三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用

万飞 许小金

【摘 要】三维激光扫描技术不仅在其测量具有高度精准的优点，而且扫描率高，操作比较灵活，所以可以很好地进行地形地质测量。此项技术在我国的工程事业中做出了很多贡献，节省了不少人力且安全简洁。本文概述了关于三维激光扫描技术的分类及原理，为相关人员提供一些建议性的帮助。

【Abstract】3D laser scanning technique not only has the advantage of high accuracy in the measurement ， but also has high scanning rate and flexible operation， so it can better carry out the topographic and geological survey. This technology has made a lot of contribution in the engineering undertaking of our country， and saved a lot of manpower， and it is safe and simple. In this paper， the classification and principle of 3D laser scanning technology are summarized， so as to provide some constructive help to relevant personnel.

【关键词】三维激光扫描；道路地形测绘；应用

【Keywords】3D laser scanning； road topographic mapping； application

【中图分类号】P225.6 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）05-0114-02

1 引言

地面三维激光扫描技术主要对测绘的数据获取、处理和服务方面进行了一次新的技术突破，它的突破主要体现在GPS空间定位技术。当前的三维激光扫描技术发展迅猛，被普遍应用到大面积的范围，效果也十分显著。在道路的施工验收工作中，它能对被测物体进行全方位的扫描分析，直接可获取到被扫描物体的反射强度和三维坐标以及色彩信息[1]。

2 三维激光扫描技术概述

2.1 技术原理

三维扫描技术利用光源的基础上对被扫描的对象获取其三维坐标、地表信息等做出一个三维场景，通过其独有的GPS定位系统、高精度的测量和测光系统做出一系列的分析。

激光测距传感器是由测距单元、控制和处理单元以及光学机械扫描装置组成的。脉冲式和相位式是常见的两种激光测距。脉冲式激光测距是由激光发射装置发出一束激光到被测实物而反射过来的光线再有激光接收机接收到，而得知地表和激光发射器之间的距离。其公式如下面（1）所示。用传感器发射以及接收波之间的相位差来计算传感器和物体之间的距离是相位式测距。在此以外，要获得传感器具体的空间位置还可以通过系统内部的GPS以及测量区内的GPS基站的差分得出；传感器的状态主要由INS负责记录。

R=1/2Ct （1）

2.2 激光扫描的发展概况

三维激光扫描技术在近些年来愈发壮大，同时在一些测量测绘技术较为发达的国家或相关单位得到了广泛的应用，在我国的一些相关专家的努力下也得到了很多的研究成果。并且在一些比如水利大坝和文物参考保护方面的这些领域也得到了应用。

当前，很多国家的厂商已经生产出不同型号的三维激光扫描仪，它的出现是以三维激光扫描仪（3D layser scanner）的诞生为代表。

三维激光扫描仪可分为三种类型，分别是地面型三维激光扫描仪、车载型三维激光扫描仪和手持型的三维激光扫描仪。地面型的三维激光扫描仪常用于工程道路测量这方面。

2.3 传统的测量技术与其的区别

传统的测量技术由于操作过于简便且容易上手，但是却因为采点的密度不够、容易丢露点位且速度太慢等一些原因在一些比较要求高的工程上就显得蹩脚。而地面三维激光扫描仪是通过激光的测距原理，全自动全方位的高精度步进式測量扫描，以此得到更全面且完整性很高的三维坐标。能在很短的时间内把这些获取到的数据通过电缆传入电脑并获得景象的三维空间，将这些高密度的数据点按顺序排列在三维虚拟空间中，形成坐标图，也就是专业术语“点云”。

点云数据的特点和处理：点云数据，GPS数据，INS数据将由一部高分辨率数码相机采集储存到一套完整的LiDAR系统里。LiDAR数据跟普通的遥感数据的区别在于，它主要获取的三维点云数据是离散的，而这种数据是可以在同一个平面里接触到几个高程值的，能很方便地得知其细节信息和有比较变动大的目标，如电杆、山崖等，但是同时也对地形信息的获取增加了难度。激光雷达数据发出的第一次回波都是入射至物体，最后一次是在地面上反射形成的，它的组成是整个流程里最复杂的，很不方便做出数据处理。而点云数据不但能获取到目标的三维坐标，还能得知激光对地表物体的影响。由于点云数据量比较多，所以对计算机的配置方面有很高的要求。

