其他數(shù)據(jù)如平整度、抗滑性能等。并且三維模型圖像更容易進(jìn)行對比分析，有清晰的圖像對比便于研究人員進(jìn)行整理和分析，從直觀圖像對比中獲得經(jīng)驗教訓(xùn)和創(chuàng)造靈感。同時也為數(shù)據(jù)收集帶來了方便。

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王馨偉(1990-)，男，漢，內(nèi)蒙古，重慶交通大學(xué)研究生在讀，研究方向：道路路面材料。