王致民

（福建省121地質(zhì)大隊(duì)，福建 龍巖364000)

1 三維激光掃描技術(shù)概述

現(xiàn)階段，三維激光掃描技術(shù)正呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)可以有效將周圍較大面積內(nèi)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效采集，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后生成三維空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，最后達(dá)成測(cè)量工作精準(zhǔn)程度有效提升的目標(biāo)。測(cè)角系統(tǒng)和高精度的激光測(cè)距系統(tǒng)是三維激光掃描系統(tǒng)的兩個(gè)主要組成部分。高精度的激光測(cè)距系統(tǒng)能夠以激光信號(hào)發(fā)射出去與信號(hào)反射回到測(cè)距系統(tǒng)中的這段時(shí)間作為依據(jù)，將被測(cè)物體和三維激光掃描儀之間的距離精準(zhǔn)的計(jì)算出來，與此同時(shí)，測(cè)角系統(tǒng)能夠?qū)⒚恳粋€(gè)激光信號(hào)的縱向角和橫向角精準(zhǔn)地記錄下來，最終再通過掃描控制系統(tǒng)將每一個(gè)激光信號(hào)反射點(diǎn)的三維坐標(biāo)精準(zhǔn)計(jì)算出來。三維激光掃描儀通過掃描所獲取到的數(shù)據(jù)是全離散的點(diǎn)，也就是點(diǎn)云。點(diǎn)云數(shù)據(jù)既囊括了X、Y、Z的值，也涵蓋了R、G、B的值，此外，還包含了反射強(qiáng)度的數(shù)值。下圖1是三維激光掃描儀的原理。

在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的過程中，為了測(cè)量點(diǎn)生成的三維坐標(biāo)可以具備足夠的準(zhǔn)確性，測(cè)量人員在開展工作時(shí)，首要環(huán)節(jié)就是將被測(cè)量點(diǎn)與測(cè)量工具之間的距離確定下來。此外，在實(shí)際進(jìn)行測(cè)量時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)明確一點(diǎn)內(nèi)容：在測(cè)量同一個(gè)點(diǎn)時(shí)，所使用到的測(cè)量距離的手段不一樣，測(cè)量的準(zhǔn)確程度自然存在差異?；诖?，負(fù)責(zé)測(cè)量的人員就應(yīng)當(dāng)對(duì)三維激光掃描技術(shù)的原理有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)知，從而在開展測(cè)量工作時(shí)能夠選擇一個(gè)最恰當(dāng)?shù)臏y(cè)距方式，這可以有效提升測(cè)量工作的精準(zhǔn)程度。

2 三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用

2.1 市政道路工程地形圖測(cè)繪

當(dāng)前，市政道路工程地形測(cè)繪圖中，正在大范圍地應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)。通常情況下，由于交通條件復(fù)雜、車流量較大以及行人數(shù)量過多等因素的制約，市政道路工程的測(cè)繪工作在開展的過程中往往會(huì)存在一定的困難。雖然負(fù)責(zé)測(cè)繪的人員可以深入實(shí)地展開道路地形圖的測(cè)繪工作，但實(shí)際上，這項(xiàng)工作的開展會(huì)對(duì)測(cè)繪人員的人身安全帶來較大的威脅。在市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，就可以發(fā)揮出良好的作用，與傳統(tǒng)的測(cè)繪方式相比，該技術(shù)無須測(cè)繪人員進(jìn)入到實(shí)地展開測(cè)繪，就可以實(shí)現(xiàn)市政道路地形的測(cè)量以及地形圖的繪制工作，并且效果甚佳。因此，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)能夠降低測(cè)繪人員開展工作時(shí)的壓力，為他們的人身安全提供了保障，并且該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還減少了投入到市場(chǎng)道路地形圖測(cè)繪工作中的人力資源，節(jié)約了人力成本。在市政道路工程中應(yīng)用三維激光技術(shù)時(shí)，其主要需要經(jīng)歷三個(gè)最基本的步驟，首先，獲取數(shù)據(jù)信息，這需要應(yīng)用三維激光技術(shù)對(duì)相應(yīng)的路段進(jìn)行測(cè)量；其次，當(dāng)獲取所需的信息后，還要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的分析與處理；最后，提取具體的地物地貌，從而繪制出精準(zhǔn)程度較高的道路地形圖。

2.2 市政道路工程等高線生成

在市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)還能夠幫助其生成等高線。具體來說，應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)⒁恍┎粫?huì)產(chǎn)生太大影響的植被或者是建筑物等地表物體從原有的地形圖中去除，從而生成等高線。通常情況下，以往市政道路工程中等高線的生成一般是依靠人力手動(dòng)去除或者是依靠相關(guān)設(shè)備自動(dòng)去除無關(guān)緊要的地表物體，再完成地貌圖的繪制。之后，在計(jì)算數(shù)據(jù)的工作完成之后，將得到的數(shù)據(jù)上傳至處理單元中進(jìn)行細(xì)致的分析與處理，重復(fù)多次地完成這些程序，就能夠構(gòu)建出一個(gè)不規(guī)則的三角網(wǎng)，并以此為基礎(chǔ)完成等高線的生成。相比于這種等高線繪制的方法，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)不僅有著更高的精準(zhǔn)度，并且整體操作的步驟較少，因此，工作量更少，工作效率也顯著提升。此外，三維激光掃描技術(shù)生成的地形地貌圖更加清晰精準(zhǔn)[1]。

2.3 市政道路工程變形監(jiān)測(cè)