一般情况下地面LiDAR系统都是扫描仪生产厂商用来处理公司自营产品数据的软件，为更方便地对用户的要求做出相应的改变，可以用这些软件得出的数据转换为别的类型数据比如3DMAX，AutoCAD，Geomagic。当前Cyclone更新到7.0版本后，其内容十分丰富，更是添加了网络发布，可以应用于工程放样，能够很方便地进行数据处理流程，还可以通过Cyclone VIEWER模块处理其他仪器的ASCII，PTS和PTX等格式的数据。

3 三维激光扫描技术的应用

3.1 采集数据

一般情况下会选择比较少的测站，这是为了省去原始数据量过大造成繁杂还有保证获取到数据是精准的。采集的数据主要包括标靶的位置和扫描仪以及测站数。通常会将点云数据和纹理数据的获取同步操作是方便后面数据能有效地匹配完成。因此，要依次逐站扫描，且必须严格按照规定进行选择对应的采样标准。

3.1.1 标靶和控制点的测量和分布

在采集数据的时候，由于三维激光扫描仪与被扫描物体形成的夹角不同，它的空间分辨率也会随之变化，这和扫描仪的测距是有关系的。一条道路的测量往往需要多个测站来完成，就是因为不同的扫描距离和点的精度不同，此外还可能有别的障碍物的影响。为了供点云拼接，需要在每个相连的测站重合的部位设置3个以上且要形成不规则图形的标靶，根据扫描仪的测距，将这些测量数据结合在一块。

3.1.2 对采样的间隔扫描

采样的间隔如果太大就会对后期的数据处理进度带来影响，反之如果采样间隔过小的话，采集到的数据又太多对后期的传输和保存又会造成很多不必要的麻烦。由此可见，对采样间隔的设置是很重要的。

在视力观察良好的情况下，要保证相邻的测站间有点云的重叠区域，建议每站的扫描距离在30～50m之间；若视观条件不适的状况下，要使扫描的目标测量完成，就要选择合适的位置来布置扫描站数，适当的可以增加。

3.2 处理采集的数据

在处理激光雷达点云数据的时候，对于不在同一站点获取的点云数据要严格匹配，其主要有：点石匹配、噪声的消除、分割、坐标的转换、图像的匹配。将其进行目标构模和进行定量分析并归置于一个坐标系内。一般采用的方式有下列几种：

①为进一步的与其他数据同步处理需要在GPS的帮助下，获得各个扫描站点的具体坐标，将获取的点云数据导入，就可以得出比较准确的点云地理位置。噪音数据和点云数据的区别就是在于它是没有规律且不连续比较杂乱的，可利用这一个特点将噪声数据迅速剔除掉。分割点石构建目标模型。作为该地区的地理样貌特征信息资料，要截取到清晰的纹理图像与点石匹配。②若在扫描的时候多次扫到相同的目标，可以对数据进行抽隙处理，是因为采集到的点云数据过多而密集，不易于整理归纳，这种方法叫冗。③点云拼接的过程是结合在每个测站得到的数据通过设置在测站周围的标靶联合拼在一起。点云拼接好后，可以利用布置好且测量正确的三维坐标，将其纳入到我们使用的平面直角坐标系里。④处理后的点云数据，在生成等高线的过程中，点云数据会排除一些非地貌影响的因素后并根据测绘的详细进度做出相应的变动。在地形测绘的时候若点位过于密集且分布不均匀的話那么地面的详细信息则不可用三维激光扫描。有些较为烦琐的细节信息会导致等高线混乱，而这种情况是因为采用了扫描点构造三角网追踪等值线。⑤对造成等高线残缺、变形或者不完整的情况，可以进行手动修复点云的数据，参考照片的时候标记好高程，形成轮廓后对其进行局部的修改。这种情况的发生多是在编辑地形图的时候，将等高线的图形和地面物体的图形重叠在了一起编辑，而有些部分的物体数据的删除后就会引起这种情况。

4 结语

三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法是具有高效率、高精准等优点，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命，很大程度上帮助完善了测绘工作，使测绘工作的开展进一步扩展提升，相关数据采集较为完整。

【参考文献】

【1】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.