三维激光扫描技术在市政道路工程中的应用

2021-03-18王致民

运输经理世界 2021年4期

王致民

（福建省121地质大队，福建龙岩364000)

1 三维激光扫描技术概述

现阶段，三维激光扫描技术正呈现出快速发展的态势，应用三维激光扫描技术可以有效将周围较大面积内的数据信息进行有效采集，并将这些数据经过处理之后生成三维空间坐标数据，最后达成测量工作精准程度有效提升的目标。测角系统和高精度的激光测距系统是三维激光扫描系统的两个主要组成部分。高精度的激光测距系统能够以激光信号发射出去与信号反射回到测距系统中的这段时间作为依据，将被测物体和三维激光扫描仪之间的距离精准的计算出来，与此同时，测角系统能够将每一个激光信号的纵向角和横向角精准地记录下来，最终再通过扫描控制系统将每一个激光信号反射点的三维坐标精准计算出来。三维激光扫描仪通过扫描所获取到的数据是全离散的点，也就是点云。点云数据既囊括了X、Y、Z的值，也涵盖了R、G、B的值，此外，还包含了反射强度的数值。下图1是三维激光扫描仪的原理。

在应用三维激光扫描技术的过程中，为了测量点生成的三维坐标可以具备足够的准确性，测量人员在开展工作时，首要环节就是将被测量点与测量工具之间的距离确定下来。此外，在实际进行测量时，相关人员应当明确一点内容：在测量同一个点时，所使用到的测量距离的手段不一样，测量的准确程度自然存在差异。基于此，负责测量的人员就应当对三维激光扫描技术的原理有一个系统的认知，从而在开展测量工作时能够选择一个最恰当的测距方式，这可以有效提升测量工作的精准程度。

2 三维激光扫描技术在市政道路工程中的应用

2.1 市政道路工程地形图测绘

当前，市政道路工程地形测绘图中，正在大范围地应用三维激光扫描技术。通常情况下，由于交通条件复杂、车流量较大以及行人数量过多等因素的制约，市政道路工程的测绘工作在开展的过程中往往会存在一定的困难。虽然负责测绘的人员可以深入实地展开道路地形图的测绘工作，但实际上，这项工作的开展会对测绘人员的人身安全带来较大的威胁。在市政道路工程中应用三维激光扫描技术，就可以发挥出良好的作用，与传统的测绘方式相比，该技术无须测绘人员进入到实地展开测绘，就可以实现市政道路地形的测量以及地形图的绘制工作，并且效果甚佳。因此，应用三维激光扫描技术能够降低测绘人员开展工作时的压力，为他们的人身安全提供了保障，并且该项技术的应用还减少了投入到市场道路地形图测绘工作中的人力资源，节约了人力成本。在市政道路工程中应用三维激光技术时，其主要需要经历三个最基本的步骤，首先，获取数据信息，这需要应用三维激光技术对相应的路段进行测量；其次，当获取所需的信息后，还要对其进行系统的分析与处理；最后，提取具体的地物地貌，从而绘制出精准程度较高的道路地形图。

2.2 市政道路工程等高线生成

在市政道路工程中应用三维激光扫描技术还能够帮助其生成等高线。具体来说，应用该项技术能够将一些不会产生太大影响的植被或者是建筑物等地表物体从原有的地形图中去除，从而生成等高线。通常情况下，以往市政道路工程中等高线的生成一般是依靠人力手动去除或者是依靠相关设备自动去除无关紧要的地表物体，再完成地貌图的绘制。之后，在计算数据的工作完成之后，将得到的数据上传至处理单元中进行细致的分析与处理，重复多次地完成这些程序，就能够构建出一个不规则的三角网，并以此为基础完成等高线的生成。相比于这种等高线绘制的方法，应用三维激光扫描技术不仅有着更高的精准度，并且整体操作的步骤较少，因此，工作量更少，工作效率也显著提升。此外，三维激光扫描技术生成的地形地貌图更加清晰精准[1]。

2.3 市政道路工程变形监测

市政道路工程的变形监测中也可以应用三维激光扫描技术，该技术可以实现科学的市政道路三维数据模型的建立，同时还可以每隔一段时间就将需要测量的路段进行细致的扫描，最终得到相对全面的点云数据。再借助三维激光扫描仪的内部处理器，能够将获取到的点云数据信息导入到Geomagicstudio软件中，利用这个软件，就能够建立起一个更加直观的三维数据模型，从而实现采集、处理以及评估数据的高效化。在采集数据时，需要将三维激光扫描仪放在被监测的市政道路附近的合理范围内，最重要的是要避免测量的视野过于狭窄，这对于测量工作的精准程度会带来不利的影响。

3 三维激光扫描技术在市政道路工程中的应用案例

3.1 工程概况

以某道路为例，对市政道路工程中应用三维激光扫描技术进行分析。该道路需要进行较大规模的返修，在返修之前，需要对其地形现有的状况进行细致的测量，从而掌握该道路竖直方向和水平方向上的具体情况。该道路位于机场附近，所以交通状况比较繁忙，并且周围还分布着较多的市政附属设施，这对于市政人员深入到实地进行测绘带来了一定的挑战，因此，采用传统的人工测绘方式并不可行。一方面测绘工作可能要经历较长的时间，另一方面，测绘人员的安全还面临着一定的风险。因此，在经过商讨之后，决定应用三维激光扫描仪来完成市政道路工程的测绘工作。

3.2 数据采集与处理

在该市政道路工程中，应用到的三维激光扫描仪是Leica（徕卡）公司生产的P40三维激光扫描仪，如图2所示。该扫描仪具备较强的稳定性，并且性能优越，同时拥有HDR图形技术、WFD波形数字化技术以及精准度极高的测距测角技术，并且，其测量的有效范围能够达到270m，因此，许多扫描任务都可以应用该扫描仪，并且能够取得较好的效果。

在实际开展测量工作之前，控制点的布设要严格遵守相关的技术标准，并在控制点位置安置扫描仪，进而完成扫描工作。利用常规的控制测量手段能够有效完成控制测量的工作，并在被测量的道路沿线设置控制点，该项工作的完成是利用水准仪以及GPS全球定位系统。在利用扫描仪扫描被测量的道路沿线时，可以在相邻的测站之间布设公共靶标，这能够在点云拼接中发挥作用。在扫描工作完成之后就可以将相关的数据信息导入到Cyclone软件中进行处理，完成点云拼接和坐标系的转换，并以里程桩号作为依据，将点云进行切片，从而获得断面图像。最后，通过全站仪全面检查断面点高层以及地物点高层。

3.3 点云拼接与去噪

在点云拼接与去噪方面，应当沿着该道路的走向设置若干个测量站，再利用扫描仪进行扫描。与此同时，还要在测站之间设置三个以上的标靶，之后再合理利用提前设置好的控制点和测站之间的相同称号的标靶，使所有的测站点云数据导入到该道路所在城市的坐标系中，就能够获得一份点云效果图。通过对其进行分析可知，此次点云拼接存在的误差仅为1.4cm，通过去噪之后，点云拼接效果会更优良[2]。