三維激光掃描技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用

摘? 要：道路工程測量是道路工程的施工基礎(chǔ)和保障，因此道路工程測量的質(zhì)量一直以來都是受到重點關(guān)注的。尤其是隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，道路工程的作用越來越重要，對道路工程測量的要求也就越來越高。傳統(tǒng)的道路工程測量技術(shù)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代道路工程測量的基本要求，新的技術(shù)受到了越來越廣泛的應(yīng)用。該文主要研究的是三維激光掃描技術(shù)在道路工程測量中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)? 道路工程? 測量

中圖分類號：TH457? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2019）04（b）-0046-02

道路工程對我國社會經(jīng)濟的發(fā)展有著十分重要的影響，因此道路工程的施工質(zhì)量一直以來都備受關(guān)注。而作為道路工程施工質(zhì)量的基礎(chǔ)和保障，道路工程測量工作也受到了較多的關(guān)注。傳統(tǒng)的道路工程測量技術(shù)已經(jīng)完全無法滿足現(xiàn)代道路工程測量的基本需求，新的技術(shù)手段在實際測量過程中不斷被開發(fā)和應(yīng)用，使用現(xiàn)代化技術(shù)手段以及設(shè)備進(jìn)行道路測量工作已經(jīng)是常態(tài)，但是這種應(yīng)用依舊是平面化的，沒有辦法將測量工作以及測量數(shù)據(jù)立體化，使得測量數(shù)據(jù)在實際運用的過程中無法發(fā)揮更大的作用。由此，三維激光掃描技術(shù)進(jìn)入了人們的視野，并在道路工程測量工作中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在道路工程測量中使用三維激光掃描技術(shù)不僅能夠?qū)y量數(shù)據(jù)立體化，還能對測量區(qū)域進(jìn)行空間描繪，讓測量數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，具有更高的參考價值，有利于道路工程測量工作的長期發(fā)展。

1? 技術(shù)概況

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)主要是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(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)對象的數(shù)據(jù)點，因此相對于傳統(tǒng)的單點測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進(jìn)化到面測量的革命性技術(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)又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。應(yīng)用掃描技術(shù)來測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)，工件三維測量，針對現(xiàn)有三維實物（樣品或模型），在沒有技術(shù)文檔的情況下，可快速測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)有點云、建模、空間點陣掃描，其中空間點陣掃描屬于核心技術(shù)，通過掃描儀與目標(biāo)距離的遠(yuǎn)近來劃分采樣點的大小，不同大小的采樣距離適用于不同的對象，中遠(yuǎn)距離一般用于大型目標(biāo)的測量，近距離則用于小物體的精準(zhǔn)測量。

1.2 道路工程中三維激光掃描原理

道路測量中運用的三維激光掃描由掃描儀、電源以及控制器3個部件組成。與一般的三維掃描不同，道路測量工程中面對的掃描對象不再是一個物體，而是一片區(qū)域，因此在道路工程中運用的激光掃描儀中有一套獨立的坐標(biāo)系統(tǒng)，以掃描儀的位置為原點，橫向的掃描面為X，垂直的掃描面為Y，與掃描面立面垂直的為Z，對掃描的位置進(jìn)行三維的立體定位，并且在掃描的過程中能夠進(jìn)行快速的旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用靈活，掃描范圍廣，并且得出的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

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

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要針對的是被掃描對象的外觀數(shù)據(jù)，包括長、寬、高、面積、體積等。在進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)采集的過程中需要布設(shè)一定距離的標(biāo)靶和測量點，然后再進(jìn)行目標(biāo)的全景掃描，數(shù)據(jù)掃描主要有三維激光掃描與標(biāo)靶三維坐標(biāo)測量兩項作業(yè)內(nèi)容，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中要特別關(guān)注以下兩個方面。

