三维激光扫描技术用于公路工程测量的可行性分析

刘新强

(新疆交通建设管理局项目执行二处)

三维激光扫描技术用于公路工程测量的可行性分析

刘新强

(新疆交通建设管理局项目执行二处)

公路工程测量是公路设计的先导，公路建设的发展使其对测量精度与效率的要求不断提高，三维激光扫描技术可以利用高精度逆向三维建模和重构技术获得同步的三维坐标数据与数码照片等，以此建立三维数据模型，客观而真实的再现事物的形态等，是一种有效的空间数据测量技术，通过测试表明其测量过程与精度都可以满足公路工程的测量需求，是一种继GPS后的新一代工程测绘技术。

三维激光扫描;工程测量测试;数据分析;成果研究

1 三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是利用三维激光扫描设备为观测设备的测量技术，目前已经有不同类型的三维激光扫描仪应用在各个领域。按照扫描空间位置与系统平台来对其进行划分，有机载型、地面型、手持型等，经常用于公路工程测量的是地面型三维激光扫描仪。此类技术对物体表面测量的精度极高可以达到毫米级别，可以解决精确地图的绘制难题，因此研究其在公路工程测量中应用的可行性是十分必要的。

2 三维激光扫描技术在公路工程中应用的分析

2.1 公路工程中的可行性测量过程

可行性分析利用某个工程场地，是一个构造物的工程，具有一定程度的表面覆盖，但是不能过于密集。工程场地限定后利用地面上的特征标志物作为测量的标志，利用三维激光扫描仪进行标志物的三维坐标测量，随后利用全站仪扫描测量范围内的散点，作为测量的补充。可行性试验中设定的扫描范围为5 cm，点云控制点扫描的间距则降至5 mm，扫描时间的长短根据扫描参数确定，然后将数据进行记录并传输至计算机进行后续分析，得出测量成果并进行精度分析，这样就完成了对公路工程项目的测量。

2.2 测量数据的初步处理

(1)对坐标进行好转换，利用系统配置的相应软件对测量的数据进行处理，取点云中测量标志的位置，一般经过标志点的扫描点距离较小且密度大，因为在测试中标志点的扫描点的点距为5 mm，其他部分则为5 cm，因此可以很容易的区分标志点与其他位置。通过移动和旋转、放大在点云图上对标志点进行定位，标志出点的位置，输入各个测点标志的坐标，通过软件就可以计算出点云工程坐标的匹配精度。在测量中工程点的不同位置经过精度转换获得了不同的精度，但是其精度都达到了要求。转换精度主要取决于采用全站仪、GPS的测量精度、标志点的测量精细度等。所以测量标志点应利用较高的精度进行联测，同时测量标志应小且清楚。

(2)数据的筛分，外业扫描中会获得大量的点云，但是这些点云并不是都能对工程测量有所帮助，如地表的点云等，利用其观测可以获得地面的坐标，但是有些测量过程是不需要此类点云作为参考的，如地表的植物。在处理软件中可以通过两种模式对这些不需要进入测量分析的数据进行筛选，如通过移动或者旋转、选择、删除等进行编辑完成对某些点云的筛选与去除;或者通过对不同高度的地表植物进行人为的区块划分，以此消除植物对测量的干扰，从而获得有效的地表坐标。但是此两种模式在实际应用中的效果并不是十分理想。利用滤波的方式对数据进行筛选可以更加有效的降低“噪声”干扰，以此获得更加有效的数据。

2.3 测量的精度分析

(1)在分析三维激光扫描仪的测量精度的时候，首先应考虑其平面的精度，测试中有效扫描能精确测量的坐标点位较少，所以在扫描中随机性的布置了一些平面的测量标志点，用测量仪考察其精度，所布置的平面点有55个，标志点在基础控点之上，利用2 s级的全站仪对水平角度、垂直角度、测量距离等进行测量。每个工作点的扫描范围除了选择4个标志测点作为运点，并对其进行计算分析，其余的测点都作为对标志平面测量精度的对比参照。平面精度的测点设计了50个，经过分析比对后，其综合精度分析的结果是4个点位的测量精度都在工程测量的允许范围内，可以作为工程参考。

(2)地形高程与断面精度分析，在测试中测量的高程点作为对三维激光扫描仪高程精度的考察依据，利用2s级全站仪测量了多个地形散点，也利用与散点位置相同的基础控点完成测量，对其水平角、垂直角等测量1测回，得到的结果其误差满足实际工程的需求。另外，利用此类方式对纵向与横向断面的精度进行了分析，在测试中扫描点云方的范围控制在桩高101个，横断面测量点102个，因为可以比较的桩高程数量不多，所以其精度也在四个工程测点内进行分析比较，其中产生的横纵断面的误差都在可以接受的范围内。根据工程中桩坐标和野外实际的中桩测量结果，截取地形变化的高程差异，将从三维激光扫描所形成的数学模型上截取的高程差与外业实际测量的数值进行比较，其误差的范围也在允许的范围内。

2.4 总体精度分析

测试中根据测量的综合数据对采用三维激光扫描仪所采集到的数据和输出结果进行分析，总结影响三维激光扫描仪平面精度的因素是控制点测量的精度与控制点的面积、以及点云扫描的误差等。测试中的工作点都在一个基础控制点上设立测量点站，采用的是J2级别的全站仪测量其水平角度与垂直角、距离等个1测回，基础控制点的本身存在误差但对点云测量不会产生干扰。测量点之间的相对平面位置中误差可以经过计算获得。经过计算可以得出点云控制点的精度包括了测量精度、测量时标志的对点精度、点云面积误差等，经过比较分析，三维激光扫描所得到的精度较高。另外从测试的结果看，利用是三维激光扫描技术生成的平面精度要好于高程精度、平面和高程精度都能够达到精密地图测量，以及纵断面和横断面测量的要求范围。

3 结束语

地面三维激光扫描技术可以在较短的时间内对目标进行高密度、高精度的测量，并获得三维空间信息，其扫描速度快、数据信息全面、精度高、过程简单、可以节约人力与资源，具有强大的后期处理能力，可以在公路工程测绘中取得一定的成功。这一技术可以在不同位置、不同细节要求下完成对道路工程设计所需数据的采集。虽然因为某些技术难点还没有完全得到解决，不能将其做测绘技术转型的重点技术，但是随着科技的发展与进步，相关企业所研发的三维激光扫描仪所支持的测绘技术，必将成为测绘工作中的重要技术分支。

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U416.1

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1008-3383(2012)04-0009-01

2012-01-04

刘新强(1982-)，男，山东潍坊人，研究方向:工程测量。