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三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用

发表时间：2020/8/19 来源：《基层建设》2020年第10期作者：余富强

[导读] 摘要：随着我国经济的快速发展以及科学技术的不断提升，在当前道路工程建设中，对三维激光扫描技术的使用越来越频繁，相比传统测绘手段，三维激光扫描技术有的更多的有点，对提高道路工程建设质量有重要意义。

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        摘要：随着我国经济的快速发展以及科学技术的不断提升，在当前道路工程建设中，对三维激光扫描技术的使用越来越频繁，相比传统测绘手段，三维激光扫描技术有的更多的有点，对提高道路工程建设质量有重要意义。
        关键词：三维激光；扫描技术；道路工程测量；应用
        引言：
        道路工程测量是道路工程的施工基础和保障，因此道路工程测量的质量一直以来都是受到重点关注的。尤其是随着社会经济的不断发展，道路工程的作用越来越重要，对道路工程测量的要求也就越来越高。传统的道路工程测量技术已经无法满足现代道路工程测量的基本要求，新的技术受到了越来越广泛的应用。该文主要研究的是三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用。
        一、三维激光扫描技术简介
        三维激光扫描技术又名为“实景复制”技术，是指以三维激光扫描仪的诞生为代表，在测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命，主要内容是在重构技术以及高精度逆向三维建模的基础上，成功获取数码照片和研究目标的三维坐标数据和、同时能精确取得大型实体亦或是实景等三维立体信息的方式。该技术应用于计算机技术领域时，神奇的重建了三维数据模型，将客观存在的现实形态真实化。
        从具体运行平台或扫面的地理位置区分标准出发，三维激光扫描仪包括手持型三维激光扫描仪、机载型三维激光扫描仪、地面型三维激光扫描仪，然而其各自应用领域迥异，地面三维激光扫描仪为例，其一般应用于道路工程中，其扫描主要在测量距离时使用激光，促使完整连续全面的三维坐标获取、实现垂直、水平的全自动高精度布进式扫描测量，并且能在确保高精度的情况下、在短时间内精准定位、迅猛记录。
        地面三维激光扫描系统作为一种集合了众多新型技术的空间信息数据获取手段，其技术优越性还提现在信息传输，在其信息传输的流程中，首先通过二极管由发射器发射出激光脉冲信号，中途借助旋转棱镜投射目标，再经过探测器反射回信号同时在记录器同步记录，最后转换成能够简单的能直接识别处理的信息数据。具体而言：在三维激光扫描仪凭借各异对象对激光的光射时间差实体扫描过程中，获取了各实体与激光间的距离，用再在角度方面通过旋转镜头以及扫描仪编码器，促使被测对象表面每个采样点立体坐标的获取，最终集合被测对象的离散点。总称为“点云”。区别于传统的扫描的栅格影像凭借其可量测性大展异彩。
        二、道路工程中三维激光扫描作业流程
        1.外业数据采集
        外业数据采集中要设置一定距离的标靶并且对测量点进行布设，然后对目标进行全景扫描，数据扫描内容包括了三维激光扫描与标靶三维坐标测量。
        1.1标靶与测量点的布置
        在道路测量中，由于激光的射程有限，因此三维激光扫描仪只能测量一定长度。同时激光扫描仪与被扫描的目标常常会形成不同的夹角，使最终测量空间的分辨率不同，并且夹角越小，分辨率会越低；另外，在道路工程测量中，还受到山体的影响，存在激光不能通过障碍物的情况，因此测量一条道路需要设置很多的测站，而如何将各测站的数据连成一体，就需要标靶来完成，根据扫描仪的侧成，在各相邻测站的重合位置布设3个以上不规则图形的标靶，供后续处理时点云拼接。
        1.2确定采样间隔与扫描作业
        在实际道路工程测量中，设置采样点的间隔非常关键，间隔太大或者间隔密集都会影响测量精度，对后期数据的处理也会造成巨大的影响；尤其是如果间隔太小，往往会收获庞大的点云数据，这会造成数据传输、存储以及处理过程的复杂性提升，降低测量效率。在道路前方无障碍的情况下，每个站点的测量距离在30~50米范围，这能保证相邻测站有一定的点云重叠部分。

