陽楊

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;高速公路;斷面測量;精度分析

【中圖分類號】U412.6 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）06-0071-03

0 引言

道路縱橫斷面是道路方案設計的基礎資料，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、水準儀進行道路斷面測量，但這些測量手段都是單點接觸測量，工作效率低，測量數(shù)據(jù)密度低，無法準確反映地面起伏情況，特別是對一些地形復雜、起伏大的區(qū)域，采用傳統(tǒng)測量手段無法順利完成橫斷面測量工作。采用三維激光掃描技術(shù)，可以快速、準確、非接觸式地獲取目標區(qū)域精確的三維坐標和色彩紋理，掃描區(qū)域真實的空間形態(tài)，并且獲取的數(shù)據(jù)更準確。因此，本文主要針對道路斷面測量中三維激光掃描技術(shù)的具體應用進行研究，這對提高道路施工質(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)是指采用激光信號對檢測區(qū)域發(fā)出信號，根據(jù)激光信號的回傳時間計算距離，同時對物體的三維數(shù)值進行檢測，準確記錄物體的平面坐標。通過對掃描系統(tǒng)取得的數(shù)據(jù)進行匯總計算，將得到的離散云點坐標組合成為匯聚X、Y、Z的三軸坐標，對物體的反射強度數(shù)值進行檢測，具體原理如圖1所示。

三維激光掃描系統(tǒng)屬于高精度測量范疇，通過對被測量區(qū)域和物體進行三維建模重塑，獲取目標的三維數(shù)值，并且根據(jù)數(shù)據(jù)整合效果，能夠快速計算大型實體的空間狀態(tài)和變化情況。多數(shù)傳統(tǒng)測量技術(shù)只能對定點坐標進行測量，而且無法快速匯算三維情況，而三維激光掃描技術(shù)可以對客觀物體的變化情況實現(xiàn)實時掌控，無論是應用于高精度加工，還是工程建筑施工，都能對區(qū)域內(nèi)的空間情況進行準確檢測，將三維激光掃描得到的數(shù)據(jù)信息傳遞到計算機與掃描分析系統(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的車輛或飛機上，將激光測試距離提升至5 000 m以上 [1]。

采用傳統(tǒng)方式對道路縱橫斷面進行檢測時，通常會局限于路中央、臺階、路邊等區(qū)域，生成的點云數(shù)據(jù)信息不夠準確，而采用三維激光掃描技術(shù)，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的任何點位進行檢測，保證斷面數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量，同時三維激光掃描技術(shù)還具有以下優(yōu)點：①可以直接對點云數(shù)據(jù)進行掃描，外業(yè)人員不需要接觸目標物體，這樣可以提升檢測工作的安全質(zhì)量;②加測工作量較少，在對野外區(qū)域進行斷面檢測時，具備較高的工作效率;③能掃描采集目標海量數(shù)據(jù)且準確、真實;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)點云數(shù)據(jù)生成實際圖像 [2]。

2 三維激光掃描技術(shù)的應用

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)儀器應用于斷面檢測環(huán)節(jié)，可以對施工地域進行全方位檢測，幫助檢測人員獲取準確的道路橫斷面與縱斷面效果圖，幫助設計人員判斷道路施工是否存在斷面隱患。同時，傳統(tǒng)檢測方式會受到周圍環(huán)境與交通運輸體系的影響，進而降低檢測結(jié)果的準確性，而采用三維激光掃描技術(shù)，可以準確無誤地記錄現(xiàn)場的地形數(shù)據(jù)信息，利用點云數(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

在對被檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)信息進行采集時，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。這種檢測技術(shù)能夠?qū)?50 m以內(nèi)的區(qū)域或物體進行精準掃描，并且根據(jù)掃描前布設的控制點位，對劃定范圍內(nèi)的空間數(shù)據(jù)信息進行采集。平面控制根據(jù)《衛(wèi)星定位城市測量技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行，利用平面高程共點，對儀器假設周圍區(qū)域進行掃描，控制測量采用常規(guī)手段，例如借助GPS技術(shù)對道路點位的水平性進行檢測，并且將公共靶標所取得的點云數(shù)據(jù)進行拼接，這樣可以在計算機中生成清晰的點云圖，并且轉(zhuǎn)化為相應的橫斷面、縱斷面情況，最后要應用全站儀對三維激光掃描所取得的數(shù)據(jù)信息進行檢測，保證點云數(shù)據(jù)的準確性與可靠性 [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，因此要對多余的圖像信息進行去噪，根據(jù)事前布設的控制點接收的數(shù)據(jù)情況，將標靶檢測點轉(zhuǎn)化為道路施工區(qū)域，對周圍的點云掃描效果進行匯總。通過對施工范圍內(nèi)的橫斷面、縱斷面數(shù)據(jù)信息進行拼接，能夠?qū)⒉町悢?shù)值控制在1 m左右，滿足《工程測量規(guī)范》（GB/50026—2007）中的相關(guān)要求，隨后根據(jù)實際情況，對三維激光掃描取得的數(shù)據(jù)信息進行多次降噪處理，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

