三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用

萬飛 許小金

【摘 要】三維激光掃描技術(shù)不僅在其測量具有高度精準(zhǔn)的優(yōu)點，而且掃描率高，操作比較靈活，所以可以很好地進(jìn)行地形地質(zhì)測量。此項技術(shù)在我國的工程事業(yè)中做出了很多貢獻(xiàn)，節(jié)省了不少人力且安全簡潔。本文概述了關(guān)于三維激光掃描技術(shù)的分類及原理，為相關(guān)人員提供一些建議性的幫助。

【Abstract】3D laser scanning technique not only has the advantage of high accuracy in the measurement ， but also has high scanning rate and flexible operation， so it can better carry out the topographic and geological survey. This technology has made a lot of contribution in the engineering undertaking of our country， and saved a lot of manpower， and it is safe and simple. In this paper， the classification and principle of 3D laser scanning technology are summarized， so as to provide some constructive help to relevant personnel.

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描；道路地形測繪；應(yīng)用

【Keywords】3D laser scanning； road topographic mapping； application

【中圖分類號】P225.6 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）05-0114-02

1 引言

地面三維激光掃描技術(shù)主要對測繪的數(shù)據(jù)獲取、處理和服務(wù)方面進(jìn)行了一次新的技術(shù)突破，它的突破主要體現(xiàn)在GPS空間定位技術(shù)。當(dāng)前的三維激光掃描技術(shù)發(fā)展迅猛，被普遍應(yīng)用到大面積的范圍，效果也十分顯著。在道路的施工驗收工作中，它能對被測物體進(jìn)行全方位的掃描分析，直接可獲取到被掃描物體的反射強度和三維坐標(biāo)以及色彩信息[1]。

2 三維激光掃描技術(shù)概述

2.1 技術(shù)原理

三維掃描技術(shù)利用光源的基礎(chǔ)上對被掃描的對象獲取其三維坐標(biāo)、地表信息等做出一個三維場景，通過其獨有的GPS定位系統(tǒng)、高精度的測量和測光系統(tǒng)做出一系列的分析。

激光測距傳感器是由測距單元、控制和處理單元以及光學(xué)機械掃描裝置組成的。脈沖式和相位式是常見的兩種激光測距。脈沖式激光測距是由激光發(fā)射裝置發(fā)出一束激光到被測實物而反射過來的光線再有激光接收機接收到，而得知地表和激光發(fā)射器之間的距離。其公式如下面（1）所示。用傳感器發(fā)射以及接收波之間的相位差來計算傳感器和物體之間的距離是相位式測距。在此以外，要獲得傳感器具體的空間位置還可以通過系統(tǒng)內(nèi)部的GPS以及測量區(qū)內(nèi)的GPS基站的差分得出；傳感器的狀態(tài)主要由INS負(fù)責(zé)記錄。

R=1/2Ct （1）

2.2 激光掃描的發(fā)展概況

三維激光掃描技術(shù)在近些年來愈發(fā)壯大，同時在一些測量測繪技術(shù)較為發(fā)達(dá)的國家或相關(guān)單位得到了廣泛的應(yīng)用，在我國的一些相關(guān)專家的努力下也得到了很多的研究成果。并且在一些比如水利大壩和文物參考保護(hù)方面的這些領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。

當(dāng)前，很多國家的廠商已經(jīng)生產(chǎn)出不同型號的三維激光掃描儀，它的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀（3D layser scanner）的誕生為代表。

三維激光掃描儀可分為三種類型，分別是地面型三維激光掃描儀、車載型三維激光掃描儀和手持型的三維激光掃描儀。地面型的三維激光掃描儀常用于工程道路測量這方面。

2.3 傳統(tǒng)的測量技術(shù)與其的區(qū)別

傳統(tǒng)的測量技術(shù)由于操作過于簡便且容易上手，但是卻因為采點的密度不夠、容易丟露點位且速度太慢等一些原因在一些比較要求高的工程上就顯得蹩腳。而地面三維激光掃描儀是通過激光的測距原理，全自動全方位的高精度步進(jìn)式測量掃描，以此得到更全面且完整性很高的三維坐標(biāo)。能在很短的時間內(nèi)把這些獲取到的數(shù)據(jù)通過電纜傳入電腦并獲得景象的三維空間，將這些高密度的數(shù)據(jù)點按順序排列在三維虛擬空間中，形成坐標(biāo)圖，也就是專業(yè)術(shù)語“點云”。

點云數(shù)據(jù)的特點和處理：點云數(shù)據(jù)，GPS數(shù)據(jù)，INS數(shù)據(jù)將由一部高分辨率數(shù)碼相機采集儲存到一套完整的LiDAR系統(tǒng)里。LiDAR數(shù)據(jù)跟普通的遙感數(shù)據(jù)的區(qū)別在于，它主要獲取的三維點云數(shù)據(jù)是離散的，而這種數(shù)據(jù)是可以在同一個平面里接觸到幾個高程值的，能很方便地得知其細(xì)節(jié)信息和有比較變動大的目標(biāo)，如電桿、山崖等，但是同時也對地形信息的獲取增加了難度。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)出的第一次回波都是入射至物體，最后一次是在地面上反射形成的，它的組成是整個流程里最復(fù)雜的，很不方便做出數(shù)據(jù)處理。而點云數(shù)據(jù)不但能獲取到目標(biāo)的三維坐標(biāo)，還能得知激光對地表物體的影響。由于點云數(shù)據(jù)量比較多，所以對計算機的配置方面有很高的要求。

