焦嵐清

摘要：在道路建設(shè)工程中，測(cè)量工作極為重要，三維激光掃描技術(shù)具有處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)、掃描速度較快的優(yōu)點(diǎn)，能夠在測(cè)量過程中快速地獲取更加完整、精確的目標(biāo)空間的信息。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，利用三維激光掃描技術(shù)來采集數(shù)據(jù)更加節(jié)省人力、簡(jiǎn)單安全、信息完整、符合要求，因此對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù);道路工程測(cè)量;應(yīng)用

1三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要是利用激光測(cè)距的原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量的密集的點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標(biāo)對(duì)象的數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此相對(duì)于傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點(diǎn)測(cè)量進(jìn)化到面測(cè)量的革命性技術(shù)突破。三維激光掃描系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集的硬件部分和數(shù)據(jù)處理的軟件部分。按照載體的不同，三維激光掃描系統(tǒng)又可分為機(jī)載、車載、地面和手持型幾類。應(yīng)用掃描技術(shù)來測(cè)量工件的尺寸及形狀等原理來工作。主要應(yīng)用于逆向工程，負(fù)責(zé)曲面抄數(shù)，工件三維測(cè)量，針對(duì)現(xiàn)有三維實(shí)物，在沒有技術(shù)文檔的情況下，可快速測(cè)得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構(gòu)、編輯、修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型。三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)有點(diǎn)云、建模、空間點(diǎn)陣掃描，其中空間點(diǎn)陣掃描屬于核心技術(shù)，通過掃描儀與目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近來劃分采樣點(diǎn)的大小，不同大小的采樣距離適用于不同的對(duì)象，中遠(yuǎn)距離一般用于大型目標(biāo)的測(cè)量，近距離則用于小物體的精準(zhǔn)測(cè)量。

2道路工程中三維激光掃描作業(yè)流程

2.1外業(yè)數(shù)據(jù)采集

2.1.1標(biāo)靶與測(cè)量點(diǎn)的布置

在道路工程項(xiàng)目的測(cè)繪環(huán)節(jié)，因?yàn)榧す鈷呙鑳x只能測(cè)量一定的距離，同時(shí)，激光掃描儀在測(cè)量目標(biāo)的掃描過程中往往會(huì)產(chǎn)生一些不同的角度，使得測(cè)量的結(jié)果在空間上的分辨率有很大的的差別，掃描儀和測(cè)量目標(biāo)之間的角度越小，測(cè)量結(jié)果的分辨率就會(huì)越低。更主要的是，在道路工程項(xiàng)目的測(cè)繪工作中，地貌情況也會(huì)直接影響到測(cè)繪結(jié)果。因?yàn)榧す庵荒苤本€傳播，如果測(cè)量物體和測(cè)量?jī)x器之間存在障礙物，那么測(cè)繪工作人員就必須建立許多目標(biāo)測(cè)量站點(diǎn)。在思考如何將每一個(gè)測(cè)量站點(diǎn)的數(shù)據(jù)合并為一個(gè)整體，這這個(gè)過程還需要設(shè)定一個(gè)標(biāo)靶，處理數(shù)據(jù)的難度是比較大的，而且很容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)處理誤差。

2.1.2確定采樣間隔與掃描作業(yè)

在道路工程項(xiàng)目的測(cè)量工作中，必須科學(xué)合理的確定取樣點(diǎn)之間的距離。如果取樣點(diǎn)的距離過大或過小，都將影響到最終測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并將對(duì)以后的測(cè)量數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生干擾，特別是在測(cè)量間隔太小的情況下，就會(huì)產(chǎn)生巨大的數(shù)據(jù)量，過大的數(shù)據(jù)量的增加了數(shù)據(jù)傳輸和儲(chǔ)存以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理的難度，當(dāng)然，測(cè)量工作的效率也會(huì)受到影響。在測(cè)量環(huán)境沒有明顯遮擋物的情況下，每一個(gè)取樣點(diǎn)的距離設(shè)定在40米左右，不僅可以確保站點(diǎn)的重疊覆蓋還可以減少數(shù)據(jù)量。如果測(cè)量區(qū)域有障礙物，那么取樣點(diǎn)的距離可相應(yīng)縮短，但是需要保障站點(diǎn)重疊，完成測(cè)繪任務(wù)。

2.2內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理使用

2.2.1數(shù)據(jù)濾波

測(cè)繪設(shè)備所收集到的數(shù)據(jù)中，包括了各種各樣的無意義的雜亂數(shù)據(jù)。因此，在處理測(cè)繪數(shù)據(jù)之前，必須要將這些無意義的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，這個(gè)處理無意義數(shù)據(jù)的過程，主要是利用噪聲數(shù)據(jù)的斷續(xù)、不規(guī)則、不連續(xù)的特點(diǎn)。

2.2.2點(diǎn)云拼接

從各個(gè)測(cè)點(diǎn)上掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要通過標(biāo)靶將這些數(shù)據(jù)拼接成連貫的數(shù)據(jù)，這個(gè)過程就叫做點(diǎn)云拼接，然后通過控制點(diǎn)構(gòu)建三維坐標(biāo)，將拼接后的點(diǎn)云放入到三維坐標(biāo)系中。

2.2.3平面虛擬測(cè)量點(diǎn)

云數(shù)據(jù)有測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)位組成，尚且不能形成有參考價(jià)值的信息，因此還需要結(jié)合使用CCD相機(jī)拍攝的圖像，通過計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)，將拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影響結(jié)合，將這些數(shù)據(jù)在實(shí)景中標(biāo)識(shí)出來，表明高程點(diǎn)信息，形成所需的地形圖。

