劉新強(qiáng)

(新疆交通建設(shè)管理局項目執(zhí)行二處)

三維激光掃描技術(shù)用于公路工程測量的可行性分析

劉新強(qiáng)

(新疆交通建設(shè)管理局項目執(zhí)行二處)

公路工程測量是公路設(shè)計的先導(dǎo)，公路建設(shè)的發(fā)展使其對測量精度與效率的要求不斷提高，三維激光掃描技術(shù)可以利用高精度逆向三維建模和重構(gòu)技術(shù)獲得同步的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)與數(shù)碼照片等，以此建立三維數(shù)據(jù)模型，客觀而真實的再現(xiàn)事物的形態(tài)等，是一種有效的空間數(shù)據(jù)測量技術(shù)，通過測試表明其測量過程與精度都可以滿足公路工程的測量需求，是一種繼GPS后的新一代工程測繪技術(shù)。

三維激光掃描;工程測量測試;數(shù)據(jù)分析;成果研究

1 三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)是利用三維激光掃描設(shè)備為觀測設(shè)備的測量技術(shù)，目前已經(jīng)有不同類型的三維激光掃描儀應(yīng)用在各個領(lǐng)域。按照掃描空間位置與系統(tǒng)平臺來對其進(jìn)行劃分，有機(jī)載型、地面型、手持型等，經(jīng)常用于公路工程測量的是地面型三維激光掃描儀。此類技術(shù)對物體表面測量的精度極高可以達(dá)到毫米級別，可以解決精確地圖的繪制難題，因此研究其在公路工程測量中應(yīng)用的可行性是十分必要的。

2 三維激光掃描技術(shù)在公路工程中應(yīng)用的分析

2.1 公路工程中的可行性測量過程

可行性分析利用某個工程場地，是一個構(gòu)造物的工程，具有一定程度的表面覆蓋，但是不能過于密集。工程場地限定后利用地面上的特征標(biāo)志物作為測量的標(biāo)志，利用三維激光掃描儀進(jìn)行標(biāo)志物的三維坐標(biāo)測量，隨后利用全站儀掃描測量范圍內(nèi)的散點，作為測量的補(bǔ)充。可行性試驗中設(shè)定的掃描范圍為5 cm，點云控制點掃描的間距則降至5 mm，掃描時間的長短根據(jù)掃描參數(shù)確定，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并傳輸至計算機(jī)進(jìn)行后續(xù)分析，得出測量成果并進(jìn)行精度分析，這樣就完成了對公路工程項目的測量。

2.2 測量數(shù)據(jù)的初步處理

(1)對坐標(biāo)進(jìn)行好轉(zhuǎn)換，利用系統(tǒng)配置的相應(yīng)軟件對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，取點云中測量標(biāo)志的位置，一般經(jīng)過標(biāo)志點的掃描點距離較小且密度大，因為在測試中標(biāo)志點的掃描點的點距為5 mm，其他部分則為5 cm，因此可以很容易的區(qū)分標(biāo)志點與其他位置。通過移動和旋轉(zhuǎn)、放大在點云圖上對標(biāo)志點進(jìn)行定位，標(biāo)志出點的位置，輸入各個測點標(biāo)志的坐標(biāo)，通過軟件就可以計算出點云工程坐標(biāo)的匹配精度。在測量中工程點的不同位置經(jīng)過精度轉(zhuǎn)換獲得了不同的精度，但是其精度都達(dá)到了要求。轉(zhuǎn)換精度主要取決于采用全站儀、GPS的測量精度、標(biāo)志點的測量精細(xì)度等。所以測量標(biāo)志點應(yīng)利用較高的精度進(jìn)行聯(lián)測，同時測量標(biāo)志應(yīng)小且清楚。

(2)數(shù)據(jù)的篩分，外業(yè)掃描中會獲得大量的點云，但是這些點云并不是都能對工程測量有所幫助，如地表的點云等，利用其觀測可以獲得地面的坐標(biāo)，但是有些測量過程是不需要此類點云作為參考的，如地表的植物。在處理軟件中可以通過兩種模式對這些不需要進(jìn)入測量分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，如通過移動或者旋轉(zhuǎn)、選擇、刪除等進(jìn)行編輯完成對某些點云的篩選與去除;或者通過對不同高度的地表植物進(jìn)行人為的區(qū)塊劃分，以此消除植物對測量的干擾，從而獲得有效的地表坐標(biāo)。但是此兩種模式在實際應(yīng)用中的效果并不是十分理想。利用濾波的方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選可以更加有效的降低“噪聲”干擾，以此獲得更加有效的數(shù)據(jù)。

