摘要：三维激光扫描技术作为空间三维数据的获取方式之一，为空间数据采集提供了新的方法和手段，使得空间三维数据的获取朝着数字化、自动化和智能化的方向发展。将该项技术应用于测绘领域，不仅能快速获取三维数据，还能提高工作效率、减少劳动强度，同时也对测绘科学领域产生了深远的意义。三维激光扫描仪在道路上的使用，具有较好的实用价值，通过扫描获取的数据可进行高精度的等高线绘制，建立数字化道路模型。同时也为道路、公路等线状工程的特征检验提供了新的方法，为后期道路上的质量评估及后期维修提供依据。
关键词：三维激光扫描仪；道路工程；应用
引言
将三维激光扫描技术应用在市政道路断面测量中，可以快速地获取道路表面完整的点云数据。与传统测绘方式相比，三维激光扫描技术的应用提高了外业作业效率，降低了外业工作强度，并将大部分工作转移到了室内。本文研究利用道路点云数据绘制道路纵横断面的作业流程和方法，并将扫描仪断面数据与全站仪断面数据进行比对，发现扫描点云数据的精度完全可以满足道路纵横断面的测量要求。
1三维激光扫描系统
地面三维激光扫描系统主要是由高精度的激光测距系统与测角系统组成。激光测距系统根据激光信号发射出去与信号反射回测距系统的时间计算出物体与扫描仪的距离，同时测角系统可以精确记录每个信号的水平角和竖直角，最后，经过扫描控制系统计算出每个信号反射点的三维坐标。激光扫描仪扫描所得到的数据是全离散的点即点云，点云数据不仅包含X、Y、Z值，也包括Ｒ、G、B值及反射强度值。
2三维激光扫描技术
2.1三维激光扫描系统基本原理
三维激光扫描仪的工作原理与全站仪的原理具有相似的特点，同样由测角、测距、定向等组成。扫描仪主要利用的是激光测距原理，通过获取被测物体表面大量点位信息，可快速建立该物体的三维模型，并对模型各种点、线、面、体等进行处理，得到最终效果图。
2.2三维激光扫描技术的误差分析
影响三维激光扫描仪精度的因素可分为四类：仪器内部误差，被测物体引起的误差，外界环境影响以及在数据处理过程中点云拼接引起的误差。
1）仪器内部误差是指由仪器内部结构引起的误差
当扫描仪发射激光信号时经过反射会沿着相似路径传播回来，在这一过程中会因反射路径的不准确性出现误差从而影响距离的计算。另外在扫描过程中，微小的抖动及不均匀的旋转，以及人为的一些不可避免的操作会影响其扫描角度的测量，从而造成三维坐标的计算误差。
2）被测物体引起的误差
由于被测物体表面的粗糙程度不同会引起激光反射后的回波信号具有多值性，从而使得点的位置不准确。且当目标物的反射面与扫描光束间形成的交角过小时，会影响激光光斑从而影响到距离测量和位置定位，最终影响到空间三维坐标的量测。
3）外界环境影响
当温度变化较大时仪器内部系统会受到热胀冷缩的影响产生细微变化影响测角、测距；在大风情况下会使扫描镜发生微小的抖动影响定位；在空气质量差的环境中，扫描仪发射的激光信号，在空气中传播的过程中，也会产生点位坐标测量误差，从而影响测量精度。
4）点云拼接引起的误差
在除了外业数据采集中易引起测量误差，在数据处理过程中，点云拼接同样存在误差，在进行目标匹配时需要提取相同目标，在手工提取时也会因为点位密集的原因而使要标定的目标中心产生误差，最终影响拼接误差。
3三维激光扫描技术应用
3．1工程概况
某条道路进行大修，需要对现状地形进行测量，以获取道路纵横断面成果。该道路位于机场附近，交通繁忙，市政附属设施较多，测量环境极度不稳定，传统作业方式对外业测量人员的安全有非常大的影响。
综合考虑后决定采取三维激光扫描仪采集现场地形数据，利用现场点云数据生成道路纵横断面用于方案设计。
3.2数据采集与处理
Leica公司的P40三维激光扫描仪完美地融合了高精的测距测角技术、WFD波形数字化技术、MixedPixels技术和HDＲ图像技术，使得该仪器具有更高的性能和稳定性，扫描距离可以到达270m，满足各种扫描任务的要求。
