三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用

楊森

遼寧乾成工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司 遼寧沈陽(yáng) 110000

三維激光掃描技術(shù)作為一項(xiàng)新興的測(cè)繪手段，已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)與空間三維測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域，具有速度快、精度高、非接觸的優(yōu)勢(shì)。在道路工程中，三維激光掃描技術(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)于道路寬度、長(zhǎng)度和路面高程的精準(zhǔn)測(cè)量，故而在道路的測(cè)繪工作中，該項(xiàng)技術(shù)可以起到良好的作用效果。在具體的技術(shù)應(yīng)用過(guò)程，要根據(jù)該技術(shù)的使用原理、應(yīng)用原則和工作方案，綜合分析該項(xiàng)技術(shù)的具體使用原則，之后取得專業(yè)的掃描測(cè)量結(jié)果，讓掃描技術(shù)體系的運(yùn)行質(zhì)量提高[1]。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 概述

三維激光掃描儀有多種類型，根據(jù)掃描平臺(tái)的不同可分為機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)和地面激光掃描系統(tǒng)，利用精密的時(shí)鐘編碼器可以測(cè)量和計(jì)算每個(gè)激光脈沖的橫向掃描角和縱向掃描角。三維激光掃描的工作過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建、模型可視化和輸出。其中，數(shù)據(jù)采集的作用是為模型重建提供準(zhǔn)確的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而有效降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型的精度和運(yùn)算速度；而數(shù)據(jù)預(yù)處理主要是對(duì)所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾。

1.2 工作原理

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，其工作原理是由內(nèi)部的激光發(fā)射器發(fā)射激光，經(jīng)過(guò)垂直反射鏡和水平反射鏡折射射向目標(biāo)，激光反射回來(lái)的被掃描儀接收，內(nèi)部的距離測(cè)量模塊可以測(cè)量反射時(shí)間和激光強(qiáng)度，再通過(guò)S=1/2ct（c為光速，t為時(shí)間）得到目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離，同時(shí)各傳感器會(huì)記錄激光發(fā)射的角度θ，再利用極坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)的X，Y，Z坐標(biāo)，從而得到大量帶有三維坐標(biāo)和反射率信息的點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)內(nèi)部軟件轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建被測(cè)物體的數(shù)字化模型。相較于傳統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)采集方式，三維激光掃描技術(shù)更加便捷高效，在建筑數(shù)字化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

三維激光掃描技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，具有自動(dòng)化程度高、人工矯正難度低、受環(huán)境和時(shí)間約束小、精度及分辨率高等優(yōu)勢(shì)。首先，運(yùn)用非接觸掃描的測(cè)量方式，無(wú)需反射棱鏡，目標(biāo)建筑物不需進(jìn)行表面處理，即可直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程可通過(guò)三維激光掃描設(shè)備自動(dòng)完成。其次，三維掃描技術(shù)采用“過(guò)范圍”掃描的方式，其外業(yè)測(cè)繪范圍往往超過(guò)實(shí)際測(cè)繪范圍，以保證數(shù)據(jù)的全面性，故無(wú)需進(jìn)行測(cè)量范圍校準(zhǔn)及草圖繪制，只需在內(nèi)業(yè)進(jìn)行綜合取舍，完成制圖任務(wù)，對(duì)于不需要的部分可以直接截取。再次，三維激光掃描技術(shù)采用主動(dòng)發(fā)射掃描光束，通過(guò)探測(cè)自身發(fā)射的激光回波信號(hào)來(lái)獲取建筑物信息，因此在掃描過(guò)程中不受掃描環(huán)境的時(shí)間和空間約束。最后，三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率實(shí)景數(shù)據(jù)提取的目的，從而減少漏測(cè)、少測(cè)的情況[2]。

2 三維激光掃描技術(shù)在道路工程測(cè)量中的應(yīng)用

2.1 前期準(zhǔn)備

（1）項(xiàng)目進(jìn)場(chǎng)前，需要完成一系列準(zhǔn)備工作，包括前期資料的收集、人員及設(shè)備就位、測(cè)繪儀器檢查校驗(yàn)、計(jì)算機(jī)軟硬件的準(zhǔn)備等。

（2）外業(yè)觀測(cè)開(kāi)始前，所有人員都經(jīng)過(guò)了野外工作培訓(xùn)，對(duì)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范、儀器的使用方法熟練掌握，同時(shí)盡量保證在整個(gè)作業(yè)期間人員與使用的儀器、設(shè)備保持固定，減少人為因素的誤差影響。

（3）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘，其目的主要是查看工作區(qū)內(nèi)概略地形，路面完成情況，車輛運(yùn)行情況，GPS信號(hào)是否正常，是否涉及人員安全問(wèn)題等。

（4）現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)布設(shè)間隔約100m?，F(xiàn)場(chǎng)采用RTK技術(shù)和精密水準(zhǔn)技術(shù)測(cè)量的控制點(diǎn)三維坐標(biāo)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

為了利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)道路工程狀況進(jìn)行測(cè)量，首先要采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。第一步是對(duì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)查，從而確定掃描儀的詳細(xì)位置、目標(biāo)和調(diào)查站的數(shù)量。同時(shí)，需要保證每個(gè)掃描站獲得的最終數(shù)據(jù)能夠真實(shí)反映測(cè)量范圍的完整區(qū)域，在測(cè)量過(guò)程中，需要盡可能減少對(duì)應(yīng)站的數(shù)量，從而減少原始數(shù)據(jù)量[3]。

2.3 數(shù)據(jù)獲取

利用三維激光掃描進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取的方案主要有兩種：一是基于控制點(diǎn)坐標(biāo)作為外部參考，每站在點(diǎn)云采集時(shí)同時(shí)掃描3個(gè)以上控制點(diǎn)坐標(biāo)，數(shù)據(jù)處理時(shí)可以直接利用控制點(diǎn)坐標(biāo)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)從掃描坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到控制點(diǎn)坐標(biāo)系下；另一種是在數(shù)據(jù)采集時(shí)保證相鄰掃描站之間有一定的重疊度，數(shù)據(jù)處理時(shí)利用配準(zhǔn)算法對(duì)多站點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，同時(shí)在點(diǎn)云采集時(shí)掃描一定數(shù)量的控制點(diǎn)坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云模型的重建。

2.4 道路變形分析

傳統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)方法是以固定的、有限的觀測(cè)點(diǎn)為基礎(chǔ)，利用專用儀器和方法連續(xù)觀測(cè)變形體的變形現(xiàn)象，分析變形體的變形形態(tài)，預(yù)測(cè)變形體的發(fā)展趨勢(shì)。它只能反映道路的局部變形，而三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，一次重大的技術(shù)變革打破了傳統(tǒng)的接觸測(cè)量模式。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是將變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)嵌入道路的特征部位，同時(shí)在道路上設(shè)置檢測(cè)標(biāo)志，定期比較檢測(cè)標(biāo)志與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的變形量，這種檢測(cè)方式需要合理設(shè)置觀測(cè)標(biāo)志和基準(zhǔn)點(diǎn)，難以完整客觀地反映道路變形，而對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)橋梁這種測(cè)量方式更加難以呈現(xiàn)橋梁微小部位的變形，三維激光掃描儀能夠快速、便捷地對(duì)橋梁進(jìn)行全方位的測(cè)量，通過(guò)收集和比較不同時(shí)間點(diǎn)的建筑三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，不需接觸橋梁就可以反映橋梁的微小變形。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，是一種全新的測(cè)繪技術(shù)。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，促使其使用范圍也越來(lái)越廣，尤其是在道路工程測(cè)量中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。