三维激光扫描技术在道路测绘中的应用研究

余磊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

在我国现代化的城市建设中，道路建设的重要性逐渐显现出来，道路是推动交通运输业进步的基础设施，同时也是人们日常出行的重要保障，只有不断完善道路建设技术，延长道路使用寿命，才能推动和谐社会的建设。三维激光扫描技术能够应用于道路测绘当中，全面优化道路测绘手段，构建现代化的测绘工作体系。在实践当中，三维激光既能够帮助道路工程设计人员构建道路平面图，推动施工方案的优化，还可以检查道路病害，提高道路病害维修的针对性。

1 三维激光扫描技术概述

1.1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术的原理是应用高速激光对被测对象实施全覆盖、大面积的扫描，以此来获得三维坐标数据，数据的分辨率较高，工作人员可以将数据传输到专业的软件中，绘制出模型。在三维激光扫描技术中，扫描设备可以获得目标物体的线、面、体、空间，这些三维数据是三维模型构建的基础。针对地面三维激光扫描系统而言，扫描仪、电源供应系统、控制器是整个系统的关键部分，在应用过程中，三维激光扫描能够形成独立的坐标系统，获得精准的数据。

近些年来，我国很多专家学者都对三维激光扫描技术进行研究，取得了丰富的研究成果，这种新型技术的应用范围也越来越广。目前，很多国家已经生产出不同型号的三维激光扫描仪，这些扫描仪能够广泛应用于道路测绘、地形测绘、水利大坝测绘、文物保护等方面，对城市规划建设、自然灾害调查、土木工程具有较大帮助。

1.2 三维激光扫描技术的分类

按测距原理划分，三维激光扫描技术可以分为光学三角式三维激光扫描技术、脉冲式三维激光扫描技术、相位式三维激光扫描技术。其中，光学三角式三维激光扫描技术主要应用在几米到几十米的范围内，脉冲式三维激光扫描技术能够在几百米到上千米的范围内进行测距扫描，相位式三维激光扫描技术主要应用于百米范围内的测距，测量精度为毫米量级。

按照扫描系统和空间位置，三维激光扫描技术可以分为机载系统、地面系统和手持系统。其中，机载系统将飞机的固定翼作为仪器的安装平台，能够对地面进行高分辨率、高精度的测量。地面系统包含固定式、移动式两种，固定式是指固定在某个位置，进行目标点的数据采集，移动式是指将汽车作为扫描系统平台。手持系统中的三维激光扫描设备体积小巧，能够在短时间内准确测量被测物体的各项参数，在工程建设施工等领域应用广泛。

2 三维激光扫描技术的应用优势

2.1 测绘精度高

在道路工程建设中，传统的测绘方法和测绘技术已经无法满足道路工程的建设需求，以往的测绘技术在准确性上存在较大缺陷，三维激光扫描技术的应用是道路测绘的新方向。

目前，随着我国道路交通运输压力的增大，很多道路出现了裂缝、松散等病害，为更好地处理道路病害，测绘部门可以应用三维激光扫描技术，对道路的病害进行扫描。在使用该技术时，工作人员只需截取一小段路程，进行扫描测试，就能够获得道路病害的相关数据，工作精度较高，扫描误差较小。总而言之，三维激光扫描技术是一种全新的道路测绘手段，能够广泛应用于道路测绘中，在我国测绘领域获得了快速发展。

2.2 工作速度快

在以往传统的道路工程测绘中，测绘人员工作强度大、工作风险较高，整体的测绘效率较低。通过引入三维激光扫描技术，工作人员可以充分利用现代高新技术，进一步提高道路工程测绘速度。在应用这项技术时，工作人员只需经过简单的培训，就能够熟练操作激光扫描技术的相关仪器，工作压力能够得到有效缓解。通过应用三维激光扫描技术，工作人员无需接触测量对象，就能够实现动态化的数据采集，信息采集过程和分享过程都具有较高的自动化和数字化特点。在山区道路测绘中，工作人员可以运用车载三维激光扫描技术，对数据进行采集，无需开展实地测量，就能够获得误差较小的地形图，绘制出高精准度的三维模型，全面提高山区道路地形图的测绘效率。目前，三维激光扫描技术已经广泛应用于测绘领域，有效减少了测绘工作的人力和物力投入，提高了测绘工作效率，同时提高了测绘工作的安全性。

