馬李斌，凌茜如，李文博，謝佳妮，白 雪

（長安大學(xué)，陜西 西安 710021）

1 研究背景

近些年，我國公路建設(shè)取得了顯著成就，但仍存在很多問題需要解決。鑒于我國的地域廣袤，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，暴雨和洪水對公路建設(shè)造成了嚴重的破壞，其中最為突出的就是路基水毀。由于暴雨、洪水等對路基的沖刷侵蝕，極有可能造成路基水毀，從而中斷交通，危及行車安全，造成巨大損失。本文主要針對此現(xiàn)象，研究快速搶通水毀路基，通過三維激光掃描技術(shù)，快速形成三維水毀形態(tài)圖，根據(jù)數(shù)字化模塊設(shè)計，應(yīng)用快通預(yù)制模塊對水毀路基進行修復(fù)。從而達到快速搶通水毀路基的目的。[1]自2010 年起，由于公共道路破壞所帶來的巨額財政損失已突破百億元，而且這些破壞的維護和恢復(fù)所需的金額也已超出了10億元。為了解決這一問題，對于山區(qū)道路的破壞和維護有著非常重大的實際意義。近年來，在山區(qū)公路水毀防疫減災(zāi)領(lǐng)域，全球各地的專家們都取得了豐碩的科技貢獻。唐紅梅和陳遠川就西南地區(qū)的區(qū)域水災(zāi)情況展開了系統(tǒng)的調(diào)查和分區(qū)；FAlconeRra 則著重探討了沿河公路水毀致災(zāi)機理，并且還開展了區(qū)域性公路水毀風(fēng)險的系統(tǒng)評估。近年來，隨著公路路基水毀災(zāi)害的持續(xù)加劇，相關(guān)的研究和探索取得了長足的進步，從而解決了傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)，例如丁壩、擋土墻等，還有更加先進的應(yīng)急處置措施，都取得了顯著的成效[2]。李小明和陳洪凱為解決公路路基水毀沖失帶來的安全隱患，提供了一套緊急錨拉框架，以及一系列針對山區(qū)公路路段的應(yīng)急處置措施，以有效地防止公路路基受損，保障公眾安全[3]。Chinchiolo J 等為解決道路邊坡的緊急情況，提供了一套全新的解決方案，并采用先進的技術(shù)。由于氣候變化的加劇，許多地區(qū)的山區(qū)公路面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)。盡管已有許多高新技術(shù)可以幫助這些地區(qū)恢復(fù)交通，但目前的應(yīng)急修理科技仍然無法完全解決這些問題[4]。因此，我們必須尋找更有效的解決辦法來確保這些地區(qū)的平安和通暢。伴隨技術(shù)發(fā)展，三維激光掃描科技也取得了長足的改善[5]。GoSLAM 移動測量控制系統(tǒng)利用即時位置與建圖信息技術(shù)，無需GPS 或其他GNSS 定位，可以實現(xiàn)室內(nèi)、戶外和其他復(fù)雜環(huán)境的位置和三維建圖。GoSLAM 的產(chǎn)品以其出色的功率和靈活的操作方式著稱，它搭載了一個可以調(diào)整的旋轉(zhuǎn)式激光測頭，可以提供120m 的射程，并且可以在短時間內(nèi)收集32 萬點數(shù)據(jù)，而且它還可以實現(xiàn)360 度*285 度的極佳視野，其中的點精度更是達到了1cm。采用RTD 數(shù)字結(jié)算方法，SLAM 解算能夠迅速響應(yīng)，不再需要耗費大量的精力來完成掃描操作[6]。

此外，華測導(dǎo)航監(jiān)測集成事業(yè)部充分利用在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測方面的技術(shù)積累，建立了一套科學(xué)完善的地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警平臺，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害防治管理的科學(xué)化、信息化、標準化和可視化。華測導(dǎo)航旗下的AA10航測系統(tǒng)是華測導(dǎo)航自主研發(fā)的新一代智能航測解決方案，它以“高性能、輕量化、智能化”為設(shè)計理念，可廣泛應(yīng)用于地形測繪、工程勘測、礦山測量等領(lǐng)域，而且CoPre 和CoProcess 兩個數(shù)據(jù)處理軟件能夠提供及時的預(yù)測和分析，用戶還能夠隨意訪問點云數(shù)據(jù)，并且擁有各種不同的查看和操控功能，從而滿足用戶對于高效率的要求。

