陽楊

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;高速公路;斷面測(cè)量;精度分析

【中圖分類號(hào)】U412.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）06-0071-03

0 引言

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的起伏情況，橫斷面可以反映垂直中線方向的起伏情況。通常使用全站儀、GPS、水準(zhǔn)儀進(jìn)行道路斷面測(cè)量，但這些測(cè)量手段都是單點(diǎn)接觸測(cè)量，工作效率低，測(cè)量數(shù)據(jù)密度低，無法準(zhǔn)確反映地面起伏情況，特別是對(duì)一些地形復(fù)雜、起伏大的區(qū)域，采用傳統(tǒng)測(cè)量手段無法順利完成橫斷面測(cè)量工作。采用三維激光掃描技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確、非接觸式地獲取目標(biāo)區(qū)域精確的三維坐標(biāo)和色彩紋理，掃描區(qū)域真實(shí)的空間形態(tài)，并且獲取的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確。因此，本文主要針對(duì)道路斷面測(cè)量中三維激光掃描技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行研究，這對(duì)提高道路施工質(zhì)量具有重要意義。

1 三維激光掃描技術(shù)概述

地面三維激光掃描技術(shù)是指采用激光信號(hào)對(duì)檢測(cè)區(qū)域發(fā)出信號(hào)，根據(jù)激光信號(hào)的回傳時(shí)間計(jì)算距離，同時(shí)對(duì)物體的三維數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確記錄物體的平面坐標(biāo)。通過對(duì)掃描系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總計(jì)算，將得到的離散云點(diǎn)坐標(biāo)組合成為匯聚X、Y、Z的三軸坐標(biāo)，對(duì)物體的反射強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行檢測(cè)，具體原理如圖1所示。

三維激光掃描系統(tǒng)屬于高精度測(cè)量范疇，通過對(duì)被測(cè)量區(qū)域和物體進(jìn)行三維建模重塑，獲取目標(biāo)的三維數(shù)值，并且根據(jù)數(shù)據(jù)整合效果，能夠快速計(jì)算大型實(shí)體的空間狀態(tài)和變化情況。多數(shù)傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)只能對(duì)定點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，而且無法快速匯算三維情況，而三維激光掃描技術(shù)可以對(duì)客觀物體的變化情況實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)掌控，無論是應(yīng)用于高精度加工，還是工程建筑施工，都能對(duì)區(qū)域內(nèi)的空間情況進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，將三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)信息傳遞到計(jì)算機(jī)與掃描分析系統(tǒng)中。隨著三維激光掃描儀器的不斷革新，現(xiàn)階段可以將儀器安裝到移動(dòng)的車輛或飛機(jī)上，將激光測(cè)試距離提升至5 000 m以上 [1]。

采用傳統(tǒng)方式對(duì)道路縱橫斷面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通常會(huì)局限于路中央、臺(tái)階、路邊等區(qū)域，生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息不夠準(zhǔn)確，而采用三維激光掃描技術(shù)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的任何點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)，保證斷面數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，同時(shí)三維激光掃描技術(shù)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以直接對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，外業(yè)人員不需要接觸目標(biāo)物體，這樣可以提升檢測(cè)工作的安全質(zhì)量;②加測(cè)工作量較少，在對(duì)野外區(qū)域進(jìn)行斷面檢測(cè)時(shí)，具備較高的工作效率;③能掃描采集目標(biāo)海量數(shù)據(jù)且準(zhǔn)確、真實(shí);④三維激光掃描獲取的資料數(shù)據(jù)更加直觀，可以根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成實(shí)際圖像 [2]。

2 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

2.1 技術(shù)路線

近年來，道路工程質(zhì)量要求不斷提升，斷面檢測(cè)是保證施工質(zhì)量的重要措施，施工單位將三維激光掃描技術(shù)和相關(guān)儀器應(yīng)用于斷面檢測(cè)環(huán)節(jié)，可以對(duì)施工地域進(jìn)行全方位檢測(cè)，幫助檢測(cè)人員獲取準(zhǔn)確的道路橫斷面與縱斷面效果圖，幫助設(shè)計(jì)人員判斷道路施工是否存在斷面隱患。同時(shí)，傳統(tǒng)檢測(cè)方式會(huì)受到周圍環(huán)境與交通運(yùn)輸體系的影響，進(jìn)而降低檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而采用三維激光掃描技術(shù)，可以準(zhǔn)確無誤地記錄現(xiàn)場(chǎng)的地形數(shù)據(jù)信息，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成道路橫斷面、縱斷面三維圖，為道路工程的施工提供信息支撐，施工人員在施工環(huán)節(jié)也能時(shí)刻掌握橫斷面的變化情況，保證施工質(zhì)量與效率。三維激光掃描技術(shù)流程如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集

