三维激光扫描仪在道路工程中的应用分析

三维激光扫描仪在道路工程中的应用分析

陈清松

新疆蓝天阳建设工程有限公司 乌鲁木齐， 830000

摘要：在道路工程逐渐增多的当下，测绘工作效率与精度不断提升，传统测绘工作面临的压力越来越大，为提升测绘水平，测绘团队有必要引入现代测绘技术。由此，文章就道路工程中三维激光扫描仪的应用展开分析，希望可促进道路工程建设发展。

关键词：三维激光扫描仪 道路工程 应用

前言：科学技术的发展，为行业发展提供充足技术支持，道路项目测绘中，新型测绘技术的应用，可有效弥补传统测绘技术缺点。就三维激光扫描技术而言，其不仅可以非接触快速扫描，还能方便测量工作开展，道路工程中，三维激光扫描仪的应用，还能减少外业操作，提升实际测量效率。

1 三维激光扫描技术

1. 1. 原理

和全站仪原理相同，三维激光扫描技术也包含测距、测角、定向三部分。结合激光测距原理，借助被测物体表面点位信息，可第一时间创建物体三维模型，然后对模型不同位置进行处理，而后获得实际效果图。

1. 2. 误差分析

三维激光扫描仪精度影响因素包含四种：仪器内误差，被测物体误差，外界环境影响与拼接误差。其中，仪器内误差，即在仪器内产生的误差。扫描仪发射信号，通过发射作用，会朝着相似路径传回来，该过程中由于反射路径不准确，会引起一定误差，最终对距离计算产生影响。扫描期间，容易出现不均匀旋转与微小抖动，这些操作也会对扫描角度产生影响，最终导致三维坐标误差。2）被测物体误差。因被测物表层粗糙性不同，引起的点位置不同。若目标发射面和扫描光束夹角很小，势必会对激光光斑产生影响，最终对三维坐标量测产生影响。3）外界环境影响。湿度出现较大变化，仪器内系统也会产生微小变化；风量较大时，扫描镜将出现微小抖动，该过程会对定位工作产生影响；空气质量较差时，仪器发射的激光信号传播期间，也会由于测量点位误差，对测量精度产生影响。4）点云拼接误差。外业数据采集期间，很容易导致测量误差。数据处理期间，点云拼接也常常会引起误差，因此目标匹配期间应及时提取目标。

2 道路工程中三维激光扫描仪的应用

2.1 数据采集

外业数据采集包含布设控制网，测量平面与高程控制网，建立标靶与三维坐标测量等。本文使用的扫描仪是美国 激光扫描仪，TX8天宝三维扫描仪可及时开展远距离扫描，测程约为340m，该过程可节约扫描需要消耗的人力与时间。一定测程范围，TX8扫描仪测量速度为1百万/秒激光点。工程道路选择某大学后山路段，由于三维激光扫描仪坐标系统独立，为转换地理坐标，方便后期应用，扫描前应做好控制网布设工作。工程测量期间选择以下7个控制点，建立闭合环型控制网，详细见下图1所示，然后测量其坐标，即可获得平面标靶三维坐标，便于后期精度评定。

图1 控制网布设图

借助平面标靶标记道路特殊位置，借助全站仪对标靶坐标进行测量，随后开展激光扫描工作，设立三脚架与仪器，待开机后设置参数，最后进行激光扫描。该过程需要控制相连测站间距有一部分重叠范围，架设仪器可同时扫描公共区位置，结合扫描视角所处范围，可继续换站扫描。

2.2 数据处理

采集完数据后，应对数据进行处理。数据处理期间，本文主要使用南方CASS、CAD、天宝RealWorks等软件。处理期间包含做好点云拼接、除噪、坐标赋值等工作。

1. 点云拼接：受扫描仪自身方面限制，不能一次采集完所有被测物体。因此，要设立不同测站，便于全方位扫描物体。这时会产生很多扫描数据，操作期间可将数据集中到相同坐标系内，如此即可获得完整全景图，该过程即点云数据拼接。应用球状目标与平面标靶，即可获得两标靶中心位置，然后将其拼接起来。目标配准中，包含目标配准与自动配准两种，利用电脑可自主识别目标物，然后做好拼接操作，针对不能自动提取的信息，则要手工标定位置。将测站当中的10个站拼接起来，即可获得所需的拼接效果图，详细见下图2所示，计算后即可获得点云间配准误差是 。

