三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用

杨森

辽宁乾成工程设计咨询有限公司 辽宁沈阳 110000

三维激光扫描技术作为一项新兴的测绘手段，已广泛应用于基础建设与空间三维测量等测绘领域，具有速度快、精度高、非接触的优势。在道路工程中，三维激光扫描技术可以同时实现对于道路宽度、长度和路面高程的精准测量，故而在道路的测绘工作中，该项技术可以起到良好的作用效果。在具体的技术应用过程，要根据该技术的使用原理、应用原则和工作方案，综合分析该项技术的具体使用原则，之后取得专业的扫描测量结果，让扫描技术体系的运行质量提高[1]。

1 三维激光扫描技术

1.1 概述

三维激光扫描仪有多种类型，根据扫描平台的不同可分为机载激光扫描系统、便携式激光扫描系统和地面激光扫描系统，利用精密的时钟编码器可以测量和计算每个激光脉冲的横向扫描角和纵向扫描角。三维激光扫描的工作过程主要包括数据采集、数据预处理、几何模型重建、模型可视化和输出。其中，数据采集的作用是为模型重建提供准确的点云数据，从而有效降低模型重建的复杂度，提高模型的精度和运算速度；而数据预处理主要是对所有的点云数据进行过滤。

1.2 工作原理

三维激光扫描技术又称实景复制技术，其工作原理是由内部的激光发射器发射激光，经过垂直反射镜和水平反射镜折射射向目标，激光反射回来的被扫描仪接收，内部的距离测量模块可以测量反射时间和激光强度，再通过S=1/2ct（c为光速，t为时间）得到目标点与扫描仪之间的距离，同时各传感器会记录激光发射的角度θ，再利用极坐标系与笛卡尔坐标系之间的相互转换关系计算出目标点的X，Y，Z坐标，从而得到大量带有三维坐标和反射率信息的点，并经过内部软件转换成数据信息，构建被测物体的数字化模型。相较于传统的空间数据采集方式，三维激光扫描技术更加便捷高效，在建筑数字化领域得到了广泛的应用。

1.3 技术优势

三维激光扫描技术与传统测量技术相比，具有自动化程度高、人工矫正难度低、受环境和时间约束小、精度及分辨率高等优势。首先，运用非接触扫描的测量方式，无需反射棱镜，目标建筑物不需进行表面处理，即可直接采集物体表面的三维数据，数据采集过程可通过三维激光扫描设备自动完成。其次，三维扫描技术采用“过范围”扫描的方式，其外业测绘范围往往超过实际测绘范围，以保证数据的全面性，故无需进行测量范围校准及草图绘制，只需在内业进行综合取舍，完成制图任务，对于不需要的部分可以直接截取。再次，三维激光扫描技术采用主动发射扫描光束，通过探测自身发射的激光回波信号来获取建筑物信息，因此在扫描过程中不受扫描环境的时间和空间约束。最后，三维激光扫描技术可以快速、高精度获取大量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率实景数据提取的目的，从而减少漏测、少测的情况[2]。

2 三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用

2.1 前期准备

（1）项目进场前，需要完成一系列准备工作，包括前期资料的收集、人员及设备就位、测绘仪器检查校验、计算机软硬件的准备等。

（2）外业观测开始前，所有人员都经过了野外工作培训，对相关的技术规范、仪器的使用方法熟练掌握，同时尽量保证在整个作业期间人员与使用的仪器、设备保持固定，减少人为因素的误差影响。

（3）进行现场踏勘，其目的主要是查看工作区内概略地形，路面完成情况，车辆运行情况，GPS信号是否正常，是否涉及人员安全问题等。

（4）现场布设控制点，控制点布设间隔约100m。现场采用RTK技术和精密水准技术测量的控制点三维坐标。

2.2 数据采集

为了利用三维激光扫描技术对道路工程状况进行测量，首先要采集现场数据。第一步是对调查区域内的环境进行严格的调查，从而确定扫描仪的详细位置、目标和调查站的数量。同时，需要保证每个扫描站获得的最终数据能够真实反映测量范围的完整区域，在测量过程中，需要尽可能减少对应站的数量，从而减少原始数据量[3]。

2.3 数据获取

利用三维激光扫描进行点云数据获取的方案主要有两种：一是基于控制点坐标作为外部参考，每站在点云采集时同时扫描3个以上控制点坐标，数据处理时可以直接利用控制点坐标将点云数据从扫描坐标系转换到控制点坐标系下；另一种是在数据采集时保证相邻扫描站之间有一定的重叠度，数据处理时利用配准算法对多站点云进行配准，同时在点云采集时扫描一定数量的控制点坐标，实现点云模型的重建。

2.4 道路变形分析

传统的变形监测方法是以固定的、有限的观测点为基础，利用专用仪器和方法连续观测变形体的变形现象，分析变形体的变形形态，预测变形体的发展趋势。它只能反映道路的局部变形，而三维激光扫描技术是测绘领域的关键技术，一次重大的技术变革打破了传统的接触测量模式。传统的测量方法是将变形监测点嵌入道路的特征部位，同时在道路上设置检测标志，定期比较检测标志与基准点之间的变形量，这种检测方式需要合理设置观测标志和基准点，难以完整客观地反映道路变形，而对于大型钢结构桥梁这种测量方式更加难以呈现桥梁微小部位的变形，三维激光扫描仪能够快速、便捷地对桥梁进行全方位的测量，通过收集和比较不同时间点的建筑三维点云数据，不需接触桥梁就可以反映桥梁的微小变形。

3 结语

综上所述，三维激光扫描测量技术是对传统测绘技术的创新和发展，是一种全新的测绘技术。三维激光扫描测量技术的不断发展，促使其使用范围也越来越广，尤其是在道路工程测量中具有明显的优势。