三维激光扫描技术在道路测绘中的应用

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　　摘  要：三维激光扫描技术作为一种快速实景复制技术，是测绘领域的一次技术革新，它通过全景化的快速测量方法获取高分辨率、精细的地理空间对象表面的三维点云数据，为建立精细的三维实体模型提供了必备的数据基础。该文以三维激光扫描技术在昌平区路侧停车项目中景文屯路的施测过程为例，详细地介绍了三维激光扫描作业的全过程，并对数据据进行对比分析，从而确定三维激光扫描技术的应用场景。
　　关键词：三维激光扫描;点云去噪;点云拼接;点云配准
　　中图分类号：P204             文献标志码：A
　　0 引言
　　三维激光扫描技术是国内近期发展的一项高新技术，为空间信息的获取提供了全新的技术方法，三维激光扫描技术与全站仪测量技术、近景摄影测量技术相比，有非接触测量、数据采样率高、分辨率高、全景画等优点，其应用于测绘领域，为广大科研人员和工程技术人员提供了一种全新的解决问题的手段，为工程与科学研究提供了更准确的数据，是测量方式的一次创新[1]。
　　1 三维激光扫描技术基本原理
　　三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、计算机、电源供应系统、支架以及系统配套软件构成。其最主要的组成部分之一三维激光扫描仪，由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑、CCD相机以及软件等构成三维扫描仪的测距和测角等系统。激光测距方法主要有基于测距法、相位测距法、激光三角法、脉冲-相位式测距法等四种类型，目前测绘领域所使用的三维激光扫描仪中脉冲测距法使用居多。通过测角系统获取扫描仪至待测物体的水平角和垂直角，进而计算出待测物体的三维坐标信息。
　　三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时也会将激光点位置处物体的反射强度值记录下来，内置数码相机的扫描仪在扫描过程中可以方便、快速地获取外界物体真实的色彩信息，在扫描、拍照完成后，我们不仅可以得到点的三维坐标信息，也获取了物体表面的反射率信息和色彩信息。所以包含在点云信息里的不仅有X、Y、Z、Intensity，还包括每个点的RGB数字信息。点云数据的空间排列形式以线扫描点云居多，采用逐行（或列）的扫描方式，获得的三维激光扫描点云数据具有一定的结构关系[2]。
　　2 点云数据获取与处理
　　2.1 数据获取
　　三维扫描数据获取主要包含资料搜集与现场踏勘，控制方案设计、扫描方案设计及现场扫描过程等内容，
　　扫描控制方案主要为外业扫描服务，其目的主要包含两个：其一是实现不同控制坐标系之间的转化;其二是实现不同视角，尤其是涉及不通视或者相邻扫描数据重叠度低的时候，不同坐标系扫描数据的拼接。
　　扫描方案应包含控制网、扫描设备选择、站点布设图、扫描顺序、拟站点扫描密度等。扫描设备主要参数包含最远扫描范围、角度分辨率及点位精度、扫描速度、激光安全登记以及反射率等。
　　2.2 数据处理
　　2.2.1 点云去噪
　　点云的噪声去除是点云预处理的关键操作之一，噪声去除的目标即是要去除不相关的目标，得到“干净”的目标点云。在作业过程中，最常见的噪声主要有环境噪声和目标噪声等。在实际数据处理中，一般按照不同尺度的噪声进行滤除，首先按照顺序将数据环境噪声去除，环境噪声去除后可以降低分析数据的范围和数据量，然后再去除目标噪声即可。
　　2.2.1.1 环境噪声去除
　　在环境噪声去除中，大多数是依靠手工去除的办法，并结合给噪声设置阀值进行采用由远及近、由小到大的策略进行半自动化噪声滤除。首先扫描对象边缘远处的目标返回点，通过距离阈值来进行滤除;其次，对对扫描区域内数据做空间栅格划分并聚类点集，将小尺度目标去除，对于扫描区域内的移动目标，常采用孤立线性点集的自动滤除算法来实现。
　　对于比较明显的噪声数据，可采取手工删除的方法剔除。
