应用三维激光扫描技术的某道路大修工程测量研究

单学雷

摘要：该文从市政道路大修工程对测绘的需求出发，探讨了三维激光扫描技术在市政道路工程测量中的外业作业方法及内业成图方法。结果表明，与传统地形测量手段相比，三维激光扫描技术可以快速获取海量点云数据，极大地提高了外业测量工作效率，降低外业测量工作的强度，将工作重点转移到内业。另外，该文通过将扫描仪测图与全站仪测图成果进行对比分析，发现三维激光扫描仪的精度完全可以满足地形图测绘的要求。

关键词：三维激光扫描  道路工程  外业扫描  内业处理

中图分类号：P225.2;TU198   文献标识码：A

Research on a Road Overhaul Engineering Survey by Using 3D Laser Scanning Technology

SHAN Xuelei

（Beijing Jiucheng Surveying and Mapping Technology Co.， Ltd.， Beijing， 101300 China）

Abstract： Staring from the requirements of surveying and mapping in municipal road overhaul engineering， this paper discusses the field operation method and internal mapping method of 3D laser scanning technology in municipal road engineering surveying. Results show that compared with traditional topographic survey methods， 3D laser scanning technology can quickly obtain massive point cloud data， which greatly improves the work efficiency of field survey， reduces the intensity of field survey work， and shifts the focus of work to the internal work. In addition， through the comparative analysis of the mapping results of the scanner and those of the total station， it is found that the accuracy of 3D laser scanner can fully meet the requirements of topographic mapping.

Key Words： 3D laser scanning; Road engineering; Field scanning; Internal processing

道路縱横断面是道路方案设计的基础资料，纵断面可以反映中线上地面起伏情况，横断面可以反映垂直中线方向的起伏情况。通常相关工作者使用全站仪、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）和水准仪来测量道路断面，但是这些测量方法是单点接触式测量，工作速度很慢，数据的密度低，无法准确反映地面的上升和下降[1]。对于某些地形复杂且波动较大的地区，传统测量方法存在很大缺陷。三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项新技术，也被称为实景复制技术。它可以完全、高精度地重建被扫描物体的空间形状，无须接触被测物体，即可获得空间物体精确的三维位置、颜色、纹理信息，真正实现了高度精确的非接触式测量。

在勘测人员难以测量的危险地段，三维激光扫描技术可以高精度地采集目标物体的表面点云信息；通过海量点云数据来模拟目标物体表面信息特点，可以细致地描述目标物体特征。三维激光扫描技术进行扫描测量时不受光强限制，因此可以全天候工作；获取的数据信息为点云形式，因此能够直接用来对目标对象表面进行建模[2]。将三维激光扫描技术引入道路工程测量领域，将极大地推进其测量水平的进步。该文主要以市政道路工程为例，对市政道路工程勘察中三维激光扫描技术的现场操作方法和内业制图方法进行探讨。

1 市政道路工程的分类及对测绘内容的要求

市政道路工程主要分为道路新建及道路大修两大类。新建道路设计阶段需要测绘部门测绘设计线路的1/500或1/1000大比例尺地形图，供设计单位使用。施工中线确定后，要测绘对应设计中线各桩点的横断面数据及中线纵断面数据。大比例尺地形图不仅作为设计选线依据，还要反映道路施工范围内的地物、地形、地貌，供拆迁单位统计拆迁量及拆迁赔偿使用[3]。

道路大修工程是指原有道路因路面开裂、破损、出现车辙以及公交车站及港湾、交通标志需重新规划等情况需要重新加铺改造的工程，这种工程除了需测绘大比例尺现状地形图机总横断面测量以外，还有一个特点就是对地面上所有交通设施，都要准确地在地形图中表示出来。为准确确定加铺量，设计人对图面高程密度要求很高，需要每10 m测一组高程，路口往往需要测量5 m高程方格网。

2 三维激光扫描技术简介

Leica公司的P40三维激光扫描仪完美融合了高精的测距测角技术、WFD波形数字化技术、Mixed Pixels技术和HDR图像技术，使得该仪器具有更高的性能和稳定性，扫描距离可以到达270 m，满足各种扫描任务的要求[4]。

3 技术方案设计

技术方案主要包含控制测量、外业扫描、点云拼接与去噪、地形图绘制、纵横断面绘制等步骤。

3.1 外业扫描方案

3.1.1 控制测量

为了将扫描数据统一到城市坐标系下，需沿道路中线均匀布设控制点。平面控制测量采用上海虚拟参考站技术布设，根据《卫星定位城市测量技术规范》（CJJT73-2010）中一级GNSS点的技术标准实施。高程控制测量采用《工程测量规范》（GB50026-2001）中四等水准测量技术标准实施[5]。

