地面三维激光扫描技术用于公路工程测量的试验研究

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摘要：近年来，随着我国经济水平及测绘技术的提高，地面三维激光扫描作为一种现代高科技逐渐在测绘等领域得到研究与应用，相比较于传统测绘手段的数据采集与处理方式，地面三维激光扫描技术具有很多无可替代的优点，那么本文将研究这项技术在公路工程测量中的应用及试验研究。

关键词：三维激光扫描技术；公路工程测量；试验研究.

1.市政道路工程的分类及对测绘内容的要求

市政道路工程主要分为道路新建及道路大修两大类。

通常新建道路设计阶段需要测绘部门的测绘设计线路的1/500或1/1000大比例尺地形图供设计单位使用，待施工中线确定后要测绘对应设计中线各桩点的横断面数据及中线纵断面数据。大比例尺地形图不仅作为设计选线依据，还要反映道路施工范围内的地物、地形、地貌，供拆迁单位统计拆迁量及拆迁赔偿使用。

道路大修工程是指原有道路因路面开裂、破损、出现车辙以及公交车站及港湾、交通标志需重新规划等情况需要重新加铺改造的工程，这种工程除了需测绘大比例尺现状地形图及纵横断面测量以外，还有一个特点就是对地面上所有交通设施例如各类交通标志牌、红绿灯、公交车站、道路上所有护栏，甚至要求对行车道上的分道线、车辙、隔离带上铺装范围及种类、各类管线检查井盖位置、尺寸及高程都要准确地在地形图中表示出来。为准确确定加铺量，设计人对图面高程密度要求很高，需要每10米测一组高程，路口往往需要测量5米高程方格网。

利用传统的野外地形数据采集手段，测量员的工作量会很大，太多的地物点容易丢漏，给设计人员带来问题，另外由于道路上车辆较多，作业员上路作业风险很大。那么有没有其他的测量手段来代替这种传统的作业方式呢？

2.三维激光扫描技术与传统测量技术的区别

三维激光扫描技术是近些年发展起来的，在一些测绘技术比较发达的国家已经得到了比较广泛的应用，我们常用于道路工程测量的扫描仪为地面三维激光扫描仪。

传统测量数据采集是利用GPS、RTK与全站仪相结合，每次获取单点目标信息。虽然操作简单方便，易于上手，但因为测量精度低、采点密度不高，在一些要求精度高、对地物地貌要求高的工程中就显得力不从心；而地面三维激光扫描则是利用激光测距原理，水平、垂直的全自动高精度步进式扫描测量，从而得到完整的、连续的、全面的、关联的全景点的三维坐标，能在较短的时间内，高速、精确地记录获取景象的三维空间位置，这些扫描数据通过电缆传入电脑，高密度的扫描数据点有序地排列于三维的虚拟空间中，成为带有坐标的影像图，即“点云”。

3.三维激光扫描作业流程及试验

三维激光扫描作业流程主要分为外业数据采集和内业数据处理两大部分。

3.1外业数据采集

外业数据采集包括标靶及控制点布设与测量和数据全景扫描两部分工作，控制测量包括平面控制测量和高程控制测量，数据扫描包括三维激光扫描和标靶三维坐标测量。

3.1.1标靶与控制点布设及测量

在外业数据采集时，由于三维激光扫描仪的测程是有限的，同时扫描仪与被扫描目标所形成的夹角不同的情况下的空间分辨率是不一样的，夹角越小，分辨率越低；对于不同的扫描距离，点的精度也不同；另外还存在有障碍物不能通视的情况，因此通常一条道路的测量工作需要在很多测站来完成。那么不同测站的测量数据如何拼接到一起，就需要标靶来完成，因此根据扫描仪测程，需要在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶，以供点云拼接需要。

控制点的平面坐标测量可以使用GPS测量或者全站仪测量，高程可以使用水准仪或者三角高程测量。

3.1.2确定采样间隔开始扫描

采样间隔的设置很重要，采样间隔太大，给后期的数据处理精度造成影响；采样间隔太小，则采集到的点云数据量庞大，给数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。

通视条件好的情况下，每站的扫描距离为30～50米，保证相邻测站间有一定的点云重叠区域，通视条件不好，则应选择适当位置增加扫描站数，直至需要测量的目标全部扫描完成。