市政道路工程的變形監(jiān)測(cè)中也可以應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)的市政道路三維數(shù)據(jù)模型的建立，同時(shí)還可以每隔一段時(shí)間就將需要測(cè)量的路段進(jìn)行細(xì)致的掃描，最終得到相對(duì)全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。再借助三維激光掃描儀的內(nèi)部處理器，能夠?qū)@取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到Geomagicstudio軟件中，利用這個(gè)軟件，就能夠建立起一個(gè)更加直觀的三維數(shù)據(jù)模型，從而實(shí)現(xiàn)采集、處理以及評(píng)估數(shù)據(jù)的高效化。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，需要將三維激光掃描儀放在被監(jiān)測(cè)的市政道路附近的合理范圍內(nèi)，最重要的是要避免測(cè)量的視野過于狹窄，這對(duì)于測(cè)量工作的精準(zhǔn)程度會(huì)帶來不利的影響。

3 三維激光掃描技術(shù)在市政道路工程中的應(yīng)用案例

3.1 工程概況

以某道路為例，對(duì)市政道路工程中應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行分析。該道路需要進(jìn)行較大規(guī)模的返修，在返修之前，需要對(duì)其地形現(xiàn)有的狀況進(jìn)行細(xì)致的測(cè)量，從而掌握該道路豎直方向和水平方向上的具體情況。該道路位于機(jī)場(chǎng)附近，所以交通狀況比較繁忙，并且周圍還分布著較多的市政附屬設(shè)施，這對(duì)于市政人員深入到實(shí)地進(jìn)行測(cè)繪帶來了一定的挑戰(zhàn)，因此，采用傳統(tǒng)的人工測(cè)繪方式并不可行。一方面測(cè)繪工作可能要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間，另一方面，測(cè)繪人員的安全還面臨著一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在經(jīng)過商討之后，決定應(yīng)用三維激光掃描儀來完成市政道路工程的測(cè)繪工作。

3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

在該市政道路工程中，應(yīng)用到的三維激光掃描儀是Leica（徠卡）公司生產(chǎn)的P40三維激光掃描儀，如圖2所示。該掃描儀具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性，并且性能優(yōu)越，同時(shí)擁有HDR圖形技術(shù)、WFD波形數(shù)字化技術(shù)以及精準(zhǔn)度極高的測(cè)距測(cè)角技術(shù)，并且，其測(cè)量的有效范圍能夠達(dá)到270m，因此，許多掃描任務(wù)都可以應(yīng)用該掃描儀，并且能夠取得較好的效果。

在實(shí)際開展測(cè)量工作之前，控制點(diǎn)的布設(shè)要嚴(yán)格遵守相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并在控制點(diǎn)位置安置掃描儀，進(jìn)而完成掃描工作。利用常規(guī)的控制測(cè)量手段能夠有效完成控制測(cè)量的工作，并在被測(cè)量的道路沿線設(shè)置控制點(diǎn)，該項(xiàng)工作的完成是利用水準(zhǔn)儀以及GPS全球定位系統(tǒng)。在利用掃描儀掃描被測(cè)量的道路沿線時(shí)，可以在相鄰的測(cè)站之間布設(shè)公共靶標(biāo)，這能夠在點(diǎn)云拼接中發(fā)揮作用。在掃描工作完成之后就可以將相關(guān)的數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入到Cyclone軟件中進(jìn)行處理，完成點(diǎn)云拼接和坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，并以里程樁號(hào)作為依據(jù)，將點(diǎn)云進(jìn)行切片，從而獲得斷面圖像。最后，通過全站儀全面檢查斷面點(diǎn)高層以及地物點(diǎn)高層。

3.3 點(diǎn)云拼接與去噪

在點(diǎn)云拼接與去噪方面，應(yīng)當(dāng)沿著該道路的走向設(shè)置若干個(gè)測(cè)量站，再利用掃描儀進(jìn)行掃描。與此同時(shí)，還要在測(cè)站之間設(shè)置三個(gè)以上的標(biāo)靶，之后再合理利用提前設(shè)置好的控制點(diǎn)和測(cè)站之間的相同稱號(hào)的標(biāo)靶，使所有的測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到該道路所在城市的坐標(biāo)系中，就能夠獲得一份點(diǎn)云效果圖。通過對(duì)其進(jìn)行分析可知，此次點(diǎn)云拼接存在的誤差僅為1.4cm，通過去噪之后，點(diǎn)云拼接效果會(huì)更優(yōu)良[2]。

3.4 斷面結(jié)果生成

斷面結(jié)果生成主要有兩種形式，第一，以點(diǎn)云成果為依據(jù)，提取斷面所需的坐標(biāo)點(diǎn)，再借助專業(yè)軟件繪制斷面結(jié)果；第二，基于里程樁號(hào)，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行切片，并將切片中涵蓋的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行明確，這種方式可以直接獲取到該道路的斷面結(jié)果。就實(shí)際結(jié)果的比較來看，第二種方法優(yōu)于第一種方法。

3.5 精度評(píng)定

該項(xiàng)工程中的精度評(píng)定主要是依靠全站儀采集其中的縱斷面點(diǎn)，再展開相應(yīng)的精度評(píng)定工作。通過相關(guān)的計(jì)算可得，該道路在應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)于地物檢查點(diǎn)平面的誤差有7.61cm，高程中存在的誤差為0.91cm，縱斷面高程中的誤差僅為0.78cm，這與相關(guān)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是相契合的。

4 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)精準(zhǔn)程度高和更加便捷的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)了市政道路工程各方面工作完成的高效化。為了使該技術(shù)在今后的發(fā)展中能夠發(fā)揮出更好的作用，相關(guān)的技術(shù)人員要在發(fā)展過程中加大研發(fā)的力度，對(duì)其進(jìn)行不斷的優(yōu)化，使其能夠在市政道路工程中發(fā)揮更加良好的作用，推動(dòng)市政建設(shè)工程的現(xiàn)代化發(fā)展。