2 三維激光掃描儀工作原理

激光掃描控制系統(tǒng)具有強大的功能，可以快速、準確地測量物體的位置。它包含了激光測距、掃描操作、儀器操縱、校準以及CCD 技能。這篇文章所用的三維激光掃描儀可以準確地測量出物體的精度。該儀器的激光源會在物體的表面產(chǎn)生一個激光脈沖，然后這個脈動會在物體的接收端產(chǎn)生一個信號，最終可以測出物體和掃描儀之間的距離S。通過采用高性能的時鐘控制編碼器，我們可以實現(xiàn)對每條激光脈沖的垂直、水平、水平、水平、傾斜三維位置的實時監(jiān)測，進而獲取三維坐標（采用掃描儀里面的坐標系統(tǒng)，如圖1），并利用方程進行運算[7]。

圖1 掃描儀內(nèi)部坐標系統(tǒng)

圖1 顯示了三個不同的軸，其中X 軸沿著橫向坐標系延伸，Y 軸沿著縱向掃描線延伸，而Z 軸則與橫向掃描面完全平行。

X、Y、Z 代表著三維空間坐標，它們是用來衡量P位置的，而S 則是用來衡量掃描器到該位置的距離的參數(shù)。此外，α、θ則是用來衡量每一條激光脈沖的垂直或水平方位的視覺參數(shù)[8]。

3 技術(shù)難點以及重點

相較于傳統(tǒng)應(yīng)對水毀災(zāi)害的填補方法，本項目創(chuàng)新性地使用了三維激光掃描技術(shù)構(gòu)建三維水毀形態(tài)，力求在短時間內(nèi)能夠建立出一個精準的水毀體數(shù)字模塊。與以往從單一方向獲取單位數(shù)據(jù)的方法不同的是，我們借助無人機采取了水毀體上下協(xié)調(diào)獲取一體化三維數(shù)據(jù)，既可以精確計算出塌陷的體積，又能獲得周邊路面的體積。為了確保水毀路段的安全，我們將在其周圍建立監(jiān)測點，并利用先進的定位技術(shù)，實時收集地表位移數(shù)據(jù)，以便及時采取有效措施。在此基礎(chǔ)上，本項目難點以及重點體現(xiàn)在以下幾個方面[9]。

第一，如何利用三維激光掃描技術(shù)掃描出來的點云數(shù)據(jù)形成完整地形？地形是復(fù)雜的，且水毀災(zāi)害存在不確定性，無法完全確定災(zāi)害形態(tài)是否會變化，利用三維激光掃描技術(shù)掃描出來的部分數(shù)據(jù)能否準確反映水毀后公路的穩(wěn)定形態(tài)是一大問題[10]。

第二，掃描角度。如果掃描角度不正確會很難形成對后期修復(fù)有效的圖形，例如單純用固定儀器掃描只能形成一個角度的數(shù)據(jù)成像，不能全面形成被毀壞的地形。

第三，如何透過水和松散堆積物形成準確地形圖？液體的掩蓋和松散堆積物的滑落會影響三維激光掃描的地形結(jié)果，如何進行最終地形矯正也是一個問題。

4 實施方案

4.1 公路水毀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

在開展公路水毀測試前，應(yīng)當全面評估該測試區(qū)的環(huán)境條件，精準安排掃描儀與標靶的位置。為了更好地反映出實際情況，應(yīng)當精心挑選合適的測點，并且在采集的過程中，應(yīng)當注意避免重復(fù)采集，從而節(jié)省大量的原始信息。此外，在采集過程中，也應(yīng)當對該測試區(qū)的地貌、特征等進行拍攝，以便后期的數(shù)據(jù)分析與地形圖制作。在進行一次全面的檢查之后，我們需要確定有多少個目標需要檢查。通過精確的掃描，我們可以從控制標靶區(qū)域中挑選出一些點，并為它們設(shè)置獨特的標識，最終，我們可以確定這些點的中心位置。

