地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用研究

郁凯帆 蒋小琴

（嘉善县三维测绘与地理信息院 浙江 嘉善 314100）

引言

通常在对道路工程进行复制、施工验收以及竣工验收的时候，需要用到道路工程的具体信息，比如，道路坑洼点、局部路面平整度以及关键路段里面具体起伏情况等。以上这些现象都应该通过密集路面点组成具体实地模型将其呈现出来。而地面三维激光技术可以在现场扫描测量被测物体，并且扫描测量结构精度以及密度均非常高，这样就可以直接得到激光点覆盖的物体表面具体三维坐标、具体反射强度以及色彩信息。

1 地面三维激光扫描具体分类和工作原理

（1）依据测量方式，可以将地面三维激光扫描系统分成固定式和移动式两种，和全站仪不同，固定式扫描仪主要采集的不是非常离散的那种单点三维坐标，其采集的是众多点云数据，采集特点为：扫描范围比较广、速度非常快、采集结果精度比较高、同时野外操作性非常强。而移动式扫描系统的基础是车载平台，主要组成部分有：全球定位系统——GPS、固定式扫描系统以及惯性导航系统[1]。

（2）三维激光扫描技术工作核心原理为激光测距过程以及三维激光扫描过程，即不断重复采集具体数据以及处理数据的过程。针对激光扫描仪来说，采样点属于系统局部坐标，而扫描仪内部就是坐标原点，通常X 轴和Y 均处于局部坐标系相应的水平面上，其中Y 轴一般是扫描仪具体扫描方向，而Z 轴则是垂向方向。从而得到扫描目标点P，其坐标（Xs、Ys、Zs）具体计算公式为：

X=Ssinθsinα

Y=Ssinθcosα

Z=Scosθ

2 道路工程测量过程中地面三维激光技术的具体应用

2.1 道路扫描

想要获得精度非常高的具体数字地面模型，就一定要确保各表面扫描点具有较高的精度以及均匀的密度[2]。因为地面扫描仪主要架设于地面，通常高度是1.6～2.0cm，待测路面以及激光束不可以处于垂直状态。可是仪器测量主要应用的是一种极坐标方式，和中心投影相似，理论上来说，如果测量面设激光束几乎垂直，那么固定水平步进以及垂直步进就能够获得规则扫描格网，而如果测量面以及激光束处于斜交状态，相同的设置就会获得变形扫描格网。所以，针对路面扫描，其会造成下列问题：①点密度非常不均匀，随着和仪器越来越接近，相应的扫描点就会变得更加密，否则就会变稀。同时随着距离的改变，密度差异性会非常大大。②延长外业时间，由于脉冲式扫描速度相对较慢，若同时扫描近处以及远处，必然会导致远处与近处具体点密度相差非常大。想要提升作业效率，确保点密度非常均匀，可以依据实际情况采取分块扫描方式，并且利用距离控制法以及时间控制法对块进行划分，从而获得比较理想的测绘效果。

2.2 确定具体扫描块

想要有效控制扫描密度，同时提升测量效率，就必须合理确定每站具体扫描区域。道路路面通常都有分道线，而路旁设置有隔离带护栏以及路灯杆等设备，各设备相对距离存在一定的规律，属于非常好的参照标志[3]。想要不影响交通，方便测量分块、架设以及转站工作，通常仪器架设于主道两侧人行路以及路边花坛中。

2.3 进行外业数据采集

2.3.1 布设以及测量标靶和各控制点

进行外业数据采集的时候，该三维激光扫描仪具体测程并不是没有限制的。如果扫描仪和扫描目标间的夹角不同，那么空间分辨率也存在差异性，随着夹角变小，空间分辨率会变低。对于各扫描距离，测量点精度也不一样，此外还会有障碍物影响通视的状况发生，标靶能够把各测站具体测量数据有效拼接在一起。按照扫描仪测程，于相邻测站重合部位，设置超过3 个不规则标靶，便于供点进行云拼接，可以通过GPS 或全站仪来测量控制点具体平面坐标。