3 三维激光扫描技术在道路测绘中的应用分析

3.1 采集道路工程项目的测绘数据

3.1.1 标靶与控制点布设及测量

在道路工程项目的数据采集中，三维激光扫描仪的测程有限，影响空间分辨率的因素较多。在道路测绘中，有些道路存在一些障碍物，比如山体，激光无法穿越这类障碍物。为解决这些问题，一条道路通常需要设置多个测站，为了实现测量数据拼接，工作人员需要结合具体的测量需求，布设标靶，为点云拼接奠定基础。标靶能够将所有测站的数据连接为一个整体，是数据采集的基础。在实践当中，为测量控制点的平面坐标，工作人员可以应用全站仪进行测量。

3.1.2 确定采样间隔开始扫描

采样间隔的疏密会直接影响测量的精度，对后期数据处理的误差产生影响，工作人员需要结合实际情况科学确定采样的间隔，确保扫描作业顺利开展。一般情况下，如果采样间隔过大，数据处理精度会受到限制，如果采样间隔过小，采集到的点云数据量过于庞大，数据的复杂程度较高，数据处理的难度也会大幅度提升。因此，确定采样间隔是数据采集的关键，在采样过程中，采样点的分布被称作“点云”。

3.2 对道路工程项目数据进行处理

经过前期的道路工程项目数据采集，仪器扫描到的三维点云数据量较大，有用数据和无用数据同时存在，要想充分发挥数据信息的作用，就要对这些数据进行处理。

3.2.1 数据滤波、抽隙

在道路工程项目的数据采集中，三维激光扫描仪会受到道路当中车辆、行人等因素的影响，采集大量的无用数据，此时就需要通过数据滤波手段，对这些无用数据进行剔除。无用数据被称为噪声数据，噪声数据是无规律的，具有杂乱而稀疏的特点，数据滤波能够依靠噪声数据的特征将其剔除，使有用数据保留下来。除此之外，在前期的数据采集中，点云数据有可能存在过于密集的问题，这种情况可以对数据进行抽隙处理。

3.2.2 点云拼接

在前期的数据采集中，工作人员设计了不规则的标靶，点云拼接能够将各个测站扫描到的点云数据进行拼接。在此之前，工作人员已经对控制点的三维坐标进行了布设和测量，能够将拼接后的点云纳入平面直角坐标系中。

3.2.3 平面虚拟测量

点云数据是三维信息的点位组成的，在数据处理中，工作人员还需要结合相机拍摄的彩色影像，保证道路边缘和角落的信息完整。通过利用自动化的软件平台，工作人员能够科学处理获取的点云数据，结合影像信息，对车站、灯杆、道路边线、中央隔离带、过街天桥等重要信息进行描述，最终构建出地形图。

3.2.4 建立模型

在点云数据经过处理之后，工作人员可以将抽隙处理后的数据作为原始数据，运用Microstation 和Geopak 软件，自动生成三角网模型，然后设计出纵横断面图形，如图1所示。

图1 数据采集与数据处理的主要流程

4 道路测绘中应用三维激光扫描技术的工作流程

4.1 完成现场资料准备

在道路测绘中，要想充分发挥三维激光扫描技术的应用价值，彻底打破传统测绘技术的束缚，工作人员需要全面做好前期的准备工作。在道路测绘开展之前，工作人员首先需要完成系统化的信息收集工作，掌握道路的车载流量，充分了解现场的实际情况，把握周围环境对道路工程的影响，为测绘工程奠定坚实基础。一般情况下，道路的测绘是一个长期工作，如果仪器设备在测绘工作开展中出现问题，就会直接影响工作效率。针对这种情况，相关单位需要聘请专业的仪器维护人员，一旦仪器出现问题，就要第一时间进行保养和维修，确保工作进度。除了完成现场勘察和机器设备准备之外，工作人员还需要准备好相关的计算机软硬件，将获得的信息和数据在第一时间传输到计算机软件中，利用硬件设备和软件设备进行信息存储，避免出现信息丢失等问题。