4.2 點云數(shù)據(jù)配準

地面三維激光掃描儀一次掃描只能取得測區(qū)局部的資料，想要取得測區(qū)完整的三維資料，通常必須從各個的地方經(jīng)過幾次掃描，每一次掃描取得的資料都處在以當前測站為原點定義的某個局部坐標系中。為此，必須在掃描范圍中配置若干監(jiān)控標靶，才能允許同一的掃描點云圖有3 個或更多的同名監(jiān)控標靶，利用同名監(jiān)控標靶將掃描點云資料整合到同一個坐標系下，這個步驟被稱為點云資料的配準。配準的基本方式有兩種：比較方法，該方法以某一掃描站的坐標系為基礎(chǔ)，其余各站的坐標系統(tǒng)都轉(zhuǎn)移到該站的坐標系統(tǒng)下，比較方法掃描時只要求在各個站中間共用3 個上述同名標靶才能達到坐標統(tǒng)一，它不要求計算標靶的絕對值坐標，其重新統(tǒng)一后的坐標是在某一掃描站坐標系統(tǒng)下的坐標，但一旦持續(xù)傳輸?shù)恼緮?shù)較多，則極易形成較大的傳遞誤差確定方法，這是一類將掃描儀和常規(guī)測定緊密結(jié)合的方法，其每站的標靶坐標是采用全站儀或任何儀器設(shè)備精確測量，直觀地得出標靶的絕對值坐標（如工程坐標系中的坐標）。配準時，各測站都垂直切換到一致的絕對坐標系中。這個方法不出現(xiàn)多站坐標系變換的傳輸錯誤，其總體精確度一致。在地形測繪中，絕對坐標系和相對坐標系通常是常用的方法。但是，如果要更精確地進行測量，可以考慮將它們結(jié)合起來。在較小的范圍內(nèi)，應(yīng)該使用相對坐標系，然后再將它們統(tǒng)一到絕對坐標系中[11]。

4.3 地物的提取與繪制

通過使用點云技術(shù)，我們能夠從已經(jīng)精確匹配的點云信息中自動獲得各種物體特征點，例如建筑物的邊緣點和電線桿上的點。此外，我們還能使用三維激光掃描技術(shù)，例如Leica 公司推薦的Cyclone 軟件，從點云信息中自動獲得物體特征點，然后將其轉(zhuǎn)換為文字形態(tài)存儲。使用特定格式的文檔，如/PointNumber、Feature Code、EN、H0，就能夠輕松地將地物繪制在大型數(shù)字測量儀器（如CASS）上。

4.4 地貌數(shù)據(jù)獲取

三維激光掃描技術(shù)可用來獲取全局的空間信息，其中涵蓋了地表的各種特征。然而，由于地物和樹種的存在，使得自動繪制等高線變得困難。為解決這一問題，目前尚未開發(fā)出一種可以進行自動清理的系統(tǒng)，來去除不符合地貌特征的點云數(shù)據(jù)。使用華測導(dǎo)航旗下的CoPre 和CoProcess，我們可以有效地去除不符合實際情況的點云數(shù)據(jù)。

4.5 等高線生成

通常情況下，在進行地面三維激光掃描時，我們需要使用更加精確的方法，因此，在這種情況下，我們需要使用更加稀疏的點，以便更好地捕捉和處理周圍的環(huán)境。為了更好地描述 景觀，我們通常會對去掉不必要的影響的點云數(shù)據(jù)采取更嚴格的分類處理。這樣，我們就能夠更準確地描述景觀，并且能夠更快速地在大比例尺的數(shù)字測量軟件上創(chuàng)建出準確的等高線。

4.6 自動生成等高線

通過地形圖編輯，可以將地物圖像轉(zhuǎn)換為平面、梯度、波浪狀的復(fù)雜圖像，而在這個過程中，如果去掉一些重要的信息，可能會導(dǎo)致原有的平面出現(xiàn)凹凸、變化、不平整的情況，這時候就必須根據(jù)實際情況，通過人工干預(yù)來調(diào)整。通過添加高程標志，構(gòu)建出完美的輪廓，并對其進行精心裝點，以達到完美的效果。

5 結(jié)語

本文闡述了公路水毀的災(zāi)害，在此基礎(chǔ)上利用三維激光進行建模，主要闡述了三維建模的基本原理以及在此基礎(chǔ)上建立的步驟和方法，并且在此過程中給出了建模的步驟和方法，本項目最大的特色在于能夠及時、有效地獲取三維數(shù)據(jù)，建立起一個數(shù)字模塊，甚至構(gòu)建起一部分區(qū)域的數(shù)字地形，在災(zāi)害初期就能知道后續(xù)救災(zāi)過程中所需要的各類材料用量，為之后的救災(zāi)提供精準的數(shù)據(jù)支撐。