　　2.2.1.2 目标噪声去除
　　由于三维激光扫描仪获取的点云数据量比较大且目标噪声一般在目标点云的表面，一般可用系统自动判断的方法进行处理。其常用方法有弦高法、距离值法和曲率法等。思路都是基于给定的阈值，如果点数据大于阈值则判断为异常点，各方法之间的差异在于选取的度量值不同。曲率法判断的依据为点与相邻点之间的矢量夹角;弦高法根据点与相邻点连线的距离判断;距离值法是先将点與相邻点之间拟合为直线段或平面，然后对点到拟合线或平面之间的距离进行判断。
　　2.2.2 点云拼接
　　因扫描仪扫描视距的限制，开展外业扫描工作均不能一站完成，而是要设立多个测站对扫描目标进行全方位，有重叠度的扫描。这就需要将多个测站的数据进行统一拼接处理，使之成为方便内业处理的一个完整的全景图或几个分块图，即点云的拼接，点云的拼接是通过获取2个或多个标靶的中为位置进行。利用TopoDOT、EPS等点云数据软件，通过电脑自动识别的方式标定平面标靶或球状目标进行有效的拼接，对于无法实现自动提取的则应采用手工的方式认为标定重心的位置[1]。图1为采用自动识别和人工干预相结合的方式进行拼接后的效果图。
　　2.2.3 坐标配准
　　扫描站点是三维激光扫描仪在一个固定的位置上进行扫描所获取的全部点云数据及相关的控制数据。扫描过程中仪器是固定的，所以一个扫描站中的所有书籍都是统一以扫描设备为中心的局部坐标系单站数据，站点是点云进行配准的基本单位。
　　配准方式分为逐站配准与整体配准2类，其中逐站配准即为两两相邻站点之间不断配准合并，最后得到整体的数据模型。
　　整体配准的方式就是以某一站为基础，解算所有站点到基站的空间变换参数，得到配准模型，这样可以一次性完成配准过程，无误差累积，整体精度高[3]。
　　2.2.4 点云抽稀
　　点云抽稀常用的方法有系统抽稀方法、基于格网的抽稀方法、基于TIN的抽稀方法、基于坡度的抽稀方法及基于流处理的抽稀方法等。
　　根据获取数据的情况及工程的大小，在进行导入绘图平台进行要素提取前，还需要进行光滑、切割等多种操作。
　　2.2.5 道路要素提取
　　在该案例中，数据处理采用EPS点云数据平台进行作业，将处理后的点云数据导入EPS系统，利用地图符号进行道路平面图的绘制，如图2所示。在该项目中，要求将道路的已有车位线、斑马线、隔离带、绿化带、道路两侧步道，道路两侧污水篦子和道路两侧树木等情况进行详细测绘描述，因三维激光扫描技术以全景复制的方式进行扫描，路中的每一个要素均被记录下来，为后续成图提供了方便。
　　3 精度分析
　　为了验证三维扫描的精度，将配准得到的标靶坐标与用全站仪测量的坐标值进行对比分析，其数据结果见表1（为了计算方便，坐标统一进行平移）。
　　由表2统计算得出其平面点位中误差为2.2 mm，高程中误差为4.3 mm，满足普通道路测量的精度要求。
　　6 结论
　　三维激光扫描技术在测绘工程中的应用越来越广泛，将其应用到道路工程具有较好的实用价值，同时也为道路、公路等线状工程的特征检验提供了新的方法。利用三维扫描的方式进行作业，不受时间的限制可全天候进行扫描，外业投入的人员较少，得到的数据为全景复制，信息非常全面，对于开展场地复杂，要求采集内容较多的项目，能达到事半功倍的效果。但在进行外业扫描时，受到视线长度的限制，各测站之间需要50%以上的重叠度。如果在空旷地区，采集内容较为稀疏的项目则不建议使用。
　　参考文献
　　[1]王宴民，黄明，王国利.地面激光雷达与摄影测量三维重建[M].北京：科学出版社，2018.
　　[2]卢其垡.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用[J].北京测绘，2020，34（5）：623-627.
　　[3]曹建军.三维激光扫描技术在市政道路工程断面测量中的应用[J].测绘与空间地理信息，2020，43（4）：108-109，113.
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