三维激光扫描技术在道路测绘中的应用

一、三维激光扫描技术

1.1 三维激光扫描技术的概述

三维激光扫描技术是一种快速获取空间信息的新颖高效的方法，其通过发射光线以及接收反馈信息来及时收集目标的空间位置信息，这种技术的距离测量原理为脉冲理论，它的扫描频率可达每秒两百万个点，而单点误差不超过 ±2mm ，探测距离也是有大有小的，其探测范围可达 0.6～300m∘ 该系统的构成部分包括激光发射器、快速扫描装置、信号接收部分和数据处理部分，通过各个方位的转动就能够完成全方位的扫描。得到的数据量密度也是精细到毫米级，经过后期数据处理软件就能形成高精度的三维模型。采用波长为 950nm 的脉冲激光，因此其具有远距离检测和良好穿透力的性能。在数据采集的过程中，采用激光扫描仪的内部精密角度调整系统和连接全站仪棱镜接口进行有效配合测量控制网，进而提升扫描数据的绝对定位精度。目前三维激光扫描仪已经集成全球卫星导航系统接收机、惯性传感器等信息传感器，并能够综合使用多种信息源。实时动态差分定位与惯导技术结合能够同步获取设备位置信息和姿态信息，为点云配准提供可靠的参考，大大提高外业作业的效率。

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。

1.3 三维激光扫描技术的优势

三维激光扫描技术作为一种新的测绘手段，对于我国测绘领域的发展来说有着极大的帮助作用。虽然我国经过长时间的发展，已经形成了稳定的测绘工作体系，应用传统的测绘技术和测绘方法，能够适应绝大部分的测绘工程。但是传统的测绘技术和测绘方法已经无法解决许多随着时代发展而出现的问题和困扰，而且工作效率和工作的准确性已经逐渐跟不上发展的步伐。因此应用新的测绘手段和测绘方法进行测绘，已经成为测绘领域发展的主要方向，而三维激光扫描技术正是基于传统的测绘体系之上，并且高度融合空间三维测量等理念而出现的一种高新科技，不仅自身的测绘精度较高，而且速度较快，工作人员只需要经过简单的培训，就能够熟练地操作相关的仪器，应用该项激光扫描技术，在使用的过程中还存在着非必要接触的优势，可以说节约了大量的人力物力，能够有效缓解工作人员的工作压力，因此该项技术一经出现，就迅速占领了测绘领域的市场，有着极其广泛的应用范围。

二、三维激光扫描技术在道路测绘中的具体应用

2.1 在采集数据中的应用

一般情况下会选择比较少的测站，这是为了省去原始数据量过大造成繁杂还有保证获取到数据是精准的。采集的数据主要包括标靶的位置和扫描仪以及测站数。通常会将点云数据和纹理数据的获取同步操作是方便后面数据能有效地匹配完成。因此，要依次逐站扫描，且必须严格按照规定进行选择对应的采样标准。（1）标靶和控制点的测量和分布。在采集数据的时候，由于三维激光扫描仪与被扫描物体形成的夹角不同，它的空间分辨率也会随之变化，这和扫描仪的测距是有关系的。一条道路的测量往往需要多个测站来完成，就是因为不同的扫描距离和点的精度不同，此外还可能有别的障碍物的影响。为了供点云拼接，需要在每个相连的测站重合的部位设置 3 个以上且要形成不规则图形的标靶，根据扫描仪的测距，将这些测量数据结合在一块。（2）对采样的间隔扫描。采样的间隔如果太大就会对后期的数据处理进度带来影响，反之如果采样间隔过小的话，采集到的数据又太多对后期的传输和保存又会造成很多不必要的麻烦。由此可见，对采样间隔的设置是很重要的。在视力观察良好的情况下，要保证相邻的测站间有点云的重叠区域，建议每站的扫描距离在 30～50m 之间；若视观条件不适的状况下，要使扫描的目标测量完成，就要选择合适的位置来布置扫描站数，适当的可以增加。

2.2 数据处理中应用三维激光扫描技术

点云数据处理过程中，往往要确保不同站点获取的点云数据匹配度高，主要涉及：点石匹配、噪声消除、坐标转换、图像匹配等，将点云数据进行目标构模即定量分析，然后将增加于同一三维空间坐标系内，实践操作中，常采取如下方式：（1）借助 GPS 获得道路工程中各个扫描点的具体坐标，后导入获取的点云数据，即可在同步处理各项数据的基础上，获得比较准确的点云地理位置。噪音数据相比点云数据，最大的差异在便是缺乏规律，且主要表现为不连续、杂乱等特点。如车辆、树木等一些无价值的道路测量数据，在此类数据剔除处理中，可紧紧围绕噪音数据的特点，将其及时删除。并且，需对点云构建目标模型进行分割出来，将其当做道路工程特定区域的地理样貌特征信息资料，进一步选择清晰的纹理图像，和点石相匹配。（2）三维激光扫描过程中，若连续获取同样的扫描目标，要进行数据抽隙处理，以此便于后续数据传输、处理和存储。之所以如此，是因为采集的点云数据量过多，必然会影响后续整理归纳。（3）平面虚拟测量。点云数据在拼接处理之后，虽剔除了一些非地貌影响数据之后，但是与现实情况存在一定的差异性，无法保障其数据的真实性，从而无法保证数据的应用价值。之所以如此，是因为道路工程测绘过程中，若点位过于密集或者分布不均匀，必然会高线混乱，无法保障测量数据的真实可靠性。而平面虚拟测量就是将点云拼接获取的数据与 CCD 相机拍摄的图像有机结合起来，后在图像当中标识各数据尺寸，标明高程点信息，形成道路工程施工所需的地形图。（4）点云数据处理时，若出现等高线不完整、变形等问题，可采取手动方式进行点云数据的修复，期间可以结合影像资料或现场照片将高程做好标记，在形成轮廓之后，进行局部的修改处理。通常情况下，这种操作广泛存在于道路工程所处区域地形图编辑过程中，需对等高线的图形和地面物体的图形重叠进行详细编辑，以此剔除一些无价值的物体数据，以此保证地形图的绘制质量。

参考文献

[1]刘元庆.三维激光扫描技术在道路工程测量中的应用[J].中国科技信息,2022,(24):71-74.

[2]蒋澎超.三维激光扫描技术在道路检测中的应用研究[J].低碳世界,2024,14(04):157-159.DOI:10.16844/j.cnki.cn10-1007/tk.2024.04.046.