激光扫描处理技术及其在公路建设中的应用

贺德阳

（佛山市公路局路桥管理所，广东佛山528000）

激光扫描处理技术及其在公路建设中的应用

贺德阳

（佛山市公路局路桥管理所，广东佛山528000）

介绍了地面激光扫描技术处理中的若干关键技术要素，指出了相关技术的重要性和科技开发价值，还指出了在公路建设中采用地面激光扫描技术的价值和意义。

地面激光扫描；测量；图形图像处理；公路建设

激光扫描是随着光机电一体化以及电子信息技术发展而发展起来的一项综合技术，它主要借助于激光扫描设备来获取物体表面的矢量数据。激光扫描俗称“激光抄数”，它采用非接触的光电测量原理，借助于计算机系统，实时地采集、显示和记录三维数据，其结果可以输出成CAD标准格式的文件，以产生数字化模型，为后续工程如三维的模型检查、三维测量等提供基础数据。激光扫描数据具有密度大、精度高的特点，自问世以来就被广泛应用于各种测量领域。譬如，文献［1-8］分别探讨的道路测量、土地测量、隧道安全监测、距离测量、高层建筑监测、栈桥支架监测等。据中国产业调研网：2016—2022年全球及中国激光扫描器行业发展研究分析与发展趋势预测报告，目前该技术已经形成数字国土等诸多领域的一个新兴产业链。

资料显示，佛山市自2010年以来，开展了地面激光扫描技术在城市应急系统中的应用研究与开发（禅城区科技专项2010C012）。笔者所在单位也开展了该技术在道路建设中的应用探索，本文是笔者在课题研究中对一些核心技术开发的体会和经验介绍。

1 地面激光扫描用于道路建设的核心技术

地面景观，是指地面人眼可见的物质总称。建筑物、花草树木、车辆等都属于地面景观。本文所述核心技术主要指借助于地面激光扫描设备获取地面景观的表面数据，再通过计算机实现快速场景重建实现测量的技术，即地面激光扫描点云的可视化技术，亦即“基于激光扫描点云的快速场景重构与建模”，与传统基于街景图片的景观重建不同，地面激光扫描点云的可视化技术源于三维矢量数据，能够更加精准、真实地反映景观的空间形体特征，（理论上）完全是对景观的复制。以下几个关键技术是至关重要的核心技术。

（1）点云的分析处理。激光扫描仪能够在瞬间获取大量的全景矢量数据，这些数据通常按照表1或表2所示的格式存储在文件中。

表1 点云以坐标＋RGB的存储格化

表2 点云以坐标＋灰度值的存储格化

表1、2中数据的坐标值是相对测量前选定GPS定位基准后的相对坐标，这些数据就是矢量数据。点云数据非常庞大，通常以GB为单位评估。无论采用哪种存储方式，要进行场景恢复都需要预处理这些海量数据。目前有两个方式处理这些数据：一是采用原创软件开发，基于OpenGL等编程技术处理；二是采用国外专用软件处理，例如美国软件MicroStation有一个处理这些数据的插件。第1种处理方式涉及大地测量、计算机图像处理、数据库等交叉技术，目前我国学术界正在进行研究但成果并不多见。企业主要采用第2种处理方法，即借助国外软件恢复这些数据。图1是笔者借助MicroStation恢复的佛山世纪莲附近一个公路场景数据。

图1 公路场景原始点云数据

（2）点云的特征提取。经过软件恢复的点云数据需要匹配场景特征，否则无法把它与测量对象关联。这个过程需要把激光点云中能够描述物体特征的特征点提取出来，形成特征点集合。由于点云数据的规模越来越大，直接处理这些大规模的点云数据是非常困难的。目前很多公司都采用人工的方法。寻找简单、有效、快速的提取点云特征的方法和技术是本领域的一个重要研究内容，自动匹配场景的问题，甚至是一个国际性的关注焦点，任何一点的进步，都可大大提高工作效率。笔者也是采用人工识别的方式进行特征处理。为方便后续处理，特征提取后还需要按照后续处理的数据进行网格化。这个过程可采用国外软件完成。图2～4是某公路桥梁附近的点云数据及其特征提取后的效果。图2是点云数据，图3是经特征提取标定后的数据，图4是网格化结果。

图2 点云数据

图3 标定特征后的数据

图4 网格化数据

（3）噪声剔除与特征增加。所谓噪声是扫描数据中出现的非测量数据。例如，测量公路时出现了车辆而被扫描了，如图5所示。

此外，因扫描角度致使一些特征被遮挡，此时需要除去噪声或者增加特征（俗称贴图）。这也是一个技术性很强的工作，目前基本靠人工完成。例如，图6就是一副去除了噪音增加了特征的处理效果。