图2 点云拼接效果图

2. 坐标赋值：拼接工作结束后，需要及时转换地理坐标系统，借助全站仪采集的平面三维坐标，标定了标靶中心位置，然后将三维坐标赋值标靶中心，即可将点云数据转变成所需的三维空间坐标。利用天宝RealWorks软件坐标输入即可实现X、Y坐标调换，最后得到所需坐标。接着删除非扫路点云数据，借助分隔功能删除数据，然后将道路数据保存下来；此外，还应借助自动点云分类，合理划分点云数据，具体可将其分成高植被、建筑物、地面、标杆等不同数据，然后再次删除或隐藏数据种类。

3. 多变形处理：将数据导进操作软件内，然后做好点处理工作。例如常见的采样与着色等工作，即可获得分布均匀且较为平滑的数据，接着经过采样处理即可稀释点云数据，便于减少后期数据处理。点处理期间，应妥善开展封装操作。多边形期间，可使用简化、填充与裁剪等方式处理，借助裁剪工具裁剪，控制纵横断面图厚0.1mm，然后认真稀释数据，最后将数据以DXF格式保存。

4. 提取道路特征：稀释完的数据可导进CAD中，借助样条曲线绘制道路平面图。然后应用直线、曲线等工具截取厚度为0.1mm薄片绘制横断面图，然后认真标记各部分尺寸，同时应用三维坐标信息对坡度进行计算，如此即可获得半幅道路横断面图。详细见下图3（a）所示。绘制道路纵断面图期间，可将asc格式转变成dat格式，然后导入CASS中，接着在显示区中选用点文件、点点号，最后借助DTM即可绘制出高等线，工程应用期间利用绘制断面图与高等线即可获得道路纵断面图。详细见下图3（b）所示。

图3 （a）半幅道路横断面图

图3 （b）道路纵断面图

2.3 平面虚拟测量

通常点云数据组成多由三维信息点位构成，再者还应与拍摄真彩色影像相结合，这里，前者可保证表面模型数据，影像数据能保证角落与边缘信息准确。借助智能软件平台，利用点云数据与影像信息即可对模型纹理进行详细描述，例如，车站、雨水口与灯杆等位置。便于判定该位置信息，随后借助测量图示展现位置信息，然后标注相应比例尺与高程信息，即可获得所需地形图。

2.4 道路修建工程应用

（1）道路修建工程特点：道路修建期间，道路大多仍处在运营状态，因该过程车流量较大，车速较快，为了不影响交通，应确保测量期间，道路中车辆不出现断流。使用常规方法测量，一定要上路测量，操作人员应穿越公路，再者还应在路面设立很多测量高程点，该过程安全风险较大。通过分析上述风险因素与工作量，道路修建期间应妥善使用三维激光扫描仪开展测绘工作。

（2）测量方法：沿着公路外端设立紧急停车带测站，对范围内的目标进行全面扫描，借助软件开展数据拼接工作。这里应控制拼接精度为：拼接靶标期间应控制误差小于8mm，点云拼接误差小于10mm。点云处理完后，平面虚拟测量期间，可绘制道路边线与过街天桥等物标，还可采集大量平面与高程信息。然后使用传统测量法测量相同点位高程情况，借助三维激光扫描即可得到成果相比，确保误差大小符合实际规范要求。

结语：道路测绘中，将三维激光扫描仪技术与之相结合，可为道路工程测绘工作带来较大帮助。三维激光扫描仪技术的应用，可有效弥补传统技术漏洞，提升操作灵活性。不管在速度方面，还是在数据准确度方面，都实现了新的突破。通过整理数据颗粒度，可有效减少物力与人力投放，在任意场所开展数据整合。随着该项技术的推广，其会促进道路工程建设不断向前。

参考文献：

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