地面三维激光扫描技术在工程测量中的应用

三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用

徐晓雄 刘松林 李白

随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。

使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型

三维激光扫描测量技术的特点

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪产品。

测绘工程　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　．　匪圆　

根据Ｔｒｉｍｂｌｅ　ＧＳ２００三维激光扫描仪主　要技术指标，结合工程实际情况，将仪器安　置干待扫描车道旁，仪器Ｙ轴（扫描方向）尽　量垂直于路面延伸方向。考虑到路面与扫　描线之间垂直性很差，经测算，扫描仪每一　测站左右方向路面扫描范围确定为３０～　４０　ｍ，即每站扫描６０～８０　ｍ长的路面。当路　面扫描密度、精度要求较高的情况下，适当　进行重复扫描。在两个测站的扫描交接处　路面两侧分别放置２个共４个特殊的球反射　标志，球反射标志的空间位置呈不规则三　边形和四边形，保证能有坚强的图形进行　拼接，并且做到本测站与下一测站都能与４　个球反射标志通视。另外，保证相邻测站间　有一定的点云重叠区域，用于实现和保证　测站间的扫描数据的准确拼接。考虑到扫　描仪垂直视角的受限，仪器安置尽量与待　扫描车道保持足够的距离，避免扫描死角，　以减少工作量。当仪器只能安置在待扫描　车道上的时候，仪器正前方死角区域则通　过其它测站进行补扫。　２．２内业数据处理　从点云到测绘成果的实现包括数据滤　波、点云抽稀、点云拼接、ＤＥＭ建模、纵横断　面图生成。　２．２．１数据滤波、点云抽稀　在数据采集过程中，由于行人和车辆　经过时的遮挡，周围物体干扰等原因，产生　了很多的错误数据，因此在建立路面模型　前首先要剔出这些错误数据，使处理后的　点云数据都是实际路面的测量数据和反射　标志的数据。另外如果采集到的点云数据　相对于工程本身过于密集，还可利用软件　对数据进行抽稀处理，从而提高计算机的　处理效率。　３．２．２点云拼接　经过路面扫描数据预处理和球反射标　志处理后，就可以将在多站测量的路面点　云数据，通过设置在测站重叠处不规则的　靶标拟合拼接在一起。利用已经布设、测量　过的控制点三维坐标，将拼接后的点云纳　入到我们所使用的坐标系中。　２．２．３建立ＤＥＭ模型，生成断面线　在经过拼接后的完整三维路面数据基　础上，利用软件三维建模功能，生成路面不　规则三角网三维模型（ＴＩＮ）。然后利用软件　中的纵、横断面工具，就可以在路面模型上　根据需要（１０　ｃｍ间隔）制作纵、横断面线。最　后按行车方向设定桩号前进方向，将三维　断面线转换成设计人员习惯使用的桩号＋　高程的二维数据。　值得注意的是通过扫描得到的点云数　据量非常庞大，直接将整条路面生成路面　模型在现阶段的个人计算机平台上并不现　实，因此将需要将路面模型分段生成，再进　行纵、横断面的制作，降低对设备的要求，　提高作业的效率。　２．２．４实验成果图（如图１～４）　２．２．５实验结论　本次共对上海，重庆，北京三地ｌ　２条　路，３８００　ｍ长的路段设站５８次，采样约２亿个　点，成果中平均拼按精度仅为１．４６　ｍｍ，平　均点距仅有０．８５　ｃｍ，在精度和密度上完全　满足设计对测量工作的要求，为该汽车公　司复制中国典型道路的路面状况，进行汽　车试验场内特殊道路的设计提供了参考依　据。　由上可见，三维激光扫描技术，通过与　现代经典测量技术的相互融合，已经成为　一种全新的空间数据采集手段，丰富了现　有的测量作业手段，并且作业速度快、数据　信息量大、精度高、采集过程安全简单、节　省人力且具有强大的数据处理能力的特　点，为测绘行业从传统的“低效率、低精度、　全野外”向“高效率、高精度、数字化”的方　向迈进提供了技术保证和设备支撑。　３结语　尽管地面三维激光扫描技术被誉为　“继ＧＰＳ技术以后的又一次测绘技术的革　命”，但在我国工程测量领域刚刚起步，其　应用于常规性生产项目还缺少大量的实例　支撑，因此缺乏相应的规范和标准，对数据　规格、数据采集和后处理要求及成果精度　评定办法等也没有相对统一的规定，同时　也由于其高昂的设备价格，使许多的测绘　生产单位望而却步，限制了该技术在测绘　领域的发展。但随着测绘科学技术的进步，　其相应的规范和标准会不断出台并完善，　设备的性价比也会越来越高，相信该项技　术和设备在常规测量生产中将具有广阔的　发展空间。　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，２０１ｌ，２．　［２］辛培建，韦宏鹄．三维激光扫描技术中　点云拼接精度问题探讨【Ｊ】．山西建筑，　２０１２，３．　【３】杨欢庆．三维激光扫描技术在地下探测　中的应用研究…．中国市政工程，２０１　３，　】．　