3.2内业数据处理

3.2.1数据滤波、抽隙

在数据采集中，由于车辆、行人、树木等因素的影响，我们采集到了很多无用的数据，这些数据称作噪声数据，将这些数据的剔除过程叫做数据滤波。噪声数据与有用数据点云的区别在于噪声数据是不连续的、无规律的、比较稀疏而杂乱。利用这一特点可以将噪声数据剔除。

如果认为所采集到的点云数据或者局部数据相对于工程本身过于密集，还可以对数据进行抽隙处理，这种方式也称作去与

3.2.2点云拼接

把从各个测站上扫描得到的点云数据，通过设置在测站重叠处不规则的标靶拟合而拼接在一起，这个过程叫做点云拼接。利用已经布设、测量过的控制点三维坐标，将拼接后的点云纳入到我们所使用的平面直角坐标系中。

3.2.3平面虚拟测量

点云数据只是由大量三维信息的点位组成，还需要结合由CCD相机所拍摄的真彩色影像，前者保证了表面模型的数据（DSM），而影像数据则保证了边缘（Edges）和角落（Corner）的信息完整和准确。通过自动化的软件平台，用获取的点云数据结合相机获取的影像信息对模型进行纹理细节的描述，例如道路边线、车站、房屋、灯杆、检查井、雨水口等需要表示的信息，把这些信息判读出来以后按照常规测量地形图的图示表示出来，标注相应比例尺密度的高程点信息及特征点高程信息，则形成了我们所需要的地形图。

3.2.4建立DEM模型，生成等高线、纵横断面图

经过处理了的点云是由高密度的三维离散点阵组成，将这些空间点利用软件平台声称连续的不规则三角网（TIN），进而生成等高线，并且可以根据需要设置等高线间距。将带有桩号的设计中线插入到固定坐标系中的TIN模型当中，根据设计要求的中线断面间距及每个横断面宽度，即可生成所需要的任意纵横断面图。

4.三维激光扫描仪在道路工程中的应用

高速公路大修工程的特点是道路正在使用，车流量较大，车速快。为不影响交通，测量作业过程中车辆不能断流。如果利用常规测量方法，需要上路测量，作业员来回穿行高速公路，需站在路面上测量大量高程点，存在有很大的风险。

另外，由于路面使用了很多年，才在大量开裂、破损现象，为了使地形图能准确反映道路现状，设计要求每10米测量一组高程，然后提供中央隔离带两侧路面上的两条纵断面图形，并且分别提供每10米一组横断面图形。

考虑到风险的存在以及工作量极大，我们在此工程中利用三维激光扫描仪进行作业。沿京通高速公路最外侧紧急停车带设立测站，对测量范围内的目标进行扫描，利用Leica Syclone软件进行数据拼接。拼接精度为：靶标拼接最大误差为8mm，点云拼接的最大误差为10mm。拼接后的部分点云。

利用经过处理后的点云，进行平面虚拟测量，绘制出道路边线、中央隔离带、路中央的八通线轻轨车站、过街天桥等地物，还能采集到几乎任意位置的平面和高程信息。绘制出的部分路段1/500平面地形图。

同时我们利用传统测量方式----符合水准线路测量了82个相同位置的点位高程，与三维激光扫描成果进行比较，其中误差 为0.011m。

然后将抽隙了的数据作为原始数据，利用Microstation和 Geopak专业软件生成TIN三角网模型，插入道路中心，即可生成设计所需要的纵横断面图形。

5.结论

地面三维激光扫描技术能够快速地获取高密度高精度的目标空间信息，具有扫描速度快、数据信息量大、精度高、采集过程安全简单、节省人力并且具有强大的数据后处理能力，几乎可以提供任何位置、任何细节的信息，作业成果完全能满足道路工程设计和施工的需要。通过实践，地面三维激光扫描技术的普及也存在以下不足：数据采集过程当中受现场条件限制较多，如山区植被较多；数据后处理较复杂，外业完成后需要较长时间的数据处理，耽误后续工程的人员投入；仪器设备价格昂贵，现阶段一个生产单位完全由传统测量方式向三维激光扫描测量方式转型不太现实。

相信随着技术的发展，企业生产成本的降低，三维激光扫描技术这种“所见即所得”的测量方式必将在道路工程测量、文物、模具、军事、航天、石化、医学、交通等领域得到广泛应用，这项高端技术将是继GPS之后在测绘领域的又一重大革命。

参考文献：

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