2.3 測量的精度分析

(1)在分析三維激光掃描儀的測量精度的時候，首先應(yīng)考慮其平面的精度，測試中有效掃描能精確測量的坐標(biāo)點位較少，所以在掃描中隨機(jī)性的布置了一些平面的測量標(biāo)志點，用測量儀考察其精度，所布置的平面點有55個，標(biāo)志點在基礎(chǔ)控點之上，利用2 s級的全站儀對水平角度、垂直角度、測量距離等進(jìn)行測量。每個工作點的掃描范圍除了選擇4個標(biāo)志測點作為運(yùn)點，并對其進(jìn)行計算分析，其余的測點都作為對標(biāo)志平面測量精度的對比參照。平面精度的測點設(shè)計了50個，經(jīng)過分析比對后，其綜合精度分析的結(jié)果是4個點位的測量精度都在工程測量的允許范圍內(nèi)，可以作為工程參考。

(2)地形高程與斷面精度分析，在測試中測量的高程點作為對三維激光掃描儀高程精度的考察依據(jù)，利用2s級全站儀測量了多個地形散點，也利用與散點位置相同的基礎(chǔ)控點完成測量，對其水平角、垂直角等測量1測回，得到的結(jié)果其誤差滿足實際工程的需求。另外，利用此類方式對縱向與橫向斷面的精度進(jìn)行了分析，在測試中掃描點云方的范圍控制在樁高101個，橫斷面測量點102個，因為可以比較的樁高程數(shù)量不多，所以其精度也在四個工程測點內(nèi)進(jìn)行分析比較，其中產(chǎn)生的橫縱斷面的誤差都在可以接受的范圍內(nèi)。根據(jù)工程中樁坐標(biāo)和野外實際的中樁測量結(jié)果，截取地形變化的高程差異，將從三維激光掃描所形成的數(shù)學(xué)模型上截取的高程差與外業(yè)實際測量的數(shù)值進(jìn)行比較，其誤差的范圍也在允許的范圍內(nèi)。

2.4 總體精度分析

測試中根據(jù)測量的綜合數(shù)據(jù)對采用三維激光掃描儀所采集到的數(shù)據(jù)和輸出結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)影響三維激光掃描儀平面精度的因素是控制點測量的精度與控制點的面積、以及點云掃描的誤差等。測試中的工作點都在一個基礎(chǔ)控制點上設(shè)立測量點站，采用的是J2級別的全站儀測量其水平角度與垂直角、距離等個1測回，基礎(chǔ)控制點的本身存在誤差但對點云測量不會產(chǎn)生干擾。測量點之間的相對平面位置中誤差可以經(jīng)過計算獲得。經(jīng)過計算可以得出點云控制點的精度包括了測量精度、測量時標(biāo)志的對點精度、點云面積誤差等，經(jīng)過比較分析，三維激光掃描所得到的精度較高。另外從測試的結(jié)果看，利用是三維激光掃描技術(shù)生成的平面精度要好于高程精度、平面和高程精度都能夠達(dá)到精密地圖測量，以及縱斷面和橫斷面測量的要求范圍。

3 結(jié)束語

地面三維激光掃描技術(shù)可以在較短的時間內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行高密度、高精度的測量，并獲得三維空間信息，其掃描速度快、數(shù)據(jù)信息全面、精度高、過程簡單、可以節(jié)約人力與資源，具有強(qiáng)大的后期處理能力，可以在公路工程測繪中取得一定的成功。這一技術(shù)可以在不同位置、不同細(xì)節(jié)要求下完成對道路工程設(shè)計所需數(shù)據(jù)的采集。雖然因為某些技術(shù)難點還沒有完全得到解決，不能將其做測繪技術(shù)轉(zhuǎn)型的重點技術(shù)，但是隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，相關(guān)企業(yè)所研發(fā)的三維激光掃描儀所支持的測繪技術(shù)，必將成為測繪工作中的重要技術(shù)分支。

［1］戴升山，李田鳳.地面三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景［J］.現(xiàn)代測繪，2009，(4).

［2］宋健康.基于GPS、三維激光掃描技術(shù)的堤壩掃描測量［J］.質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督研究，2009，(4).

［3］李兆堃，嚴(yán)勇.三維激光掃描在工程測量中的應(yīng)用研究［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報(工程技術(shù)版)，2009，(1).

［4］施貴剛，程效軍，官云蘭，等.地面三維激光掃描點云配準(zhǔn)的最佳距離［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，(2).

［5］陳晨.三維激光掃描技術(shù)在城市設(shè)計中的應(yīng)用［J］.中外建筑，2009，(5).

U416.1

C

1008-3383(2012)04-0009-01

2012-01-04

劉新強(qiáng)(1982-)，男，山東濰坊人，研究方向:工程測量。