三维激光扫描在道路工程测量中的应用

摘要：在道路建设工程中，测量工作极为重要，三维激光扫描技术具有处理数据能力强、扫描速度较快的优点，能够在测量过程中快速地获取更加完整、精确的目标空间的信息。与传统技术相比，利用三维激光扫描技术来采集数据更加节省人力、简单安全、信息完整、符合要求，因此对其进行研究具有重要的意义。关键词：三维激光扫描技术;道路工程测量;应用1三维激光扫描技术三维激光扫描技术主要是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。应用扫描技术来测量工件的尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，工件三维测量，针对现有三维实物，在没有技术文档的情况下，可快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。三维激光扫描技术的关键技术有点云、建模、空间点阵扫描，其中空间点阵扫描属于核心技术，通过扫描仪与目标距离的远近来划分采样点的大小，不同大小的采样距离适用于不同的对象，中远距离一般用于大型目标的测量，近距离则用于小物体的精准测量。2道路工程中三维激光扫描作业流程2.1外业数据采集2.1.1标靶与测量点的布置在道路工程项目的测绘环节，因为激光扫描仪只能测量一定的距离，同时，激光扫描仪在测量目标的扫描过程中往往会产生一些不同的角度，使得测量的结果在空间上的分辨率有很大的的差别，扫描仪和测量目标之间的角度越小，测量结果的分辨率就会越低。更主要的是，在道路工程项目的测绘工作中，地貌情况也会直接影响到测绘结果。因为激光只能直线传播，如果测量物体和测量仪器之间存在障碍物，那么测绘工作人员就必须建立许多目标测量站点。在思考如何将每一个测量站点的数据合并为一个整体，这这个过程还需要设定一个标靶，处理数据的难度是比较大的，而且很容易出现数据处理误差。2.1.2确定采样间隔与扫描作业在道路工程项目的测量工作中，必须科学合理的确定取样点之间的距离。如果取样点的距离过大或过小，都将影响到最终测量数据的准确性，并将对以后的测量数据分析产生干扰，特别是在测量间隔太小的情况下，就会产生巨大的数据量，过大的数据量的增加了数据传输和储存以及后续数据处理的难度，当然，测量工作的效率也会受到影响。在测量环境没有明显遮挡物的情况下，每一个取样点的距离设定在40米左右，不仅可以确保站点的重叠覆盖还可以减少数据量。如果测量区域有障碍物，那么取样点的距离可相应缩短，但是需要保障站点重叠，完成测绘任务。2.2内业数据处理使用2.2.1数据滤波测绘设备所收集到的数据中，包括了各种各样的无意义的杂乱数据。因此，在处理测绘数据之前，必须要将这些无意义的数据进行过滤处理，这个处理无意义数据的过程，主要是利用噪声数据的断续、不规则、不连续的特点。2.2.2点云拼接从各个测点上扫描到的点云数据，需要通过标靶将这些数据拼接成连贯的数据，这个过程就叫做点云拼接，然后通过控制点构建三维坐标，将拼接后的点云放入到三维坐标系中。2.2.3平面虚拟测量点云数据有测量点的坐标点位组成，尚且不能形成有参考价值的信息，因此还需要结合使用CCD相机拍摄的图像，通过计算机处理平台，将拼接的点云数据与影响结合，将这些数据在实景中标识出来，表明高程点信息，形成所需的地形图。2.2.4DEM建模，生成等高线以及纵横断面图经过点云拼接以及虚拟测量成的点云呈三维离散，就可以根据实际需求设置等高线的间距，以形成任意纵横断面图。3案例分析3.1工程概况某条道路进行大修，根据设计专业提供的测量要求需提供1∶500数字地形图、道路纵横断面等，由于现场车流量较大，地形地物复杂，项目工期较紧，综合考虑后决定采取Leica-P40三维激光扫描仪进行外业扫描，内业结合Cyclone及CAD等软件进行地形图、纵横断面绘制。3.2外业扫描扫描沿线布设有控制点，在控制点上设站扫描将扫描坐标系转换至已知坐标系下。本次外业共扫描10站，扫描线路350m，扫描测站沿线路均匀分布。3.3点云拼接及道路点云提取外业扫描结束后，将点云数据及控制点导入Cyclone中，点云拼接具体实现采用控制点拼接和标靶拼接，拼接完成后对点云进行去噪，剔除周边冗余点云只留下道路点云。本次拼接最大拼接误差为1.4cm，多数误差在1cm以内，拼接精度可以满足该工程的需要。3.4地形图绘制利用拼接点云在Cyclone和CAD软件中绘制道路1∶500地形图及道路纵横断面。也可以直接提取地形地物点及纵横断面数据以TXT格式导出，在CAD软件中按照传统方式绘制地形图及纵横断面。为了提高绘图效率，这里综合使用Cyclone和CAD软件绘制地形图，然后将设计提供中线导入点云中，利用Cyclone切片功能按照中线桩号对拼接后点云进行切片获取纵横断面数据。3.5精度评定根据项目要求本工程需提供1∶500地形图及道路纵横断面成果，为了验证地形地物点及纵横断面的精度，这里对地形图部分地物点（如窨井、房角点等）的平面位置精度、高程精度断面点的高程精度进行验证。使用全站仪和水准仪采集特征地物点，采集21点地物点高程，20点纵断面点高程，在拼接后点云中提取对应点平面及高程值进行精度分析。经过整理计算，地物检查点平面中误差7.61cm，地物检查点高程中误差为0.91cm，纵断面高程中误差为0.78cm。所有检查点平面及高程较差的分布图，精度可以满足《工程测量规范》（GB/50026—2007）1∶500地形图要求。3.6数据量及工作效率对比传统方式进行道路地形及纵横断面测量时，一般只采集明显地物点及纵横断面地形变化处地形点，采集数据量有限，一般情况10个左右地形点即表示一条横断面;而三维激光扫描通过非接触测量的方式直接获取高精度道路地表三维点云模型，设计阶段设计人员可以根据高精度的扫描数据更精确的确定工作量及设计更好的方案。另外三维激光扫描技术可以减少人员作业强度，减少作业时间，提高作业效率。该工程使用传统方式作业外业测量（1∶500地形图及纵横断面测量）需要两个工作日，内业数据处理大约需一个工作日，共采集地形点数据600个点;而使用扫描仪外业测量（外业扫描）仅需几个小时，外业效率极高，内业数据处理时间相当，且数据量丰富。4结束语三维激光扫