基于三維激光掃描技術的工程施工測量應用研究

基于三維激光掃描技術的工程施工測量應用研究

楊國林1，韓峰2，王丹英1

(1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院，蘭州730070； 2.甘肅省地理國情監測工程實驗室，蘭州730070)

摘要：三維激光掃描儀作為一種新型的非接觸式海量高精度數據獲取手段, 在國內外的眾多領域得到了廣泛的應用。本文利用三維激光掃描獲取點云數據，對工程建設中的斷面信息及土方量計算等作了研究，表明利用點云數據是一種快速、高精度的實現工程信息獲取的手段。

關鍵詞：三維激光掃描；點云；道路；土方

基金項目：本研究為蘭州交通大學2014教改項目(JG2014Y01)。

中圖分類號：TN247

Application Research of Engineering Construction Measurement Based on

Three-dimensional Laser Scanning Technology

YANG Guo-lin1, HAN Feng2, WANG Dan-ying1

(1.FacultyofGeomatics,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;

2.GansuProvincialGeographicalConditionMonitoringEngineeringLaboratory,Lanzhou730070,China)

Abstract：Three-dimensional laser scanner acts as a novel non-contact mass high accuracy data acquisition means, which is widely applied in many fields at home and abroad. In the paper, three-dimensional laser scanning and acquisition point cloud data is utilized for studying cross-section information, earthwork calculation and other aspects in project construction. It is proved that point cloud data belongs to a means for realizing project information acquisition rapidly with high accuracy.

Keywords：3D laser scanning; point cloud; road; earthwork

1引言

隨著計算機硬件和相關軟件的發展，利用三維激光掃描儀對水利水電、鐵路、公路等工程信息進行大量數據獲取和處理變成現實。在工程勘測中，引進激光掃描儀對道路狀況進行測量，得到的數據真實可靠，貼近工程的真實結構，測量速度快、用時短、效

率高，可在距待測目標較遠處對地形進行掃描，對工程勘測來說，激光掃描測量的非接觸性、準確性、快速性正是工程建設所追求的。這將推動工程勘測技術的發展，促進水利水電、鐵路、公路勘測水平和質量、效率的提高。因此，在勘測領域應用激光掃描測量具有很重要的現實意義。

利用Z+F IMAGER 5010C激光掃描儀，本研究以各種工程建設中常見的道路勘測為例，在實際完成了數據獲取后，經點云數據處理，快速、高精度獲取了其設計的工程縱橫斷面、土方量等重要信息。

2三維激光掃描及點云數據獲取原理

三維激光掃描儀采集的數據，其表現形式是矩陣，并且每個矩陣單元是獲取的目標結構的表面三維點，矩陣單元值是三維點的坐標值。三維激光掃描儀對目標物體進行掃描后，獲取的是目標結構物上的空間點坐標，這些點的集合叫作“點云”(point clouds)。三維激光掃描儀最終獲取了空間實體的三維坐標(X,Y,Z)、激光反射強度(itensity)以及顏色信息(RGB)和目標實體豐富的影像信息等[1]。

地面三維激光掃描測量一般使用儀器內部坐標系統(即以儀器為坐標原點),X軸在橫向掃描面內, Y軸在橫向掃描面內與X 軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直。由此可得到采樣點坐標的計算公式為[2]

(1)

三維激光掃描技術在道路與鐵路工程中，主要用于帶狀地形的數據獲取，如公路、鐵路建設中，主要應用于公路地形測繪、改擴建和竣工驗收等。京港澳高速公路改擴建工程中綜合采用車載三維激光掃描技術分別完成了京石段和石安段的高速公路改擴建三維激光掃描，并且形成了一整套全新的公路改擴建勘測技術。馬來西亞采用機載激光掃描技術，對680km傾斜電氣化鐵路進行了改造和擴建，提高了工作效率[3]。

3點云數據的獲取及成果分析

3.1工程設計及數據獲取概述

本研究實測完成了一公路勘測設計的數據采集，利用三維數據處理軟件完成了線路設計中部分信息的獲取，其道路點云及后續線路平曲線設計如圖1所示。

圖1　掃描點云及線路平曲線

本研究所用儀器為三維激光掃描儀，該儀器是相位式三維激光掃描儀，最高精度可達0.3mm，有效測量距離可達187m，內置相機可生成一站8000萬像素的高分辨率影像數據，角度分辨率達到水平0.0002°、垂直0.0004°。Z+F IMAGER 5010C最大的特點是掃描速度快、操作簡單，這能極大地提高掃描效率。

在分辨率和質量方面，在極高測量率的情況下有四種數據質量等級和七種分辨率可以設置，依據項目或測量物體的外形選擇最佳配置，即使在比較遠的距離也能保持相當高的點密度。視野范圍能做到水平360°、垂直320°的全方位覆蓋。

