三維激光掃描技術(shù)用于公路工程測量的可行性分析

劉新強(qiáng)

(新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行二處)

三維激光掃描技術(shù)用于公路工程測量的可行性分析

劉新強(qiáng)

(新疆交通建設(shè)管理局項(xiàng)目執(zhí)行二處)

公路工程測量是公路設(shè)計(jì)的先導(dǎo)，公路建設(shè)的發(fā)展使其對(duì)測量精度與效率的要求不斷提高，三維激光掃描技術(shù)可以利用高精度逆向三維建模和重構(gòu)技術(shù)獲得同步的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與數(shù)碼照片等，以此建立三維數(shù)據(jù)模型，客觀而真實(shí)的再現(xiàn)事物的形態(tài)等，是一種有效的空間數(shù)據(jù)測量技術(shù)，通過測試表明其測量過程與精度都可以滿足公路工程的測量需求，是一種繼GPS后的新一代工程測繪技術(shù)。

三維激光掃描;工程測量測試;數(shù)據(jù)分析;成果研究

1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)是利用三維激光掃描設(shè)備為觀測設(shè)備的測量技術(shù)，目前已經(jīng)有不同類型的三維激光掃描儀應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。按照掃描空間位置與系統(tǒng)平臺(tái)來對(duì)其進(jìn)行劃分，有機(jī)載型、地面型、手持型等，經(jīng)常用于公路工程測量的是地面型三維激光掃描儀。此類技術(shù)對(duì)物體表面測量的精度極高可以達(dá)到毫米級(jí)別，可以解決精確地圖的繪制難題，因此研究其在公路工程測量中應(yīng)用的可行性是十分必要的。

2 三維激光掃描技術(shù)在公路工程中應(yīng)用的分析

2.1 公路工程中的可行性測量過程

可行性分析利用某個(gè)工程場地，是一個(gè)構(gòu)造物的工程，具有一定程度的表面覆蓋，但是不能過于密集。工程場地限定后利用地面上的特征標(biāo)志物作為測量的標(biāo)志，利用三維激光掃描儀進(jìn)行標(biāo)志物的三維坐標(biāo)測量，隨后利用全站儀掃描測量范圍內(nèi)的散點(diǎn)，作為測量的補(bǔ)充。可行性試驗(yàn)中設(shè)定的掃描范圍為5 cm，點(diǎn)云控制點(diǎn)掃描的間距則降至5 mm，掃描時(shí)間的長短根據(jù)掃描參數(shù)確定，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析，得出測量成果并進(jìn)行精度分析，這樣就完成了對(duì)公路工程項(xiàng)目的測量。

2.2 測量數(shù)據(jù)的初步處理

(1)對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行好轉(zhuǎn)換，利用系統(tǒng)配置的相應(yīng)軟件對(duì)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取點(diǎn)云中測量標(biāo)志的位置，一般經(jīng)過標(biāo)志點(diǎn)的掃描點(diǎn)距離較小且密度大，因?yàn)樵跍y試中標(biāo)志點(diǎn)的掃描點(diǎn)的點(diǎn)距為5 mm，其他部分則為5 cm，因此可以很容易的區(qū)分標(biāo)志點(diǎn)與其他位置。通過移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)、放大在點(diǎn)云圖上對(duì)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行定位，標(biāo)志出點(diǎn)的位置，輸入各個(gè)測點(diǎn)標(biāo)志的坐標(biāo)，通過軟件就可以計(jì)算出點(diǎn)云工程坐標(biāo)的匹配精度。在測量中工程點(diǎn)的不同位置經(jīng)過精度轉(zhuǎn)換獲得了不同的精度，但是其精度都達(dá)到了要求。轉(zhuǎn)換精度主要取決于采用全站儀、GPS的測量精度、標(biāo)志點(diǎn)的測量精細(xì)度等。所以測量標(biāo)志點(diǎn)應(yīng)利用較高的精度進(jìn)行聯(lián)測，同時(shí)測量標(biāo)志應(yīng)小且清楚。

(2)數(shù)據(jù)的篩分，外業(yè)掃描中會(huì)獲得大量的點(diǎn)云，但是這些點(diǎn)云并不是都能對(duì)工程測量有所幫助，如地表的點(diǎn)云等，利用其觀測可以獲得地面的坐標(biāo)，但是有些測量過程是不需要此類點(diǎn)云作為參考的，如地表的植物。在處理軟件中可以通過兩種模式對(duì)這些不需要進(jìn)入測量分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，如通過移動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)、選擇、刪除等進(jìn)行編輯完成對(duì)某些點(diǎn)云的篩選與去除;或者通過對(duì)不同高度的地表植物進(jìn)行人為的區(qū)塊劃分，以此消除植物對(duì)測量的干擾，從而獲得有效的地表坐標(biāo)。但是此兩種模式在實(shí)際應(yīng)用中的效果并不是十分理想。利用濾波的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選可以更加有效的降低“噪聲”干擾，以此獲得更加有效的數(shù)據(jù)。