图5 车辆闯入扫描场景

图6 去噪贴图后的场景三维图

（4）点云的目标建模。点云的目标建模，本质上是基于激光点云的三维重建技术，即几何模型重建和模型可视化。模型重建阶段涉及到三维全景模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等，这是点云数据处理的最核心工作。其结果是将点云数据完全以三维真实图形的方式显示处理。该环节的处理过程涉及点云数据编辑、拼接与合并、数据点三维空间量测、点云数据可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能，是一个技术非常强的工程。目前主要采用国外处理软件如Lidar的点云处理软件进行处理。为了达到逼真效果，技术人员往往会根据场景的二维照片进行一些技术处理，比如增加一些特征标识等等。例如，图7是图1的点云经恢复后的效果。

图7 三维场景恢复图

2 地面激光扫描在公路建设的应用

公路建设中存在诸多测量环节。随着数字国土技术的发展及其需要，现在的公路数据不仅包含施工建设的基本土建数据，还包含相关的环境如标志杆、信号灯等数据。传统测量和记录方法无法满足新的需求，国内外很多部门都采用激光扫描测量，这种方式能完整保留道路两侧及其上空的景观数据并且与其他部门实现数据共享。根据笔者的经验，至少有以下几个方面的应用。

（1）道路基本数据的测量与保存。激光扫描数据是对道路表面及其环境数据的真实记载。由于测量数据的精度可达到0.01 ms级别，数据可导入到各种CAD系统满足相关的后续工程的分析与研究。例如，可以对数据进行高程分析、DLG分析、GIS分析等等。图8即为源自激光点云的GIS分析结果。

图8 源于点云的GIS数据

（2）道路微观损坏的分析。由于激光扫描数据的高精度特征，国内外都采用多次测量统一场景以获取场景损坏数据，尤其是公路、隧道和桥梁的变形。这对防患于未然是十分重要的。

（3）公路周边的环境分析。大范围的激光扫描数据可提供公路关键点位周边的环境数据，这对于分析点位环境是非常重要的。比如，可以通过分析DEM数据、DOM数据以及DLG数据，来判断公路的安全性能。图9是某路段1∶1万的DEM数据图。这在常规测量模式下是无法实现的。

图9 1∶1万DEM数据图

3 结语

利用地面激光扫描技术进行公路的测量和维护，是近年来国内外兴起的一个新措施。它不仅能够提高效率，而且能够获得高精度高质量的数据。同时该技术的发展将推进国内在计算机应用、道路建设等方面诸多新技术的发展和完善。

参考文献：

［1］徐进军,张毅,王海成.基于地面三维激光扫描技术的路面测量与数据处理［J］.测绘通报,2011（11）:34-36.

［2］马利,谢孔振,白文斌,等.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用［J］.北京测绘,2011（2）:48-51.

［3］刘云广.基于地面三维激光扫描技术的变形监测数据处理［D］.北京:北京建筑大学,2013.

［4］周海龙,周强,潘素霞,等.地面三维激光扫描测量技术在农村集体土地使用权调查中的应用研究［J］.测绘技术装备, 2013（4）:32-34.

［5］史玉峰,张俊,张迎亚.基于地面三维激光扫描技术的隧道安全监测［J］.东南大学学报:自然科学版,2013（S2）: 246-249.

［6］张永彬,高祥伟,谢宏全,等.地面三维激光扫描仪距离测量精度试验研究［J］.测绘通报,2014（12）:16-19.

［7］韩宇.基于三维激光扫描技术的高层建筑整体变形监测的方法研究［D］.赣州:江西理工大学,2015.

［8］蔺小虎,姚顽强,张咏,等.基于地面三维激光扫描技术的输煤栈桥支架倾斜监测［J］.煤矿安全,2016,47（9）:110-113.

【责任编辑：王桂珍 foshanwgzh@163.com】

Ground laser scanning technology and its application in highway construction

HE De-yang
（Road and Bridge Management Institute,Foshan Highway Bureau,Foshan 528000,China）

The paper introduces several key technical issues of ground laser scanning technology and points out its importance and value in technological developments.Also the paper demonstrates the value and meanings of the technologyin highwayconstruction.

ground laser scanning;measure;image and graphics process;highwayconstruction

U412

A

1008-0171（2017）03-0067-05

2016-12-11

贺德阳（1960-），男，广东广州人，佛山市公路局工程师。