3.1.2 设站扫描

沿着道路中线设站扫描，在控制点架设扫描仪对中整平并量取仪器高，设定好扫描参数后开始扫描。对于没有控制点的区域采用自由设站通过标靶配准的方式，从而保证了作业效率及数据的精度。点云数据的获取流程如图1所示。

3.2 内业处理方案

内业处理方案如图2所示[6]。

4 道路工程案例分析

4.1 工程概况

某条道路进行大修，根据设计专业提供的测量要求需提供1∶500数字地形图、道路纵横断面等，由于现场车流量较大，地形地物复杂，项目工期较紧，综合考虑后决定采取Leica-P40三维激光扫描仪进行外业扫描，内业结合Cyclone及CAD等软件进行地形图、纵横断面绘制。

4.2 外业扫描

扫描沿线布设有控制点，在控制点上设站扫描将扫描坐标系转换至已知坐标系下。此次外业共扫描10站，扫描线路350 m，扫描测站沿线路均匀分布。

4.3 点云拼接及道路点云提取

外业扫描结束后，将点云数据及控制点导入Cyclone中，点云拼接具体实现采用控制点拼接和标靶拼接，拼接完成后对点云进行去噪，剔除周边冗余点云只留下道路点云。道路点云模型如图3所示。

此次拼接最大拼接误差为1.4 cm，多数误差在1 cm以内，拼接精度可以满足该工程的需要。

4.4 地形图绘制

利用拼接點云在Cyclone和CAD软件中绘制道路1∶500地形图及道路纵横断面。也可以直接提取地形地物点及纵横断面数据以TXT格式导出，在CAD软件中按照传统方式绘制地形图及纵横断面。为了提高绘图效率，这里综合使用Cyclone和CAD软件绘制地形图，然后将设计提供中线导入点云中，利用Cyclone切片功能按照中线桩号对拼接后点云进行切片获取纵横断面数据，见图4。

4.5 精度评定

根据项目要求，该工程需提供1∶500地形图及道路纵横断面成果，为了验证地形地物点及纵横断面的精度，这里对地形图部分地物点（如窨井、房角点等）的平面位置精度、高程精度断面点的高程精度进行验证。使用全站仪和水准仪采集特征地物点，采集21点地物点高程，20点纵断面点高程，在拼接后点云中提取对应点平面及高程值进行精度分析。

经过整理计算，地物检查点平面中误差7.61 cm，地物检查点高程中误差为0.91 cm，纵断面高程中误差为0.78 cm。所有检查点平面及高程较差的分布图，精度可以满足《工程测量规范》（GB/50026-2007）1∶500地形图要求。

4.6 数据量及工作效率对比

传统方式进行道路地形及纵横断面测量时，一般只采集明显地物点及纵横断面地形变化处地形点，采集数据量有限，一般情况下，10个左右地形点即表示一条横断面。而三维激光扫描通过非接触测量的方式直接获取高精度道路地表三维点云模型，设计阶段设计人员可以根据高精度的扫描数据更精确地确定工作量，设计更好的方案，如图5所示。

另外三维激光扫描技术可以减少人员作业强度和作业时间，提高作业效率。该工程使用传统方式作业外业测量（1∶500地形图及纵横断面测量）需要两个工作日，内业数据处理大约需一个工作日，共采集地形点数据600个点；而使用扫描仪外业测量（外业扫描）仅需几个小时，外业效率极高，内业数据处理时间相当，且数据量丰富。

5 结语

运用三维激光扫描技术进行地形测量，能快速、详细地获取地形表面详细、真实的信息。与传统地形测量手段相比，扫描仪快速获取海量点云数据的特点，极大提高了外业测量工作效率，降低外业测量工作的强度，将工作重点转移到内业。另外该文通过将扫描仪测图与全站仪测图成果进行对比分析，发现三维激光扫描仪的精度完全可以满足地形图测绘的要求。

目前还没有一套完整有效的基于点云数据的地形图绘制的方法，只能通过将数据在各个软件之间转换、处理，最终绘制成地形图。并且还没有完善的软件能够满足点云的各种非地形点剔除要求，一般需要手动剔除大量的点云数据。

参考文献

[1]刘华.车载激光点云地物提取与分类研究[J].测绘学报，2020，49（11）：1506.

[2]羌鑫林，李广伟，王留召，等.基于SSW点云数据的矢量地图平面精度自动校验方法[J].测绘通报，2019（3）：98-102.

[3]陈扬.基于三维激光扫描的路基压实质量检测技术研究[D].成都：西华大学，2022.

[4]刘平.基于三维激光扫描技术的大坝变形监测方法研究[D].南昌：南昌大学，2021.

[5]刘斌，李树文，隋俭武，等.基于格网点的三维激光扫描技术在边坡监测中的应用[J].北京测绘，2022，36（9）：1177-1181.

[6]史正军.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].北京测绘，2020，34（10）：1388-1391.