一般情況下地面LiDAR系統(tǒng)都是掃描儀生產(chǎn)廠商用來處理公司自營產(chǎn)品數(shù)據(jù)的軟件，為更方便地對用戶的要求做出相應(yīng)的改變，可以用這些軟件得出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為別的類型數(shù)據(jù)比如3DMAX，AutoCAD，Geomagic。當(dāng)前Cyclone更新到7.0版本后，其內(nèi)容十分豐富，更是添加了網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，可以應(yīng)用于工程放樣，能夠很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理流程，還可以通過Cyclone VIEWER模塊處理其他儀器的ASCII，PTS和PTX等格式的數(shù)據(jù)。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

3.1 采集數(shù)據(jù)

一般情況下會選擇比較少的測站，這是為了省去原始數(shù)據(jù)量過大造成繁雜還有保證獲取到數(shù)據(jù)是精準(zhǔn)的。采集的數(shù)據(jù)主要包括標(biāo)靶的位置和掃描儀以及測站數(shù)。通常會將點云數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的獲取同步操作是方便后面數(shù)據(jù)能有效地匹配完成。因此，要依次逐站掃描，且必須嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行選擇對應(yīng)的采樣標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.1 標(biāo)靶和控制點的測量和分布

在采集數(shù)據(jù)的時候，由于三維激光掃描儀與被掃描物體形成的夾角不同，它的空間分辨率也會隨之變化，這和掃描儀的測距是有關(guān)系的。一條道路的測量往往需要多個測站來完成，就是因為不同的掃描距離和點的精度不同，此外還可能有別的障礙物的影響。為了供點云拼接，需要在每個相連的測站重合的部位設(shè)置3個以上且要形成不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，根據(jù)掃描儀的測距，將這些測量數(shù)據(jù)結(jié)合在一塊。

3.1.2 對采樣的間隔掃描

采樣的間隔如果太大就會對后期的數(shù)據(jù)處理進(jìn)度帶來影響，反之如果采樣間隔過小的話，采集到的數(shù)據(jù)又太多對后期的傳輸和保存又會造成很多不必要的麻煩。由此可見，對采樣間隔的設(shè)置是很重要的。

在視力觀察良好的情況下，要保證相鄰的測站間有點云的重疊區(qū)域，建議每站的掃描距離在30～50m之間；若視觀條件不適的狀況下，要使掃描的目標(biāo)測量完成，就要選擇合適的位置來布置掃描站數(shù)，適當(dāng)?shù)目梢栽黾印?/p>

3.2 處理采集的數(shù)據(jù)

在處理激光雷達(dá)點云數(shù)據(jù)的時候，對于不在同一站點獲取的點云數(shù)據(jù)要嚴(yán)格匹配，其主要有：點石匹配、噪聲的消除、分割、坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、圖像的匹配。將其進(jìn)行目標(biāo)構(gòu)模和進(jìn)行定量分析并歸置于一個坐標(biāo)系內(nèi)。一般采用的方式有下列幾種：

①為進(jìn)一步的與其他數(shù)據(jù)同步處理需要在GPS的幫助下，獲得各個掃描站點的具體坐標(biāo)，將獲取的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入，就可以得出比較準(zhǔn)確的點云地理位置。噪音數(shù)據(jù)和點云數(shù)據(jù)的區(qū)別就是在于它是沒有規(guī)律且不連續(xù)比較雜亂的，可利用這一個特點將噪聲數(shù)據(jù)迅速剔除掉。分割點石構(gòu)建目標(biāo)模型。作為該地區(qū)的地理樣貌特征信息資料，要截取到清晰的紋理圖像與點石匹配。②若在掃描的時候多次掃到相同的目標(biāo)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行抽隙處理，是因為采集到的點云數(shù)據(jù)過多而密集，不易于整理歸納，這種方法叫冗。③點云拼接的過程是結(jié)合在每個測站得到的數(shù)據(jù)通過設(shè)置在測站周圍的標(biāo)靶聯(lián)合拼在一起。點云拼接好后，可以利用布置好且測量正確的三維坐標(biāo)，將其納入到我們使用的平面直角坐標(biāo)系里。④處理后的點云數(shù)據(jù)，在生成等高線的過程中，點云數(shù)據(jù)會排除一些非地貌影響的因素后并根據(jù)測繪的詳細(xì)進(jìn)度做出相應(yīng)的變動。在地形測繪的時候若點位過于密集且分布不均勻的話那么地面的詳細(xì)信息則不可用三維激光掃描。有些較為煩瑣的細(xì)節(jié)信息會導(dǎo)致等高線混亂，而這種情況是因為采用了掃描點構(gòu)造三角網(wǎng)追蹤等值線。⑤對造成等高線殘缺、變形或者不完整的情況，可以進(jìn)行手動修復(fù)點云的數(shù)據(jù)，參考照片的時候標(biāo)記好高程，形成輪廓后對其進(jìn)行局部的修改。這種情況的發(fā)生多是在編輯地形圖的時候，將等高線的圖形和地面物體的圖形重疊在了一起編輯，而有些部分的物體數(shù)據(jù)的刪除后就會引起這種情況。

4 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點測量方法是具有高效率、高精準(zhǔn)等優(yōu)點，是測繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的一次技術(shù)革命，很大程度上幫助完善了測繪工作，使測繪工作的開展進(jìn)一步擴展提升，相關(guān)數(shù)據(jù)采集較為完整。

【參考文獻(xiàn)】

【1】馬利，謝孔振，白文斌，等.地面三維激光掃描技術(shù)在道路工程測繪中的應(yīng)用[J].北京測繪， 2011（2）：48-51.