2.2.4DEM建模，生成等高線以及縱橫斷面圖

經(jīng)過點(diǎn)云拼接以及虛擬測(cè)量成的點(diǎn)云呈三維離散，就可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置等高線的間距，以形成任意縱橫斷面圖。

3案例分析

3.1工程概況

某條道路進(jìn)行大修，根據(jù)設(shè)計(jì)專業(yè)提供的測(cè)量要求需提供1∶500數(shù)字地形圖、道路縱橫斷面等，由于現(xiàn)場(chǎng)車流量較大，地形地物復(fù)雜，項(xiàng)目工期較緊，綜合考慮后決定采取Leica-P40三維激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)掃描，內(nèi)業(yè)結(jié)合Cyclone及CAD等軟件進(jìn)行地形圖、縱橫斷面繪制。

3.2外業(yè)掃描

掃描沿線布設(shè)有控制點(diǎn)，在控制點(diǎn)上設(shè)站掃描將掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至已知坐標(biāo)系下。本次外業(yè)共掃描10站，掃描線路350m，掃描測(cè)站沿線路均勻分布。

3.3點(diǎn)云拼接及道路點(diǎn)云提取

外業(yè)掃描結(jié)束后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)導(dǎo)入Cyclone中，點(diǎn)云拼接具體實(shí)現(xiàn)采用控制點(diǎn)拼接和標(biāo)靶拼接，拼接完成后對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪，剔除周邊冗余點(diǎn)云只留下道路點(diǎn)云。本次拼接最大拼接誤差為1.4cm，多數(shù)誤差在1cm以內(nèi)，拼接精度可以滿足該工程的需要。

3.4地形圖繪制

利用拼接點(diǎn)云在Cyclone和CAD軟件中繪制道路1∶500地形圖及道路縱橫斷面。也可以直接提取地形地物點(diǎn)及縱橫斷面數(shù)據(jù)以TXT格式導(dǎo)出，在CAD軟件中按照傳統(tǒng)方式繪制地形圖及縱橫斷面。為了提高繪圖效率，這里綜合使用Cyclone和CAD軟件繪制地形圖，然后將設(shè)計(jì)提供中線導(dǎo)入點(diǎn)云中，利用Cyclone切片功能按照中線樁號(hào)對(duì)拼接后點(diǎn)云進(jìn)行切片獲取縱橫斷面數(shù)據(jù)。

3.5精度評(píng)定

根據(jù)項(xiàng)目要求本工程需提供1∶500地形圖及道路縱橫斷面成果，為了驗(yàn)證地形地物點(diǎn)及縱橫斷面的精度，這里對(duì)地形圖部分地物點(diǎn)（如窨井、房角點(diǎn)等）的平面位置精度、高程精度斷面點(diǎn)的高程精度進(jìn)行驗(yàn)證。使用全站儀和水準(zhǔn)儀采集特征地物點(diǎn)，采集21點(diǎn)地物點(diǎn)高程，20點(diǎn)縱斷面點(diǎn)高程，在拼接后點(diǎn)云中提取對(duì)應(yīng)點(diǎn)平面及高程值進(jìn)行精度分析。經(jīng)過整理計(jì)算，地物檢查點(diǎn)平面中誤差7.61cm，地物檢查點(diǎn)高程中誤差為0.91cm，縱斷面高程中誤差為0.78cm。所有檢查點(diǎn)平面及高程較差的分布圖，精度可以滿足《工程測(cè)量規(guī)范》（GB/50026—2007）1∶500地形圖要求。

3.6數(shù)據(jù)量及工作效率對(duì)比

傳統(tǒng)方式進(jìn)行道路地形及縱橫斷面測(cè)量時(shí)，一般只采集明顯地物點(diǎn)及縱橫斷面地形變化處地形點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)量有限，一般情況10個(gè)左右地形點(diǎn)即表示一條橫斷面;而三維激光掃描通過非接觸測(cè)量的方式直接獲取高精度道路地表三維點(diǎn)云模型，設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)高精度的掃描數(shù)據(jù)更精確的確定工作量及設(shè)計(jì)更好的方案。另外三維激光掃描技術(shù)可以減少人員作業(yè)強(qiáng)度，減少作業(yè)時(shí)間，提高作業(yè)效率。該工程使用傳統(tǒng)方式作業(yè)外業(yè)測(cè)量（1∶500地形圖及縱橫斷面測(cè)量）需要兩個(gè)工作日，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理大約需一個(gè)工作日，共采集地形點(diǎn)數(shù)據(jù)600個(gè)點(diǎn);而使用掃描儀外業(yè)測(cè)量（外業(yè)掃描）僅需幾個(gè)小時(shí)，外業(yè)效率極高，內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理時(shí)間相當(dāng)，且數(shù)據(jù)量豐富。

4結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)在道路測(cè)量工程中受到了越來越廣泛的應(yīng)用，不僅大大節(jié)省了人力，還提高了測(cè)量效率，更提高了測(cè)量工程的準(zhǔn)確度和精確度，對(duì)我國(guó)道路工程的施工與發(fā)展有著極大的推動(dòng)作用。在運(yùn)用三維激光技術(shù)的過程中，要注意相關(guān)的操作要求，對(duì)重點(diǎn)的操作步驟要謹(jǐn)慎對(duì)待，反復(fù)檢查，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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