3.2道路設計及斷面圖獲取

Geomagic Studio是一款三維點云數據處理軟件，其最初功能包括使用Geomagic Qualify可以實現迅速檢測產品的計算機輔助設計(CAD)模型和產品制造件之間的差異，并且Geomagic Qualify以直觀易懂的圖形比較結果來顯示兩者的差異，可以應用于產品的首件檢驗、生產線上或車間內檢驗、趨勢分析、二維和三維幾何形狀尺寸標注并可自動生成格式化的報告等工作。

在工程建設領域，利用該軟件能合理有效地處理點云數據，提高建模的效率與質量，完成對所需信息的提取。利用Geomagic Studio生成的點云數據，可以輸出多種格式，有封裝文件(.wrp)，AutoCad文件(.dxf)，IGES文件(.igs)，OpenInventor文件(.iv)，Vrml1、Vrml2文件(.wrl)，wavefront文件(.obj)，以及頂點文件(.vtx)?？梢赃x用適合的輸出格式數據。

其中線路平曲線設計圖如下頁圖2所示。本文在利用Geomagic Studio軟件獲取點云數據的基礎上，依據設計的平曲線參數，獲取了線路縱橫斷面，如圖3、圖4所示。

圖2　線路平曲線

圖3　線路縱斷面

圖4　線路橫斷面

在成果生成中，采用激光掃描儀對該路段進行信息采集，其成果生成精度高，能詳盡體現所研究區域的細部信息，其斷面圖也更加貼合實際地面。

3.3工程土方量計算

利用Geomagic Studio軟件，三維激光掃描得到的數據能完成幾何信息的提取、土方量的計算，這些是進行下一步工程建設的依據。

處理過程中，利用三維激光數據處理軟件，首先完成借助球形標靶的圖形拼接，然后在軟件中進行數據抽??；著色、去噪；刪除體外孤點；減少噪點，其成果如圖6所示。

對上述成果進行采樣封裝，利用網格醫生檢查錯誤等步驟，得到較為干凈的掃描數據，在其基礎上應用多邊形填充(如圖6中紅色區域)，得到最終的三維成果如下頁圖7所示。

在圖7成果基礎上，選用分析模塊下的計算體積到平面功能，選定設計的平面高程值，即可計算出在此平面之上的形體體積，如圖8所示。

圖7　三維點云數據處理結果

圖8　工程土方量信息的提取

經過計算，其土方量為28516.2m3，在此次測量中，還與傳統測量手段GPS-RTK方式作了對比測量，兩者之差小于10%，能符合一般工程的技術等級要求。

以上實例表明：

a.基于海量道路點云數據，提取設計位置的特征信息，過程簡單方便，細節表現詳盡，能準確體現所研究區域的細部信息，其斷面圖也更加貼合實際地面。

b. 利用三維激光掃描測量獲取的點云數據進行土方量計算，工作強度小，速度快，精度高，測量成果能為設計和工程計算提供準確數據。

4結語

點云數據是將工程現場及其周圍信息掃描成三維數據點儲存到計算機中，利用掃描得到的數據完成幾何信息提取、斷面圖繪制，其成果較傳統斷面圖繪制更為準確；在土方量計算方面，與傳統測量手段比較其數據更為準確可靠。

采用三維激光掃描技術，在水利水電、鐵路、公路工程勘測中，其具有的高效、非接觸性有特定的應用價值，能為后續工程建設、維護維修提供及時可靠的數據，是一種工程勘測中有效的數據獲取手段。

參考文獻

[1]劉艷豐.基于kd-tree的點云數據空間管理理論與方法[D].中南大學,2009.

[2]GB/T 13977-92 1∶5 000, 1∶10 000地形圖航空攝影測量外業規范[S].

[3]李建強.地面激光掃描技術在既有鐵路勘測中的應用研究[J].鐵道建筑,2012(4):128-132.

[4]王果,崔希民,袁德寶,張強,王立鴻.車載激光點云領域比較的道路邊線提取方法[J].測繪通報,2012(9):55-57.

[5]楊蔚青,李永強,王閣,白丁.三維激光掃描技術在土遺址保護中的應用——以隋唐洛陽城定鼎門遺址唐代道路遺址保護為例[J].中原文物,2012(4):98-101.

[6]閆利,張毅.基于法向量模糊聚類的道路面點云數據濾波[J].武漢大學學報(信息科學版),2007(12):1119-1122.

[7]劉昌軍,葉長鋒,趙雨,解家畢.基于激光掃描技術的復雜工程挖填方計算[J].水電能源科學,2011(12):95-97，131.