三維激光掃描技術在道路測繪中的應用

衛(wèi)長安

（長治職業(yè)技術學院信息工程系 山西省長治市 046000）

改革開放四十多年，國家社會經濟建設持續(xù)高速發(fā)展，人們的生活質量全面優(yōu)化。在人們對出行有更高質量要求背景下，道路測繪是保證道路施工質量和安全可靠使用的關鍵技術。三維激光掃描技術作為新型技術在深度掃描、全方位掃描等方面的優(yōu)勢能促進道路測繪精度和效率得到進一步提升。本文探討三維激光掃描技術構建三維實體模型的數據優(yōu)勢。針對道路測繪應用的需要，結合具體實例提出了三維激光掃描技術應用于道路測繪的具體流程和要求。

1 三維激光掃描技術概述

1.1 三維激光掃描技術

在上世紀九十年代中末期，激光技術、信息技術研究領域快速發(fā)展背景下，三維激光掃描技術作為新型技術代表實現了再次技術新突破，在多行業(yè)受到歡迎。該技術主要是基于高速激光掃描對需要測量物體進行表面全覆蓋、數據高分辨率的詳細采集，快速采集大量空間點位信息能包括測量對象的所有細節(jié)數據，并依據此信息數據生產詳細的三維數據影像模型。該技術最大優(yōu)勢體現在采集數據快速，不需要接觸測量對象，實時動態(tài)進行數據采集，數據密度、精度高，信息采集和分享過程自動化、數字化水平高等特點，該技術的全面推廣應用會在現實社會實踐中再次實現類似GPS技術的應用革命。

1.2 三維激光掃描技術分類

三維激光掃描技術基于測距原理可以分為：

（1）脈沖式三維激光掃描技術。測距精度不高，但范圍較廣，能對數百米到上千米的范圍進行測距掃描。該技術在室內外環(huán)境廣泛應用，如室外對地形地貌和礦山資源進行監(jiān)測，在公路施工、建筑施工、隧道施工中使用，監(jiān)測江河湖海對堤壩和碼頭的侵蝕、工程邊坡變形和滑坡情況、對歷史文化遺址構建三維數字化模型等。

（2）相位式三維激光掃描技術。該技術對百米范圍內的測距對象具有毫米量級的測量精度，常用于室內測量或者是距離適中的室外測量。在室內測量應用于數字工程模擬、交通事故現場模擬，軌道和隧道的測量掃描等，高密度的點云會有效提高數字化模型精度。

（3）光學三角式三維激光掃描技術。使用測量范圍在幾米至幾十米的范圍，特點是測量數據信息完整度高，精度為亞毫米量級，在工業(yè)測量的逆向重建等測量精度要求高的領域有很好應用。

三維激光掃描技術依據掃描系統(tǒng)和空間位置進行分類為：

（1）機載系統(tǒng)。主要是利用飛機的固定翼作激光掃描系統(tǒng)儀器的安裝平臺，利用實時動態(tài)GPS等系統(tǒng)和掃描儀配合，能實現對地面的高精度、高分辨率、高準確度的測量。三維激光以20-40度的光束角度對地面進行掃描，在反射鏡完成回波數據接收后，利用慣導系統(tǒng)分析飛機的飛行姿態(tài)，完成空對地的三維掃描，從而測出目標點的距離基于集合數學原理計算得出目標點的三維坐標參數。

（2）地面系統(tǒng)。一般有移動是和固定式兩種，三維激光掃描系統(tǒng)的基本組成設備相同。一般移動式系統(tǒng)采用的是汽車作為掃描系統(tǒng)平臺，固定式系統(tǒng)只能在固定位置進行目標點的數據采集，為數據三維建模提供信息資料。

（3）手持系統(tǒng)。該系統(tǒng)三維激光掃描設備的體積小巧輕便，能在很短時間準確測量目標體的長度、面積等各類參數，是應用范圍較廣的方便快捷激光測距系統(tǒng)，目前在液面、洞穴和工程建設施工等應用中有很好的應用。

