三维激光扫描技术在道路测绘中的应用

卫长安

（长治职业技术学院信息工程系 山西省长治市 046000）

改革开放四十多年，国家社会经济建设持续高速发展，人们的生活质量全面优化。在人们对出行有更高质量要求背景下，道路测绘是保证道路施工质量和安全可靠使用的关键技术。三维激光扫描技术作为新型技术在深度扫描、全方位扫描等方面的优势能促进道路测绘精度和效率得到进一步提升。本文探讨三维激光扫描技术构建三维实体模型的数据优势。针对道路测绘应用的需要，结合具体实例提出了三维激光扫描技术应用于道路测绘的具体流程和要求。

1 三维激光扫描技术概述

1.1 三维激光扫描技术

在上世纪九十年代中末期，激光技术、信息技术研究领域快速发展背景下，三维激光扫描技术作为新型技术代表实现了再次技术新突破，在多行业受到欢迎。该技术主要是基于高速激光扫描对需要测量物体进行表面全覆盖、数据高分辨率的详细采集，快速采集大量空间点位信息能包括测量对象的所有细节数据，并依据此信息数据生产详细的三维数据影像模型。该技术最大优势体现在采集数据快速，不需要接触测量对象，实时动态进行数据采集，数据密度、精度高，信息采集和分享过程自动化、数字化水平高等特点，该技术的全面推广应用会在现实社会实践中再次实现类似GPS技术的应用革命。

1.2 三维激光扫描技术分类

三维激光扫描技术基于测距原理可以分为：

（1）脉冲式三维激光扫描技术。测距精度不高，但范围较广，能对数百米到上千米的范围进行测距扫描。该技术在室内外环境广泛应用，如室外对地形地貌和矿山资源进行监测，在公路施工、建筑施工、隧道施工中使用，监测江河湖海对堤坝和码头的侵蚀、工程边坡变形和滑坡情况、对历史文化遗址构建三维数字化模型等。

（2）相位式三维激光扫描技术。该技术对百米范围内的测距对象具有毫米量级的测量精度，常用于室内测量或者是距离适中的室外测量。在室内测量应用于数字工程模拟、交通事故现场模拟，轨道和隧道的测量扫描等，高密度的点云会有效提高数字化模型精度。

（3）光学三角式三维激光扫描技术。使用测量范围在几米至几十米的范围，特点是测量数据信息完整度高，精度为亚毫米量级，在工业测量的逆向重建等测量精度要求高的领域有很好应用。

三维激光扫描技术依据扫描系统和空间位置进行分类为：

（1）机载系统。主要是利用飞机的固定翼作激光扫描系统仪器的安装平台，利用实时动态GPS等系统和扫描仪配合，能实现对地面的高精度、高分辨率、高准确度的测量。三维激光以20-40度的光束角度对地面进行扫描，在反射镜完成回波数据接收后，利用惯导系统分析飞机的飞行姿态，完成空对地的三维扫描，从而测出目标点的距离基于集合数学原理计算得出目标点的三维坐标参数。

（2）地面系统。一般有移动是和固定式两种，三维激光扫描系统的基本组成设备相同。一般移动式系统采用的是汽车作为扫描系统平台，固定式系统只能在固定位置进行目标点的数据采集，为数据三维建模提供信息资料。

（3）手持系统。该系统三维激光扫描设备的体积小巧轻便，能在很短时间准确测量目标体的长度、面积等各类参数，是应用范围较广的方便快捷激光测距系统，目前在液面、洞穴和工程建设施工等应用中有很好的应用。