在對(duì)被檢測(cè)區(qū)域的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集時(shí)，可以將三維激光掃描儀器與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，這樣可以將地形信息轉(zhuǎn)化為更加精確的HDP圖像，提升橫縱斷面圖像的分辨率與清晰度。這種檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)?50 m以內(nèi)的區(qū)域或物體進(jìn)行精準(zhǔn)掃描，并且根據(jù)掃描前布設(shè)的控制點(diǎn)位，對(duì)劃定范圍內(nèi)的空間數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集。平面控制根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測(cè)量技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，利用平面高程共點(diǎn)，對(duì)儀器假設(shè)周圍區(qū)域進(jìn)行掃描，控制測(cè)量采用常規(guī)手段，例如借助GPS技術(shù)對(duì)道路點(diǎn)位的水平性進(jìn)行檢測(cè)，并且將公共靶標(biāo)所取得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，這樣可以在計(jì)算機(jī)中生成清晰的點(diǎn)云圖，并且轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的橫斷面、縱斷面情況，最后要應(yīng)用全站儀對(duì)三維激光掃描所取得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行檢測(cè)，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性 [3]。

2.3 拼接去噪

由于三維激光掃描技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)信息伴隨著一定的噪聲，因此要對(duì)多余的圖像信息進(jìn)行去噪，根據(jù)事前布設(shè)的控制點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)情況，將標(biāo)靶檢測(cè)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為道路施工區(qū)域，對(duì)周圍的點(diǎn)云掃描效果進(jìn)行匯總。通過對(duì)施工范圍內(nèi)的橫斷面、縱斷面數(shù)據(jù)信息進(jìn)行拼接，能夠?qū)⒉町悢?shù)值控制在1 m左右，滿足《工程測(cè)量規(guī)范》（GB/50026—2007）中的相關(guān)要求，隨后根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)三維激光掃描取得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行多次降噪處理，就可以得到橫斷面、縱斷面清晰的圖像 [4]。

2.4 斷面成果生成

通過對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，根據(jù)道路施工情況生成斷面成果，可以采用兩種生成方式：一是在點(diǎn)云成果數(shù)據(jù)中直接提取，結(jié)合提前劃定的坐標(biāo)點(diǎn)，對(duì)缺失的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行補(bǔ)全，使點(diǎn)云圖像擁有更多的數(shù)據(jù)信息;二是直接對(duì)點(diǎn)云按照設(shè)計(jì)里程樁號(hào)，對(duì)道路施工區(qū)域進(jìn)行劃分，首先對(duì)各施工區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，然后對(duì)斷面成果進(jìn)行轉(zhuǎn)化。第二種方式雖然耗時(shí)較長(zhǎng)，而且需要對(duì)道路施工區(qū)域進(jìn)行拆分，但是可以保證檢測(cè)工作的準(zhǔn)確性，在不同區(qū)塊進(jìn)行拼接時(shí)，還能夠?qū)χ車鷶?shù)據(jù)情況的相似性進(jìn)行檢測(cè)，如果相鄰板塊中的數(shù)據(jù)存在差異，則說明三維激光掃描取得的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，需要對(duì)相鄰區(qū)域的標(biāo)定位置進(jìn)行重新檢測(cè)，直到生成的斷面數(shù)據(jù)相同為止 [5]。

2.5 精度測(cè)定

在道路斷面檢測(cè)圖像生成后，還要對(duì)成果展開精度測(cè)定，再次使用三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)斷面成果的精度進(jìn)行評(píng)定，結(jié)合全站儀對(duì)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的縱斷面坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，隨意挑出橫斷面、縱斷面的點(diǎn)位坐標(biāo)，與三維激光掃描結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。為了保證全站儀測(cè)量的精準(zhǔn)性，可以根據(jù)地形測(cè)量基本精度要求，在評(píng)定環(huán)節(jié)加入棱鏡作業(yè)模式，將測(cè)距長(zhǎng)度控制在150 m左右，例如將三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行重合性對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)差異點(diǎn)位，可以利用棱鏡檢測(cè)模式對(duì)橫斷面、縱斷面的測(cè)量高程進(jìn)行計(jì)算，如果高程較差數(shù)值為-1～2.5，則說明三維激光掃描數(shù)據(jù)結(jié)果與全站儀檢測(cè)結(jié)果差異度較小，可以對(duì)道路區(qū)域的斷面進(jìn)行檢測(cè)。反之，則采用其他的全站儀或三維激光掃描技術(shù)重新測(cè)繪施工區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 儀器選擇