2 三維激光掃描技術數據應用原理

2.1 三維激光掃描系統(tǒng)運行原理

三維激光掃描技術的應用需要一個系統(tǒng)運行平臺支撐，主要包括車載和機載等三維激光掃描儀。在以飛機、無人機作為三維激光掃描儀的安裝載體時，會系統(tǒng)配置掃描系統(tǒng)、彩色CCD相機和GPS、INS系統(tǒng)。機載運行平臺通過GPS、INS系統(tǒng)進行飛行姿態(tài)參數定位測量，指揮飛機沿著設定的航線進行縱向掃描，同時啟動掃描鏡，從橫向進行同步掃描。在基礎掃描完成之后，會利用彩色CCD相機采集掃描區(qū)域的影像圖，收集測距數據、GPS坐標等影響資料。機載運行平臺的三維激光掃描對于大范圍地形地貌的信息采集和數據模型構建有著領先地位。車載三維激光掃描系統(tǒng)和機載系統(tǒng)的組成部分基本相同，只是利用汽車作為系統(tǒng)運行的載體，啟恒前進方向作為運動維度進行數據掃描，同時垂直于汽車的運行方向進行二位數據掃描，基于GPS系統(tǒng)采集汽車運行的坐標參數。該系統(tǒng)主要適應公路道路的測量需要，能快速動態(tài)進行目標測量，主要應用于道路的變形檢測、安全分析和質量檢測、日常維護等工作。地面三維激光掃描技術主要是利用高精度激光測距設備、反射棱鏡等組成，系統(tǒng)平臺包括計時系統(tǒng)、彩色CCD相機等儀器系統(tǒng)。常見的地面激光掃描儀是采用定點和移動時兩種方式進行工作。在具有測距工作原理進行掃描時，主要工作方法是利用相位差、脈沖和光學三角法進行測距。在工業(yè)和考古領域目前主要采用相位差測距掃描，利用光學干涉的工作原理進行激光掃描，速度快而精度比較高。在建筑施工、地形檢測等室外測量工作中，利用脈沖式測距的激光掃描儀進行工作，測距的范圍大，受外界光線影響小，但掃描速度不高。在醫(yī)學手術和整形矯正等領域進行的三維激光掃描技術，是利用立體相機和結構化光源建立光線立體投影進行測量，測量的范圍比較小但精度高。

2.2 三維激光掃描數據處理流程

三維激光掃描技術是利用大量的點云數據生成數字化三維模型。在數據采集過程中，掃描數據往往包含大量信息散亂的點云數據，這些散亂信息會攜帶不需要的干擾內容，導致數據模型生成受到隨機噪聲影響。因此三維激光掃描獲取的點云原始數據必須經過預處理才能使用于后續(xù)的數據分析過程。地面三維激光掃描數據進行處理的主要流程是：首先對采集的點云數據進行篩選和去噪處理，匯總配準多站點采集的三維數據，利用三維數據構建數字化模型，對三維激光掃描和攝影測量采集的各類數據進行集成化處理，對三維激光集成數據和其他遙感測量數據進行交叉整合。對于以構建數字模型為目標的數據應用，要采用科學方法對采集的所有測量數據進行識別、篩選和矯正，從而得到和真實場景最契合的三維數據模型。對掃描數據的預處理是三維激光數據處理的重要環(huán)節(jié)，目前主要是在點云數據上進行操作。操作流程：一是進行坐標糾正。對點云數據的坐標采用智能算法進行配準，讓激光掃描采集的數據結果處于相同坐標系統(tǒng)中。二是對數據進行精簡。對于比較密集的點云數據，在不改變目標物體原有特點下進行數據的消減密集處理，采用的是保留邊界、均勻網格等數據壓縮算法實現，要在保證數據質量的同時提高數據縮減的效率。三是對數據進行濾波。采用高斯濾波等算法對數據噪點進行去噪處理，主要是通過降低數據的噪聲點來提高三維數字模型的精度。四是明確地理參考坐標，就是將三維激光采集掃描數據轉化到需要的研究坐標內。五是進行數據有效分割，就是要采用子集的方式對掃描得到的點云數據進行特點歸類劃分，是基于分割算法來實現每個子集區(qū)域只包括指定自然曲面上的掃描點。六是進行數據分類，明確每個點云子集所屬于的曲面及其類型。七是進行曲面擬合和網格構建。在利用集合方法確定不同點云子集的數學表達基礎上，利用點云數據構建三角網來讓模型更加真實再現物體的表面情況。八是紋理細節(jié)處理。就是利用圖像來替代物體模型中的一些細節(jié)，從而提高數字模型的逼真程度，實現模型的可視化顯示。

3 三維激光掃描技術應用于道路測量的工作流程

3.1 采集道路工程項目的作業(yè)數據

利用三維激光掃描技術對道路需要測繪的路段開展作業(yè)數據的采集、整理和歸納之后，才能設定道路作業(yè)的測繪地點和位置等參數。在進行平面測繪時，利用GPS技術對需要測量的對象進行目標點準確定位。對測量目標點進行全面掃描，詳細掌握每個目標點的高程。在外業(yè)測量時，需要全部完成目標點的測量之后進行目標點實際地理空間坐標和點位的標注。這些數據的核對和標注過程，都是對采集到的數據信息進行整理的過程。為提高三維激光掃描道路測量的數據精度和處理精度，要將需要測量的每個目標點之間距離進行科學合理設置，避免距離設置不合理導致數據采集不全面的問題，避免兩點之間距離過近增加數據資料處理難度。在實際操作中，也要考慮利用少量數據信息的重疊采集方法，提高激光掃描數據采集的準確性。

