三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用

胡寅银

摘要：本文从三维激光扫描技术的概念出发，简单阐述其工作原理，并结合实例对道路工程测绘中应用地面三维激光扫描技术的具体流程进行了说明，希望能对我国道路工程测绘效率的提高与传统测绘方式中缺陷的完善有所帮助。

关键字：三维激光扫描技术；道路工程；测绘；应用

引言

传统道路工程测绘中往往存在着测绘效率低、测绘人员工作强度大、测绘人员测绘风险较大的缺点。而地面三维激光扫描技术的引入不仅可以有效克服这些缺点，并实现在复杂环境的深入扫描与三维数据的全面采集，因此，我们要加强对三维激光扫描技术的应用研究，有效提高道路工程建设质量。

1三维激光扫描技术概况

1.1三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术主要是通过激光扫描对目标的整体或局部进行高精度测量，以获得目标的线、面、体、空间等三维数据，然后在计算机系统中重建目标的思维模型与数据。在目标数据的采样中，采样点分布可以称作“点云”。

三维激光扫描核心技术是空间点阵扫描，主要是根据扫描仪器与目标的距离对采样点的大小进行划分。实际工作中，根据不同的对象以及精度要求，激光扫描一般分为远、中、近三种距离，其中，中、远距离常用于大型目标的测量，近距离则常用于小物体的精确建模。

1.2三维激光扫描原理

扫描仪、电源供应系统和控制器是地面三维激光扫描系统的三个主要组成部分。其中，扫描仪在使用过程中应用的是内部独立的坐标系统，以仪器为坐标原点O，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，如图1所示。在XOY平面及其垂直面各有一个反射镜，在进行测量作业时可快速旋转，使激光依次扫过被测区域，系统自动同步测量各激光脉冲的空间距离S、水平角α和天顶距θ。每个激光点的坐标按照极坐标原理有：

由于道路工程属于大型带状结构，加之三维激光扫描仪有限的激光射程只能测量到一定的长度，因此在实际工作中普遍需要用到多站测量。此时要通过布设标靶或者根据两站间重合的特征点、特征面进行两站之间的拼接最终形成测区的完整三维场景信息。

2道路工程中三维激光扫描作业流程

2.1外业数据采集

2.1.1标靶与测量点的布置

道路工程在进行多站测量时，其实际的扫描测量距离往往是有限的，也因此造成各个激光扫描仪与扫描目标间夹角各不相同的情况，进而导致空间分辨率的差异，同时，其夹角越大分辨率越高。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。

2.1.2确定采样间隔与扫描作业

采样点的间隔设置是在实际道路工程测量中应用三维扫描技术的关键，间隔的过疏或过密都会严重影响到其测量精度，进而导致后期数据处理时误差的产生。尤其是当采样点设置过于密集时，其庞大的点云数据往往会大幅度提高数据传输、存储以及处理的复杂程度，并造成测量效率的降低。通常情况下，若是道路前方无障碍，只要每个站点的测量距离在30-50米范围内，就能保证相邻测站有一定的点云重叠部分；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。

2.2内业数据处理

2.2.1数据滤波

通常情况下，使用地面三维激光扫描仪收集到的数据中会包含树木、车辆、行人等无用的非道路数据，进而造成庞大的数据处理量。因此，在进行数据处理时，首先要将无用的信息剔除，然后再对有用的信息进行分析。数据剔除的过程也叫做数据滤波，主要利用的是噪声数据不连续、无规律、稀疏与杂乱的特点。

2.2.2点云拼接

从各个测点上扫描到的点云数据，需要通过标靶将这些数据拼接成连贯的数据，这个过程就叫做点云拼接，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。图2为某环城路数据处理后的部分点云图。

2.2.3平面虚拟测量

点云数据有测量点的坐标点位组成，尚且不能形成有参考价值的信息，因此还需要结合使用CCD相机拍摄的图像，通过计算机处理平台，将拼接的点云数据与影像结合，将这些数据在实景中标识出来，表明高程点信息，形成所需的地形图。

2.2.4建模，生成等高线以及纵横断面图

经过点云拼接以及虚拟测量后形成的数据是一种不规则的空间数据，需要我们对其进行优化，即测绘得出的等高线绘制出具体的横纵线平面图。平面图完成后就可以根据实际需求设置等高线的间距，然后根据道路设计的要求确定断面的间距以及断面的宽度，以形成任意纵横断面图。

3三维激光扫描技术在测绘领域的发展趋势

三维激光扫描技术，虽然已经在很多的领域体现出了非常好的作用，但是在我国的三维激光扫描技术未来发展中，主要还是需要朝着这样的一些方面进行努力：一，三维激光扫描设备，必须要进行自主的研发，要真正能够实现国产化，尤其是关键技术的国产化；二，就是需要是实现更好地公用化，必须要更好地结合云处理技术；三，三维激光扫描技术的精度还能进一步的提高，三维激光扫描技术的扫描范围能够更广；四，三维激光扫描技术，还能更好地结合影像技术，在获得三维数据的同时，实现三维图像的同步建立。所以说，三维激光扫描技术，在未来的应用空间还很大，值得探索的地方还很多。

結束语

地面三维激光扫描技术与道路工程测绘的结合是技术上一项突破性的创新之举，该技术不仅弥补了传统道路测量的缺相，而且无论速度上还是数据准确程度上都有了革命性的创新转变，有效减少了人力、物力的投入。并且该技术具有灵活高效的特点，对工程的选址以及数据的处理都大大减少了限制，因此，该技术的应用势必会带动我国道路工程技术的发展，为道路建设作出更多的贡献。

参考文献

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