4.2 开展人员培训工作

在道路测绘工作中，工作人员的技术素养、职业道德、工作经验等会直接影响测绘工作的开展效果，为全面提高道路测绘工作的开展水平，有关单位需要高度重视道路测绘人员的培训工作。在实践中，道路测绘工作经常遇到恶劣的自然天气，工作时间段较长，有时还会在荒野地段、山丘等地点开展道路测绘，因此，工作人员必须经过严格的野外培训，防止在道路测绘工作中出现身体不适的情况。野外培训工作完成之后，工作人员还需要认真学习道路测绘的相关技术规范和仪器设备的使用方法，确保团队中每个工作人员都能独立进行仪器设备的操作，这样才能避免测绘工作中出现意外。

4.3 现场勘测与布控

在道路测绘工作正式开展之前，工作人员要全面了解现场的环境，制定出现场环境勘探计划，对现场的地形地貌、路面完整情况、车辆运行情况等进行调查，为后期的测绘工作奠定基础。在完成现场勘测之后，工作人员还需要进一步检查GPS 信号，确保自身的安全。在现场布控工作中，工作人员需要把握好控制点的间距，利用水准仪测量出三维控制点坐标。

4.4 仪器架设

在道路测绘工作中，开展现场测量工作首先需要完成仪器架设，仪器的数量需要结合道路工程现场的实际情况进行选择，确保仪器的精准度。在道路测量中，一旦仪器出现问题，工作人员就需要对仪器进行更换。在仪器架设中，工作人员需要结合道路测绘的现实需求，科学调节仪器架设的高度，增大扫描仪的有效测程，进一步提高数据的有效性，同时提高数据采集的精确度。

5 三维激光扫描技术应用于道路测绘中的注意事项

5.1 收集天气预报数据

在道路测绘工作中，外界的自然环境会对测绘工作的开展产生重要影响，如果遇到极端恶劣天气，现场测量工作就会受到阻碍，严重的还会引起人员伤亡。因此，在应用三维激光扫描技术开展道路测绘时，测绘部门需要高度重视自然环境的调查，在测绘工作开展前收集天气预报数据，提前做好测绘方案，减少外界天气因素对测绘工作的影响。

5.2 熟悉作业环境

除了收集天气预报数据之外，测绘工作人员还需要加强对野外作业环境的了解，针对坑塘、暗井、悬崖、水沟、沼泽、草地等特殊的野外环境，工作人员需要时刻保持警惕。有些工作区域在高山或者林区，针对这些工作地点，测绘人员需要随身携带安全防护用品，还要掌握自救、互救的方法，与测站保持联系。总而言之，在使用三维激光扫描技术时，工作人员需要高度重视作业区域的环境，充分发挥三维激光扫描技术的优势。

5.3 避免仪器磕碰

在三维激光扫描技术的应用中，测绘仪器设备的精准度非常关键，目前，道路测绘常用的仪器是扫描全站仪，这种仪器设备非常精密，工作人员必须要对仪器进行保护，在存储、搬运和使用的过程中杜绝磕碰，避免扫描全站仪出现精度不准确的情况。

6 结语

在以往传统的道路测绘中，测绘部门需要投入大量的人力资源和物力资源，工作人员的体力劳动强度较大。三维激光扫描技术具有采集过程简单、扫描速度快等特点，通过引入该技术，测绘工作人员能够获取高精度、高密度的目标空间信息，全面提高数据处理效率。在道路测绘工作中，工作人员可以应用三维激光扫描技术，完成数据采集和数据处理工作，按照准备现场资料、学习仪器设备、完成现场勘测与布控、架设仪器等工作流程，做好道路测绘工作。目前，三维激光扫描技术已经广泛应用于道路测绘中，工作人员需要在实践中做好现场勘查，避免仪器磕碰，这样才能完成道路测绘目标。