3.2 處理道路工程項目的作業(yè)數據

在三維激光信息掃描系統(tǒng)完成對道路工程作業(yè)數據采集后，要進行數據的高質高效處理，特別要注重提高數據處理的系統(tǒng)性和全面性。主要步驟如下：

（1）處理點云數據。在道路數據信息采集完成之后，需要對采集的海量數據、零散數據進行整理和處理。首先要把每個數據資料基于一定的原則科學放置于統(tǒng)一坐標系，并同時完成相對比較完整的基礎三維坐標系。對一些重疊部位的數據進行合理化處理，避免點位數據過于龐大影響數據傳輸過程的精確度和準確性。要借助先進的測繪技術來實現采集數據坐標和地理坐標的轉化，將采集的各類標注信息和實際測量的空間信息共同構建豐富的坐標系統(tǒng)，為掌握道路情況提供更加全面完善的信息資料。

（2）去除數據噪點。為避免點云數據噪點對坐標系精度的影響，要進行數據去噪處理?；跀祿V波的原理，將三維激光掃描設備和計算機連接之后，利用專門軟件進行數據噪點處理。在點云數據過于密集的情況下，可以采用抽隙處理的方法，保證目標點之間的距離處于合理規(guī)范的區(qū)域，便于對數據的集成化處理。

（3）構建道路平面圖。在完成點云數據處理形成空間數據模型之后，繼續(xù)對數據信息進行優(yōu)化處理，基于測繪等高線來繪制道路平面圖。在道路平面圖中，利用橫縱線明確道路的中線位置，這樣便于后續(xù)道路工程項目土方計算等多種概預算工作，能對施工方案的優(yōu)化改進提供輔助設計參考。

4 三維激光掃描技術在道路測繪中的實例

4.1 在高速公路測繪中的應用

T段高速公路投入運行時間近二十年，在公路車輛數量、運輸車噸位大幅度增加的情況下，導致路面被壓壞出現大面積破損現象，需要對破損的路段進行修整，以保證道路的安全通行。在道路進行施工中，利用三維激光掃描技術來測繪道路的真實損壞情況，需要測繪部門提供以10米為間隔的道路橫縱斷面圖。該高速公路是所在地區(qū)的主要運輸通道，不能進行封閉測繪，避免影響正常通行。因此選用具有間隔測量的技術優(yōu)勢的三維激光掃描技術。

在道路實際測繪作業(yè)中，首先明確高速公路護欄外的情況，對出現損壞的路段設置位于護欄外的測繪點，安裝激光掃描設備，之后對激光掃描數據得到的數據資料利用計算機三維軟件進行拼接處理。在進行數據資料拼接中控制精度在7毫米內，點云數據的拼接精度在9毫米以內，這樣能有效提高數據處理之后生成的三維模型精度。要將高速公路的隔離帶、綠化帶、緊急車道等都繪制在三維模型中。最后基于生成的三維模型，在計算機中利用專業(yè)軟件繪制出需要的縱橫斷面平面圖。通過對比研究發(fā)現，傳統(tǒng)測繪方式和三維激光掃描技術測繪的數據誤差小于1毫米。但三維激光掃描技術具有測繪工作時間短，操作便捷，對道路的正常使用沒有任何影響等良好的應有優(yōu)勢。

4.2 山區(qū)道路地形圖的測繪應用

318國道在經過山區(qū)和丘陵區(qū)的路段，需要對100公里道路中線兩側各五百米的區(qū)域測繪制作地形圖，比例尺為1/500。如果采用傳統(tǒng)的測繪方式，測繪人員需要實地進行測量，對于道路測區(qū)起伏較大的地形環(huán)境，需要付出大量人力、物力和財力。此次測試中最后選用車載三維激光掃描作業(yè)，通過車載三維激光掃描采集到的點云數據進行地形圖的拼接，最終取得了標靶拼接誤差小于1厘米的地形圖。

本文通過對三維激光掃描技術的工作原理、流程和實例分析發(fā)現，該技術能借助無接觸、高精度等測量優(yōu)勢，實現對道路三維模型的高準確度繪制，有效提高了道路測繪的精度和效率。