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如果道路前方存在一些障碍，则可以适当缩短扫描的距离，直至完成整个道路测绘任务。
        2.内业数据处理
        内业数据处理则主要包括与被测量对象相关的树木、车辆、行人、水文、环境等相关信息，在进行内业数据处理的过程中要根据相关的要求，将无用的信息剔除出去，留下有用的信息进行分析研究。内业数据处理的主要流程包括有设计方案、收集数据、数据滤波、点云拼接、平面虚拟测量、DEM建模、纵横断面图生成几个步骤，其中重点需要关注的是以下几个步骤。
        2.1平面虚拟测量
        虽然点云拼接具有三维坐标，但是与实际情况还是具有一定差距的，并不能形成有效的参考。平面虚拟测量就是将点云拼接得到的数据与CCD相机拍摄的图像结合起来，将数据尺寸在实景中标识出来，表明高程点信息，形成所需的地形图。
        2.2数据滤波
        数据滤波就是对三维激光扫描收集到的数据进行过滤，将例如行人、车辆、树木等对道路测量无用的数据剔除出去，这个过滤和剔除主要是利用噪声数据不连续、无规律、稀疏、杂乱的特点将噪声数据与有用数据区分出来，再进行剔除的。
        2.3点云拼接
        从个测量点上扫描得到的点云数据都是不连贯或者存在重叠的一段一段的独立数据，要想得到整个道路工程的具体数据就需要通过点云拼接将这些独立的数据段落连接起来，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。
        三、在道路工程中具体应用
        1.在高速公路测绘上的运用
        由于高速公路中车流量较大，行驶速度较快，因此对路面压力较大，高速公路需要进行不定期的修缮工作。但在进行修缮工作时，极有可能因为占用部分车道而造成交通堵塞，尤其是在一些交通要塞上，人们的出行需求大，车流量巨大，修缮工作会给人们的出行带来不良影响。为了保证通行过程的高效性与道路通畅性，尽量减少影响的时间，就可以采用三维激光扫描技术来减少前期测量工作带来的影响并方便后期的修缮与建设工作。在使用该技术时，可以借用一些应急车道等车辆基本不太驶入的地带进行测量，在这些地方建立测量站点，在一定范围内进行三维激光扫描以获得想采集的数据。并借助现在的计算机技术对数据进行筛选分析，将有效数据做进一步拼接，需要注意的是，在数据拼接过程中，一定要控制好拼接的误差在行业允许范围内，进而，绘制出一副有效的平面地形图。之后，通过与一些传统的测量工作相结合的方式，建立起测绘数据的断面图或纵横断面图。通过这种技术的运用，大大提高了前期测量的效率，对交通的影响大大减少，有利于道路的通畅。
        2.在城市道路测绘中的运用
        因为城市交通网需要考虑到城市建筑的影响，因此，在现有的城市道路中，往往错综复杂，交通网较为密集。在城市道路尤其是一线城市的交通要道的测绘上，传统的测绘工作就显得非常艰巨，且受到时间的限制，在一些交通的高峰期，测绘工作就会受到制约与限制。因此，通过结合三维激光扫描技术，可以大大减少测绘人员的工作量，提高测绘效率与可信度，在城市道路的测绘中具有重要作用与意义。
        结语：
        在当前道路测量中，三维激光扫描技术应具有速度快、操作简单、节省人力以及强大的数据后续处理能力，完全满足我国道路工程设计以及施工的需求。在运用三维激光技术的过程中，要注意相关的操作要求，对重点的操作步骤要谨慎对待，反复检查，以保证测量数据的准确性和参考价值。
        参考文献：
        [1]夏斌斌，梁春满.浅谈地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].中国房地产业，2017（18）：164.
        [2]李旭，孙永康.地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用[J].城市地理，2018（2X）：79-80.