為保證道路斷面檢測(cè)工作質(zhì)量，首先要選擇合適的道路施工方案，并綜合考慮施工環(huán)境，保證所選擇的三維激光掃描儀器的最大測(cè)量距離能夠?qū)κ┕^(qū)域進(jìn)行全面布控，同時(shí)要配備高分辨率相機(jī)，對(duì)地面數(shù)據(jù)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，與三維激光掃描儀器所取得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，這樣可以找出施工過程中道路橫斷面、縱斷面的質(zhì)量問題，而且可以階段性地對(duì)橫斷面、縱斷面的變化數(shù)值進(jìn)行分析，將其控制在合理的范圍內(nèi)，并及時(shí)對(duì)后續(xù)施工方案進(jìn)行調(diào)整，保證整體施工質(zhì)量。

3.2 區(qū)域特征提取

要提取測(cè)量區(qū)域的特征數(shù)值，三維激光掃描系統(tǒng)具備獨(dú)立的坐標(biāo)體系，為了加強(qiáng)三維坐標(biāo)與大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化效率，可以配合相應(yīng)的布設(shè)控制網(wǎng)絡(luò)，并且利用水準(zhǔn)儀與全站儀搭建全新的三維坐標(biāo)體系，首先將三維坐標(biāo)體系與三維激光掃描生成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，然后將相同區(qū)域的數(shù)據(jù)與大地坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，這樣可以發(fā)揮閉合環(huán)形控制網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。此外，由于道路工程屬于大型帶狀結(jié)構(gòu)，因此要采用多站點(diǎn)測(cè)量模式，例如圍繞施工區(qū)域科學(xué)布設(shè)控制點(diǎn)位，掃描儀在道路兩側(cè)依次向前推進(jìn)，不同站之間利用標(biāo)靶進(jìn)行連接，通過擬合球心將兩站數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)接，明確無差異數(shù)值后，將最終的坐標(biāo)體系錄入計(jì)算機(jī)中，為點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像的生成提供信息支持。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，首先要建立原始點(diǎn)位，并且在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，保證三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)信息不受噪聲影響，因此需要經(jīng)過多次降噪處理;然后將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)值，對(duì)多個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，利用軟件將標(biāo)靶球心所連接的站點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，形成統(tǒng)一的坐標(biāo)體系，這樣可以準(zhǔn)確反映道路施工區(qū)域的全景三維圖;之后對(duì)坐標(biāo)中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，利用標(biāo)靶中心數(shù)值，對(duì)橫斷面、縱斷面的坐標(biāo)信息進(jìn)行劃定，后續(xù)通過對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)位的變化數(shù)值進(jìn)行分析，能夠準(zhǔn)確判定斷面是否存在質(zhì)量問題。云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)系統(tǒng)，測(cè)量數(shù)據(jù)中包含行人、車輛、樓房等無用數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量非常大，為了提高后續(xù)數(shù)據(jù)處理的效率，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的抽稀處理。

3.4 轉(zhuǎn)化成圖

在三維激光掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖像的過程中，需要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此要分別對(duì)測(cè)量精度與道路特征結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，要避免數(shù)據(jù)拼接過程中出現(xiàn)誤差，逐次對(duì)標(biāo)靶坐標(biāo)體系和大地坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，將誤差數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。在對(duì)道路特征的準(zhǔn)確性進(jìn)行判定時(shí)，一方面要保證抽稀工作效果，盡量去除多余的圖像噪聲;另一方面要把控抽稀程度，避免對(duì)原有的圖像信息造成影響，最后確認(rèn)無誤后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CAD圖像，為道路施工提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)論

綜上所述，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到道路施工中，不僅可以保證橫斷面、縱斷面的施工質(zhì)量，而且能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷面質(zhì)量問題。通過對(duì)施工區(qū)域內(nèi)的斷面信息進(jìn)行準(zhǔn)確判定，生成相應(yīng)的云點(diǎn)圖像，不僅可以減少道路檢測(cè)外業(yè)工作量，還能提升斷面檢測(cè)工作的準(zhǔn)確性與可靠程度。

參 考 文 獻(xiàn)

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