通過對點云數(shù)據(jù)進行匯總，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：一是在點云成果數(shù)據(jù)中直接提取，結(jié)合提前劃定的坐標點，對缺失的數(shù)據(jù)信息進行補全，使點云圖像擁有更多的數(shù)據(jù)信息;二是直接對點云按照設計里程樁號，對道路施工區(qū)域進行劃分，首先對各施工區(qū)域的點云數(shù)據(jù)進行匯集，然后對斷面成果進行轉(zhuǎn)化。第二種方式雖然耗時較長，而且需要對道路施工區(qū)域進行拆分，但是可以保證檢測工作的準確性，在不同區(qū)塊進行拼接時，還能夠?qū)χ車鷶?shù)據(jù)情況的相似性進行檢測，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)不準確，需要對相鄰區(qū)域的標定位置進行重新檢測，直到生成的斷面數(shù)據(jù)相同為止 [5]。

2.5 精度測定

在道路斷面檢測圖像生成后，還要對成果展開精度測定，再次使用三維激光掃描系統(tǒng)對斷面成果的精度進行評定，結(jié)合全站儀對目標區(qū)域內(nèi)的縱斷面坐標進行測試，隨意挑出橫斷面、縱斷面的點位坐標，與三維激光掃描結(jié)果進行對比。為了保證全站儀測量的精準性，可以根據(jù)地形測量基本精度要求，在評定環(huán)節(jié)加入棱鏡作業(yè)模式，將測距長度控制在150 m左右，例如將三維激光掃描數(shù)據(jù)與全站儀測量數(shù)據(jù)進行重合性對比，如果發(fā)現(xiàn)差異點位，可以利用棱鏡檢測模式對橫斷面、縱斷面的測量高程進行計算，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)果與全站儀檢測結(jié)果差異度較小，可以對道路區(qū)域的斷面進行檢測。反之，則采用其他的全站儀或三維激光掃描技術(shù)重新測繪施工區(qū)域的點云數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)在道路工程中的應用要點

3.1 儀器選擇

為保證道路斷面檢測工作質(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量距離能夠?qū)κ┕^(qū)域進行全面布控，同時要配備高分辨率相機，對地面數(shù)據(jù)情況進行實時拍攝，與三維激光掃描儀器所取得的點云數(shù)據(jù)進行對比，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橫斷面、縱斷面的變化數(shù)值進行分析，將其控制在合理的范圍內(nèi)，并及時對后續(xù)施工方案進行調(diào)整，保證整體施工質(zhì)量。

3.2 區(qū)域特征提取

要提取測量區(qū)域的特征數(shù)值，三維激光掃描系統(tǒng)具備獨立的坐標體系，為了加強三維坐標與大地坐標的轉(zhuǎn)化效率，可以配合相應的布設控制網(wǎng)絡，并且利用水準儀與全站儀搭建全新的三維坐標體系，首先將三維坐標體系與三維激光掃描生成的數(shù)據(jù)信息進行對比，然后將相同區(qū)域的數(shù)據(jù)與大地坐標進行對比，這樣可以發(fā)揮閉合環(huán)形控制網(wǎng)絡的應用優(yōu)勢。此外，由于道路工程屬于大型帶狀結(jié)構(gòu)，因此要采用多站點測量模式，例如圍繞施工區(qū)域科學布設控制點位，掃描儀在道路兩側(cè)依次向前推進，不同站之間利用標靶進行連接，通過擬合球心將兩站數(shù)據(jù)進行對接，明確無差異數(shù)值后，將最終的坐標體系錄入計算機中，為點云數(shù)據(jù)圖像的生成提供信息支持。

3.3 點云數(shù)據(jù)處理

在處理點云數(shù)據(jù)時，首先要建立原始點位，并且在軟件中進行數(shù)據(jù)預處理，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)化為點云數(shù)值，對多個檢測區(qū)域內(nèi)的點云數(shù)據(jù)進行拼接，利用軟件將標靶球心所連接的站點進行結(jié)合，形成統(tǒng)一的坐標體系，這樣可以準確反映道路施工區(qū)域的全景三維圖;之后對坐標中的數(shù)據(jù)信息進行轉(zhuǎn)化，利用標靶中心數(shù)值，對橫斷面、縱斷面的坐標信息進行劃定，后續(xù)通過對坐標點位的變化數(shù)值進行分析，能夠準確判定斷面是否存在質(zhì)量問題。云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標系統(tǒng)，測量數(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，需要保證測量數(shù)據(jù)的準確性，因此要分別對測量精度與道路特征結(jié)果進行驗證。在對點云數(shù)據(jù)精度進行測量時，要避免數(shù)據(jù)拼接過程中出現(xiàn)誤差，逐次對標靶坐標體系和大地坐標數(shù)據(jù)進行對比和分析，將誤差數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)，保證點云數(shù)據(jù)信息的準確性。在對道路特征的準確性進行判定時，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，避免對原有的圖像信息造成影響，最后確認無誤后，將點云數(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，而且能夠及時發(fā)現(xiàn)斷面質(zhì)量問題。通過對施工區(qū)域內(nèi)的斷面信息進行準確判定，生成相應的云點圖像，不僅可以減少道路檢測外業(yè)工作量，還能提升斷面檢測工作的準確性與可靠程度。

參 考 文 獻

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