2.3.2 确定具体采样间隔，并且开始扫描

确定合理的采样间隔是非常重要的，如果采样间隔太大，就会严重影响到后期数据处理准确度，如果采样间隔太小，就会使采集获得的点云数据量非常庞大，影响到数据传输、数据保存和后期数据处理工作。在通视条件比较好的时候，各站扫描距离是30～50m，确保相邻测站间存在点云重叠区域，若通视条件很差，就需要在适当位置上增设一定扫描站数，一直到扫描完所有测量目标[4]。

2.4 对内业数据进行处理

外业扫描获得的三维点云数据十分庞大，不仅有有用数据，同时也有树叶、车辆以及行人等无用数据，该无用数据属于噪声数据。对于大量点云数据一定要处理之后才可以利用。由点云变成测绘成果主要经历过程有：点云拼接、进行数据滤波、实行数据抽隙、进行虚拟测量、利用DEM 建模以及生成具体纵横断面图。

2.4.1 点云拼接

通过布设以及测量好的各个控制点具体三维坐标，把拼接完成的点云放进我平面直角坐标系。利用设置在测点重叠位置的不规则标靶，把测站上扫描获得的具体点云数据拼接在一起，该过程就是点云拼接过程[5]。

2.4.2 进行数据滤波以及抽隙

所谓数据滤波，就是指通过数据采集以及数据处理把存在的噪声数据消除。和有用数据点云相比，噪声数据比较稀疏，没有规律，并且是不连续的。通过该特点能够把噪声数据有效剔除。若采集获得的具体点云数据以及局部数据对道路工程来说太过密集，则需要抽隙处理数据，该方式也被叫做去冗。

2.4.3 平面虚拟测量

一般点云数据组成部分是很多三维信息点位，同时应该结合所拍摄的详细真彩色影像，其中前者可以确保表面模型数据，影像数据可以确保边缘以及角落信息足够完整以及准确。利用智能软件平台，通过点云数据以及影像信息来描述模型纹理，比如，雨水口、车站、灯杆以及房屋和检查井等。判读出该具体信息之后，利用常规测量地形图里面的图示将其表示出来，并且标注比例尺密度具体高程点信息和相应特征点具体高程信息，就可以获得所需地形图。

3 在某道路修建工程中的应用

3.1 道路修建工程特点

修建道路的时候，道路依然处于运营状态，车流量非常大，并且车速比较快。想要不影响交通，就应该保证进行测量作业时车辆没有断流。若采取常规测量方法，就必须上路测量，相关作业员需要穿行公路，同时必须在路面上测量众多高程点，安全风险非常大。基于以上这些风险因素和工作量比较大，在工程修建中采用三维激光扫描仪来完成测绘作业。

3.2 具体测量方法

顺着公路最外侧设置的紧急停车带确定测站，扫描测量范围里面的目标，利通过软件拼接数据。其中拼接精度是：对靶标进行拼接的误差不能超过8mm，点云拼接误差不能超过10mm。

处理完点云之后，开展平面虚拟测量工作，绘制过街天桥、具体道路边线以及中央隔离带等地物，还可以采集获得几乎所有位置的平面以及高程信息。并且采取传统测量方式对82 个相同位置具体点位高程进行测量，和三维激光扫描所获得的成果相比，误差是0.011m，和规范要求相符。

4 结束语

正是因为地面三维激光技术具有测量数据精度非常高、多信息以及高密度的特点，所以可以描述道路工程具体细节，给道路工程的设计以及复制工作提供非常可靠的具体资料。依据路面扫描特点，对路面扫描测量具体控制方法进行合理的设计，从而有效控制扫描密度，减少外业时间。

[1]刘艳红.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用探析[J].建筑工程技术与设计，2015，2（25）：250.

[2]叶巧玲.3D 激光扫描仪测设路面平整度及病害研究[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2011，26（4）：110～111，150.

[3]马利，谢孔振，白文斌，等.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用[J].北京测绘，2011，10（2）：48～51.

[4]李发珍.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用[J].装饰装修天地，2015，5（Z1）：438.

[5]陈楚江，余绍淮，明洋,等.精密机载激光扫描测量及道路改扩建设计[J].公路交通科技，2012，29（1）：43～47.