扫描作业前在测区范围内布设控制点。平面控制根据《卫星定位城市测量技术规范》中一级点技术标准采用城市COＲS系统布设;高程控制采用《工程测量规范》中四等水准测量技术标准布设，平面高程共点。扫描时在控制点处架设仪器进行扫描。控制测量采用常规控制测量手段进行，使用GPS加水准仪沿道路布设控制点。沿着道路设站扫描时测站之间布设3个以上公共靶标用于点云拼接，扫描完成后将数据导入Cyclone软件中并对点云进行拼接及坐标系转换，在软件中按照设计里程桩号进行点云切片，从而获取纵横断面。最后使用全站仪对地物点高程及断面点高程进行精度检查。
3.3点云拼接及去噪
沿着道路设站扫描，测站之间布设3个以上标靶，最后使用事先布设的控制点及相邻测站间的同名标靶将所有测站点云转换至城市坐标系下。
3.4断面成果生成
本文按照两种方式绘制道路纵横断面:第一种从点云成果中提取绘制道路纵横断面需要的坐标点，然后，使用纵横断面一体化软件绘制道路纵横断面;第二种直接对点云按照设计里程桩号进行切片处理，然后，利用切片数据直接生成道路纵横断面。两种方式都可以生成需要的断面成果，但第二种方法更加快捷高效。
3.5精度评定
对使用三维激光点云生成的道路断面成果进行精度评定，使用全站仪(Topcon2mm+2ppm)采集20个纵断面点坐标。为了保证全站仪测量数据精度，测量时按照(GB/50026－2007)《工程测量规范》中地形测量基本精度要求，采集数据要配合棱镜作业，并将测距长度控制在150m以内。将全站仪测量数据与三维激光扫描点云数据进行对比分析，纵断面高程中误差为0.78cm，高程较差值分布在-1—+2.5cm之间，精度可以满足(GB/50026－2007)《工程测量规范》1∶500地形图要求。
传统方式进行道路地形及纵横断面测量时，一般只采集路边、路中、台阶、陡坎等特征点，生成的断面数据并不准确;而使用三维激光扫描技术只需简单设站扫描就可采集到准确的路面三维点云，数据精度、高作业时间短，生成的断面数据更加准确，工作量计算更符合实际情况。另外，使用三维激光扫描技术后，外业人员工作强度大大降低，作业效率极大提高。
3.6道路特征提取
在利用CAD绘图前需将其转换为正确的格式，geomagicstudio软件中数据格式为asc，数据量过大。前文中已经将数据进行点处理阶段，进行封装后到多边形处理阶段，使用裁剪工具对模型进行裁剪。截取厚度为0.1mm的纵横断面图，并对数据进一步稀释，将稀释后的点云数据及薄片保存为DXF格式导入到CAD中，进行道路平面、横断面及纵断面图的绘制。
结束语
三维激光扫描技术应用到道路工程测量，有效地解决了道路工程测量工作中存在的测量效率低、工作量大、测量危险性大等问题。将该技术应用到道路工程测量工作中，可以有效地克服以往道路工程测绘技术所存在的缺点，该仪器在道路工程测量中的应用和发展，也是道路工程测量中的一次创新。
参考文献
[1]王峰,王清泉,王红新,温立委.三维激光扫描技术在地铁工程测量的应用综述[J].工程勘察,2019,47(01):56-60.
[2]黄传朋.基于三维激光扫描仪的三维地形获取及应用[D].天津理工大学,2019.
[3]刘晓文,徐工,余跃.地面三维激光扫描点云精度影响因素分析[J].山东理工大学学报(自然科学版),2019,33(01):75-78.
[4]张珂殊,吴一戎.距离向扫描合成孔径激光雷达目标三维重建[J].红外与激光工程,2019,48(03):133-139.
[5]潘辉.基于iOS的线激光三维扫描系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,2019.