2.1.1 標(biāo)靶與測量點的布置

三維激光掃描的掃描范圍雖然很廣，但畢竟是有限的，和道路工程中涉及到的道路來比就顯得十分狹窄，再加上激光掃描儀和掃描目標(biāo)之間還存在著不同程度的夾角，對空間測量結(jié)果的分辨率會造成一定的影響。此外，道路工程屬于室外作業(yè)，在整個工程范圍內(nèi)植被、水文、地形都有所不同，整個工程范圍并不是一覽無余的，總會存在障礙物。這些障礙物是極廣不能穿透的。因此在對道路工程進(jìn)行測量的過程中需要設(shè)置很多的測量點，再將這些測量點的數(shù)據(jù)連成一體，得到最終的測量結(jié)果。這些測量點數(shù)據(jù)的連貫性就需要由標(biāo)靶來保證，根據(jù)掃描儀的測程，在各相鄰測站的重合位置布設(shè)3個以上不規(guī)則圖形的標(biāo)靶，以便在后續(xù)處理時能夠通過點云拼接將測量點的數(shù)據(jù)連成完整的整體。

2.1.2 確定采樣間隔與掃描作業(yè)

道路工程是一項范圍比較廣，距離比較長的工程，面對這樣的工程進(jìn)行測量作業(yè)就需要借助采樣點來保證測量的準(zhǔn)確性，采樣點的密集程度會對數(shù)據(jù)結(jié)果以及后期的數(shù)據(jù)處理造成十分大的影響。采樣點間隔太大會導(dǎo)致采樣數(shù)據(jù)不連貫，一些重要的地勢變化和道路情況就會被遺漏掉，給后期的施工帶來不必要的麻煩;而采樣點間隔太小又會造成測量數(shù)據(jù)過于密集，點云數(shù)據(jù)龐大，這對環(huán)境和條件相對較差的戶外作業(yè)來說，會給數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、分類都帶來較大的麻煩，可能會造成數(shù)據(jù)的誤差，而如此大體量的數(shù)據(jù)也增加了后期處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，大大降低了測量工作的效率。因此在實際測量的過程中，對于采樣點的間隔距離要進(jìn)行嚴(yán)格的把控，在無障礙的情況下，保持在30～50m的距離范圍內(nèi)，從而保證數(shù)據(jù)的合理性和連貫性，對于有地勢變化的路段則要根據(jù)實際情況來進(jìn)行調(diào)整。

2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理則主要包括與被測量對象相關(guān)的樹木、車輛、行人、水文、環(huán)境等相關(guān)信息，在進(jìn)行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的過程中要根據(jù)相關(guān)的要求，將無用的信息剔除出去，留下有用的信息進(jìn)行分析研究。內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的主要流程包括有設(shè)計方案、收集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)濾波、點云拼接、平面虛擬測量、DEM建模、縱橫斷面圖生成幾個步驟，其中重點需要關(guān)注的是以下幾個步驟。

2.2.1 數(shù)據(jù)濾波

數(shù)據(jù)濾波就是對三維激光掃描收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，將例如行人、車輛、樹木等對道路測量無用的數(shù)據(jù)剔除出去，這個過濾和剔除主要是利用噪聲數(shù)據(jù)不連續(xù)、無規(guī)律、稀疏、雜亂的特點將噪聲數(shù)據(jù)與有用數(shù)據(jù)區(qū)分出來，再進(jìn)行剔除的。

2.2.2 點云拼接

從個測量點上掃描得到的點云數(shù)據(jù)都是不連貫或者存在重疊的一段一段的獨立數(shù)據(jù)，要想得到整個道路工程的具體數(shù)據(jù)就需要通過點云拼接將這些獨立的數(shù)據(jù)段落連接起來，然后通過控制點構(gòu)建三維坐標(biāo)，將拼接后的點云放入到三維坐標(biāo)系中。

2.2.3 平面虛擬測量

雖然點云拼接具有三維坐標(biāo)，但是與實際情況還是具有一定差距的，并不能形成有效的參考。平面虛擬測量就是將點云拼接得到的數(shù)據(jù)與CCD相機拍攝的圖像結(jié)合起來，將數(shù)據(jù)尺寸在實景中標(biāo)識出來，表明高程點信息，形成所需的地形圖。

3? 結(jié)語

綜上所述，三維激光掃描技術(shù)在道路測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，提高了測量效率，更提高了測量工程的準(zhǔn)確度和精確度，對我國道路工程的施工與發(fā)展有著極大的推動作用。在運用三維激光技術(shù)的過程中，要注意相關(guān)的操作要求，對重點的操作步驟要謹(jǐn)慎對待，反復(fù)檢查，以保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和參考價值。

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①作者簡介：王佳樂（1998—），男，漢族，河北石家莊人，本科在讀，研究方向：激光。