2 三维激光扫描技术数据应用原理

2.1 三维激光扫描系统运行原理

三维激光扫描技术的应用需要一个系统运行平台支撑，主要包括车载和机载等三维激光扫描仪。在以飞机、无人机作为三维激光扫描仪的安装载体时，会系统配置扫描系统、彩色CCD相机和GPS、INS系统。机载运行平台通过GPS、INS系统进行飞行姿态参数定位测量，指挥飞机沿着设定的航线进行纵向扫描，同时启动扫描镜，从横向进行同步扫描。在基础扫描完成之后，会利用彩色CCD相机采集扫描区域的影像图，收集测距数据、GPS坐标等影响资料。机载运行平台的三维激光扫描对于大范围地形地貌的信息采集和数据模型构建有着领先地位。车载三维激光扫描系统和机载系统的组成部分基本相同，只是利用汽车作为系统运行的载体，启恒前进方向作为运动维度进行数据扫描，同时垂直于汽车的运行方向进行二位数据扫描，基于GPS系统采集汽车运行的坐标参数。该系统主要适应公路道路的测量需要，能快速动态进行目标测量，主要应用于道路的变形检测、安全分析和质量检测、日常维护等工作。地面三维激光扫描技术主要是利用高精度激光测距设备、反射棱镜等组成，系统平台包括计时系统、彩色CCD相机等仪器系统。常见的地面激光扫描仪是采用定点和移动时两种方式进行工作。在具有测距工作原理进行扫描时，主要工作方法是利用相位差、脉冲和光学三角法进行测距。在工业和考古领域目前主要采用相位差测距扫描，利用光学干涉的工作原理进行激光扫描，速度快而精度比较高。在建筑施工、地形检测等室外测量工作中，利用脉冲式测距的激光扫描仪进行工作，测距的范围大，受外界光线影响小，但扫描速度不高。在医学手术和整形矫正等领域进行的三维激光扫描技术，是利用立体相机和结构化光源建立光线立体投影进行测量，测量的范围比较小但精度高。

2.2 三维激光扫描数据处理流程

三维激光扫描技术是利用大量的点云数据生成数字化三维模型。在数据采集过程中，扫描数据往往包含大量信息散乱的点云数据，这些散乱信息会携带不需要的干扰内容，导致数据模型生成受到随机噪声影响。因此三维激光扫描获取的点云原始数据必须经过预处理才能使用于后续的数据分析过程。地面三维激光扫描数据进行处理的主要流程是：首先对采集的点云数据进行筛选和去噪处理，汇总配准多站点采集的三维数据，利用三维数据构建数字化模型，对三维激光扫描和摄影测量采集的各类数据进行集成化处理，对三维激光集成数据和其他遥感测量数据进行交叉整合。对于以构建数字模型为目标的数据应用，要采用科学方法对采集的所有测量数据进行识别、筛选和矫正，从而得到和真实场景最契合的三维数据模型。对扫描数据的预处理是三维激光数据处理的重要环节，目前主要是在点云数据上进行操作。操作流程：一是进行坐标纠正。对点云数据的坐标采用智能算法进行配准，让激光扫描采集的数据结果处于相同坐标系统中。二是对数据进行精简。对于比较密集的点云数据，在不改变目标物体原有特点下进行数据的消减密集处理，采用的是保留边界、均匀网格等数据压缩算法实现，要在保证数据质量的同时提高数据缩减的效率。三是对数据进行滤波。采用高斯滤波等算法对数据噪点进行去噪处理，主要是通过降低数据的噪声点来提高三维数字模型的精度。四是明确地理参考坐标，就是将三维激光采集扫描数据转化到需要的研究坐标内。五是进行数据有效分割，就是要采用子集的方式对扫描得到的点云数据进行特点归类划分，是基于分割算法来实现每个子集区域只包括指定自然曲面上的扫描点。六是进行数据分类，明确每个点云子集所属于的曲面及其类型。七是进行曲面拟合和网格构建。在利用集合方法确定不同点云子集的数学表达基础上，利用点云数据构建三角网来让模型更加真实再现物体的表面情况。八是纹理细节处理。就是利用图像来替代物体模型中的一些细节，从而提高数字模型的逼真程度，实现模型的可视化显示。

3 三维激光扫描技术应用于道路测量的工作流程

3.1 采集道路工程项目的作业数据

利用三维激光扫描技术对道路需要测绘的路段开展作业数据的采集、整理和归纳之后，才能设定道路作业的测绘地点和位置等参数。在进行平面测绘时，利用GPS技术对需要测量的对象进行目标点准确定位。对测量目标点进行全面扫描，详细掌握每个目标点的高程。在外业测量时，需要全部完成目标点的测量之后进行目标点实际地理空间坐标和点位的标注。这些数据的核对和标注过程，都是对采集到的数据信息进行整理的过程。为提高三维激光扫描道路测量的数据精度和处理精度，要将需要测量的每个目标点之间距离进行科学合理设置，避免距离设置不合理导致数据采集不全面的问题，避免两点之间距离过近增加数据资料处理难度。在实际操作中，也要考虑利用少量数据信息的重叠采集方法，提高激光扫描数据采集的准确性。