2.3 測量的精度分析

(1)在分析三維激光掃描儀的測量精度的時(shí)候，首先應(yīng)考慮其平面的精度，測試中有效掃描能精確測量的坐標(biāo)點(diǎn)位較少，所以在掃描中隨機(jī)性的布置了一些平面的測量標(biāo)志點(diǎn)，用測量儀考察其精度，所布置的平面點(diǎn)有55個(gè)，標(biāo)志點(diǎn)在基礎(chǔ)控點(diǎn)之上，利用2 s級(jí)的全站儀對(duì)水平角度、垂直角度、測量距離等進(jìn)行測量。每個(gè)工作點(diǎn)的掃描范圍除了選擇4個(gè)標(biāo)志測點(diǎn)作為運(yùn)點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，其余的測點(diǎn)都作為對(duì)標(biāo)志平面測量精度的對(duì)比參照。平面精度的測點(diǎn)設(shè)計(jì)了50個(gè)，經(jīng)過分析比對(duì)后，其綜合精度分析的結(jié)果是4個(gè)點(diǎn)位的測量精度都在工程測量的允許范圍內(nèi)，可以作為工程參考。

(2)地形高程與斷面精度分析，在測試中測量的高程點(diǎn)作為對(duì)三維激光掃描儀高程精度的考察依據(jù)，利用2s級(jí)全站儀測量了多個(gè)地形散點(diǎn)，也利用與散點(diǎn)位置相同的基礎(chǔ)控點(diǎn)完成測量，對(duì)其水平角、垂直角等測量1測回，得到的結(jié)果其誤差滿足實(shí)際工程的需求。另外，利用此類方式對(duì)縱向與橫向斷面的精度進(jìn)行了分析，在測試中掃描點(diǎn)云方的范圍控制在樁高101個(gè)，橫斷面測量點(diǎn)102個(gè)，因?yàn)榭梢员容^的樁高程數(shù)量不多，所以其精度也在四個(gè)工程測點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行分析比較，其中產(chǎn)生的橫縱斷面的誤差都在可以接受的范圍內(nèi)。根據(jù)工程中樁坐標(biāo)和野外實(shí)際的中樁測量結(jié)果，截取地形變化的高程差異，將從三維激光掃描所形成的數(shù)學(xué)模型上截取的高程差與外業(yè)實(shí)際測量的數(shù)值進(jìn)行比較，其誤差的范圍也在允許的范圍內(nèi)。

2.4 總體精度分析

測試中根據(jù)測量的綜合數(shù)據(jù)對(duì)采用三維激光掃描儀所采集到的數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)影響三維激光掃描儀平面精度的因素是控制點(diǎn)測量的精度與控制點(diǎn)的面積、以及點(diǎn)云掃描的誤差等。測試中的工作點(diǎn)都在一個(gè)基礎(chǔ)控制點(diǎn)上設(shè)立測量點(diǎn)站，采用的是J2級(jí)別的全站儀測量其水平角度與垂直角、距離等個(gè)1測回，基礎(chǔ)控制點(diǎn)的本身存在誤差但對(duì)點(diǎn)云測量不會(huì)產(chǎn)生干擾。測量點(diǎn)之間的相對(duì)平面位置中誤差可以經(jīng)過計(jì)算獲得。經(jīng)過計(jì)算可以得出點(diǎn)云控制點(diǎn)的精度包括了測量精度、測量時(shí)標(biāo)志的對(duì)點(diǎn)精度、點(diǎn)云面積誤差等，經(jīng)過比較分析，三維激光掃描所得到的精度較高。另外從測試的結(jié)果看，利用是三維激光掃描技術(shù)生成的平面精度要好于高程精度、平面和高程精度都能夠達(dá)到精密地圖測量，以及縱斷面和橫斷面測量的要求范圍。

3 結(jié)束語

地面三維激光掃描技術(shù)可以在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高密度、高精度的測量，并獲得三維空間信息，其掃描速度快、數(shù)據(jù)信息全面、精度高、過程簡單、可以節(jié)約人力與資源，具有強(qiáng)大的后期處理能力，可以在公路工程測繪中取得一定的成功。這一技術(shù)可以在不同位置、不同細(xì)節(jié)要求下完成對(duì)道路工程設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)的采集。雖然因?yàn)槟承┘夹g(shù)難點(diǎn)還沒有完全得到解決，不能將其做測繪技術(shù)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)技術(shù)，但是隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，相關(guān)企業(yè)所研發(fā)的三維激光掃描儀所支持的測繪技術(shù)，必將成為測繪工作中的重要技術(shù)分支。

［1］戴升山，李田鳳.地面三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景［J］.現(xiàn)代測繪，2009，(4).

［2］宋健康.基于GPS、三維激光掃描技術(shù)的堤壩掃描測量［J］.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2009，(4).

［3］李兆堃，嚴(yán)勇.三維激光掃描在工程測量中的應(yīng)用研究［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版)，2009，(1).

［4］施貴剛，程效軍，官云蘭，等.地面三維激光掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)的最佳距離［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，(2).

［5］陳晨.三維激光掃描技術(shù)在城市設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.中外建筑，2009，(5).

U416.1

C

1008-3383(2012)04-0009-01

2012-01-04

劉新強(qiáng)(1982-)，男，山東濰坊人，研究方向:工程測量。