三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用

三维激光扫描技术是一种高精度、高效率的测量方法，适用于各种工程领域的测量和数据采集，道路工程测量也不例外。它可以在较短时间内获取大量的准确数据，并可以用于道路设计、评估、施工管理等方面。

一、三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是利用三维激光扫描仪将物体表面的形态、位置及颜色等信息以点云数据的形式进行采集。在测量过程中，三维激光扫描仪通过测量激光束与物体表面的反射距离、角度和强度，确定每一个采集点的三维坐标和表面颜色值。经过数据处理，可以生成高精度的三维模型和点云数据，为后续的工程设计、测量和计算提供了基础数据。

1. 道路场地勘测

在道路场地勘测中，三维激光扫描技术可以帮助工程师们快速准确地获取土地地形、地貌、植被等信息，为设计和建造提供基础数据。比如，通过三维激光扫描可以获取道路及周边建筑物的三维模型和地形信息，还可以精确计算出地面高度、坡度等参数，为道路设计和建造提供基础数据。

2. 道路设计

在道路设计过程中，三维激光扫描技术可以提供高精度的地形数据，为路线设计、高度设计、坡度设计等提供精确的数据支持。并且，三维模型可以反复修改，增强道路设计的灵活性和准确性。此外，三维激光扫描技术可以帮助评估道路设计中的风险和安全问题，进一步提高设计的可行性。

3. 道路施工管理

在道路施工管理过程中，三维激光扫描技术可以监测道路施工过程中的进度和质量，并可以实时监测道路的变形和变化，以及检测施工质量是否合格。同时，三维激光扫描技术还可以监测土方量和砂石料堆放情况，提高道路施工效率和质量。

4. 道路维护和监测

在道路运营和维护过程中，三维激光扫描技术可以用来检测道路的变形、裂缝、凹陷等问题，以及检测地面的平整性和水平度。通过三维激光扫描技术，可以快速定位道路维修和改良的工作区域，并提供高精度的数据支持，以保证道路维修和改良的质量和效率。

三维激光扫描技术在工程项目中的应用案例

三维激光扫描技术是一种非常先进的测量方法，通过激光仪器发射激光束对目标进行扫描，并记录下目标表面的几何形状和颜色信息。这种技术在工程项目中有着广泛的应用，以下是一些应用案例。

1. 建筑物测量：在建筑工程中，三维激光扫描技术可以用于测量建筑物的外部和内部结构。通过扫描建筑物的立面和内部空间，可以获取到高精度的三维模型，用于设计和规划。

2. 桥梁检测：对于桥梁的结构检测和评估，可以使用三维激光扫描技术。通过扫描桥梁的各个部位，可以检测到裂缝、变形等结构问题，及时进行修复和维护。

3. 隧道测量：在隧道工程中，使用三维激光扫描技术可以对隧道结构进行高精度测量和评估。通过扫描隧道内部的几何形状，可以帮助工程师进行设计和施工方案的制定。

4. 矿山测量：在矿山工程中，使用三维激光扫描技术可以对矿山的地质结构和开采情况进行测量和分析。通过扫描矿山的地面和洞穴，可以获取到地质形态的三维模型，用于资源开采的规划和管理。

5. 风电场布局：在风电场的规划和布局过程中，可以使用三维激光扫描技术对地形进行测量和分析。通过扫描地形的高程和地貌特征，可以帮助工程师选择合适的风力发电机组布置方案。

6. 道路施工：在道路施工过程中，使用三维激光扫描技术可以对道路的地面和路基进行测量和分析。通过扫描道路的几何形状和高程，可以帮助工程师进行道路设计和施工质量的评估。

7. 基础设施维护：在城市基础设施的维护过程中，可以使用三维激光扫描技术对道路、桥梁、管道等设施进行测量和检测。通过扫描设施的几何形状和结构，可以及时发现并修复潜在的问题。

8. 管道布局：在工业管道的布局过程中，使用三维激光扫描技术可以对现有设施进行测量和分析，帮助工程师确定最佳的管道布局方案。

9. 水利工程：在水利工程中，可以使用三维激光扫描技术对水坝、水渠等设施进行测量和评估。通过扫描设施的几何形状和结构，可以检测到裂缝和变形等问题，及时采取措施进行修复和加固。