3.2 处理道路工程项目的作业数据

在三维激光信息扫描系统完成对道路工程作业数据采集后，要进行数据的高质高效处理，特别要注重提高数据处理的系统性和全面性。主要步骤如下：

（1）处理点云数据。在道路数据信息采集完成之后，需要对采集的海量数据、零散数据进行整理和处理。首先要把每个数据资料基于一定的原则科学放置于统一坐标系，并同时完成相对比较完整的基础三维坐标系。对一些重叠部位的数据进行合理化处理，避免点位数据过于庞大影响数据传输过程的精确度和准确性。要借助先进的测绘技术来实现采集数据坐标和地理坐标的转化，将采集的各类标注信息和实际测量的空间信息共同构建丰富的坐标系统，为掌握道路情况提供更加全面完善的信息资料。

（2）去除数据噪点。为避免点云数据噪点对坐标系精度的影响，要进行数据去噪处理。基于数据滤波的原理，将三维激光扫描设备和计算机连接之后，利用专门软件进行数据噪点处理。在点云数据过于密集的情况下，可以采用抽隙处理的方法，保证目标点之间的距离处于合理规范的区域，便于对数据的集成化处理。

（3）构建道路平面图。在完成点云数据处理形成空间数据模型之后，继续对数据信息进行优化处理，基于测绘等高线来绘制道路平面图。在道路平面图中，利用横纵线明确道路的中线位置，这样便于后续道路工程项目土方计算等多种概预算工作，能对施工方案的优化改进提供辅助设计参考。

4 三维激光扫描技术在道路测绘中的实例

4.1 在高速公路测绘中的应用

T段高速公路投入运行时间近二十年，在公路车辆数量、运输车吨位大幅度增加的情况下，导致路面被压坏出现大面积破损现象，需要对破损的路段进行修整，以保证道路的安全通行。在道路进行施工中，利用三维激光扫描技术来测绘道路的真实损坏情况，需要测绘部门提供以10米为间隔的道路横纵断面图。该高速公路是所在地区的主要运输通道，不能进行封闭测绘，避免影响正常通行。因此选用具有间隔测量的技术优势的三维激光扫描技术。

在道路实际测绘作业中，首先明确高速公路护栏外的情况，对出现损坏的路段设置位于护栏外的测绘点，安装激光扫描设备，之后对激光扫描数据得到的数据资料利用计算机三维软件进行拼接处理。在进行数据资料拼接中控制精度在7毫米内，点云数据的拼接精度在9毫米以内，这样能有效提高数据处理之后生成的三维模型精度。要将高速公路的隔离带、绿化带、紧急车道等都绘制在三维模型中。最后基于生成的三维模型，在计算机中利用专业软件绘制出需要的纵横断面平面图。通过对比研究发现，传统测绘方式和三维激光扫描技术测绘的数据误差小于1毫米。但三维激光扫描技术具有测绘工作时间短，操作便捷，对道路的正常使用没有任何影响等良好的应有优势。

4.2 山区道路地形图的测绘应用

318国道在经过山区和丘陵区的路段，需要对100公里道路中线两侧各五百米的区域测绘制作地形图，比例尺为1/500。如果采用传统的测绘方式，测绘人员需要实地进行测量，对于道路测区起伏较大的地形环境，需要付出大量人力、物力和财力。此次测试中最后选用车载三维激光扫描作业，通过车载三维激光扫描采集到的点云数据进行地形图的拼接，最终取得了标靶拼接误差小于1厘米的地形图。

本文通过对三维激光扫描技术的工作原理、流程和实例分析发现，该技术能借助无接触、高精度等测量优势，实现对道路三维模型的高准确度绘制，有效提高了道路测绘的精度和效率。