三维激光扫描技术在市政道路工程中的应用

杨建强

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

在市政道路工程中，传统地形图数据采集方式有全站仪、GPS等，但是这些方式所采集的地形数据总量有限。一般应根据地形图的比例需要有选择性的进行地形测量，对不同比例尺的地形图测量的详细程度不同，且数据采集时间长，外业工作强度大，对于一些危险无法到达的区域无法测量。三维激光扫描技术是近些年来发展起来的一项新技术，又被称为实景复制技术，它能够完整并高精度地重建扫描物体的空间形态，无需接触被测物体即可获取空间物体的精确的三维位置信息及准确的色彩纹理信息，真正实现了高精度的非接触测量。本文主要以市政道路工程为例，探讨三维激光扫描技术在市政道路工程测量中的外业作业方法及内业成图方法。

1 三维激光扫描技术简介

Leica公司的P40三维激光扫描仪完美融合了高精的测距测角技术、WFD波形数字化技术、Mixed Pixels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270 m，满足各种扫描任务的要求，见图1。

图1 Leica P40扫描仪

2 技术方案设计

技术方案主要包含控制测量、外业扫描、点云拼接与去噪、地形图绘制、纵横断面绘制等步骤。

2.1 外业扫描方案

（1）控制测量，为了将扫描数据统一到城市坐标系下，需沿道路中线均匀布设控制点。

平面控制测量采用上海虚拟参考站技术布设，根据《卫星定位城市测量技术规范》（CJJT 73—2010）中一级GNSS点的技术标准实施。高程控制测量采用《工程测量规范》（GB 50026—2001）中四等水准测量技术标准实施。

（2）设站扫描

沿着道路中线设站扫描，在控制点架设扫描仪对中整平并量取仪器高，设定好扫描参数后开始扫描。对于没有控制点的区域采用自由设站通过标靶配准的方式，从而保证了作业效率及数据的精度。

2.2 内业处理方案

（1）数据拼接，由于获取的每站扫描点云都是以扫描测站为参考点的独立坐标系，需要在Cyclone中对点云进行拼接及坐标转换，将扫描点云数据转拼接换至统一的城市坐标系下。

（2）点云去噪，由于拼接后完整的点云中包含移动物体（车、人等）、构筑物及树木等，利用Cyclone软件中将非地形、地物数据删除，减少数据冗余，处理后数据仅包含地表点。

（3）地形图及纵横断面绘制

a.地形图绘制，使用CloudWorx在CAD中绘制1∶500地形图。窨井、树、杆等有规则形状的独立地物，采用拟合中心的方法获取位置；路边线、房屋等现状特征可以直接描边。

b.纵横断面绘制，将道路中线导入点云数据中，在Cyclone中对点云进行切片，纵断面沿道路中线做切片，横断面按桩号垂直中线做切片并将切片数据输出绘制纵横断面。

c.对地形起伏较大区域可以用Cyclone生成等高线，计算土方量。

（4）精度评定，使用全站仪对现场重要地物进行测量，以此检查扫描成果的平面点位精度和高程精度。

3 市政道路工程案例分析

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350 m，扫描测站沿线路均匀分布，见图2。

图2 扫描沿线布设控制点

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。拼接及去道路点云模型见图3～图5。

图3 点云拼接成果

图4 点云拼接精度

图5 道路点云模型

从拼图中可以看出，本次拼接最大拼接误差为1.4 cm，多数误差在1 cm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，见图6～图8。

图6 1∶500地形图

图7 纵断面图

图8 横断面图

3.5 总横断面提取

3.6 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，见图9～图11。

图9 地物点平面误差分布图

图10 地物点高程误差分布图

图11 纵断面高程误差分布图

经过整理计算，地物检查点平面中误差7.61 cm，地物检查点高程中误差为0.91 cm，纵断面高程中误差为0.78 cm。从表中可以看出，地物检查点平面误差分布在5～10 cm之间。地物检查点高程较差分布在-3 cm～+2 cm之间，纵断面高程较差分布在-1 cm～+2.5 cm之间。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。

3.7 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，见图 12、图 13。

图12 全站仪测量纵横断面成果

图13 三维激光扫描纵横断面成果

另外三维激光扫描技术可以人员作业强度，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；而使用扫描议外业测量（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 结语

运用三维激光扫描技术进行地形测量，能快速、详细的获取地形表面详细、真实的信息。与传统地形测量手段相比，扫描仪快速获取海量点云数据的特点，极大提高了外业测量工作效率，降低外业测量工作的强度，将工作重点转移到内业。另外本文通过将扫描仪测图与全站仪测图成果进行对比分析，发现三维激光扫描仪的精度完全可以满足地形图测绘的要求。

目前还没有一套完整有效的基于点云数据的地形图绘制的方法，只能通过将数据在各个软件之间转换、处理，最终绘制成地形图。并且还没有完善的软件能够满足点云的各种非地形点剔除要求，一般需要手动剔除大量的点云数据。另外扫描点云中只能分辨出距离较近的地面上窨井类型，对于距离较远的窨井只能判断井位不能判断类型。因此将三维激光扫描技术成熟应用于地形图绘制还需要长期的研究。