基于三维激光扫描技术的工程施工测量应用研究

2015-12-24 07:39杨国林,韩峰,王丹英

中国水能及电气化 2015年2期

杨国林1，韩峰2，王丹英1

(1.兰州交通大学测绘与地理信息学院，兰州730070； 2.甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州730070)

摘要：三维激光扫描仪作为一种新型的非接触式海量高精度数据获取手段, 在国内外的众多领域得到了广泛的应用。本文利用三维激光扫描获取点云数据，对工程建设中的断面信息及土方量计算等作了研究，表明利用点云数据是一种快速、高精度的实现工程信息获取的手段。

关键词：三维激光扫描；点云；道路；土方

基金项目：本研究为兰州交通大学2014教改项目(JG2014Y01)。

中图分类号：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

随着计算机硬件和相关软件的发展，利用三维激光扫描仪对水利水电、铁路、公路等工程信息进行大量数据获取和处理变成现实。在工程勘测中，引进激光扫描仪对道路状况进行测量，得到的数据真实可靠，贴近工程的真实结构，测量速度快、用时短、效

率高，可在距待测目标较远处对地形进行扫描，对工程勘测来说，激光扫描测量的非接触性、准确性、快速性正是工程建设所追求的。这将推动工程勘测技术的发展，促进水利水电、铁路、公路勘测水平和质量、效率的提高。因此，在勘测领域应用激光扫描测量具有很重要的现实意义。

利用Z+F IMAGER 5010C激光扫描仪，本研究以各种工程建设中常见的道路勘测为例，在实际完成了数据获取后，经点云数据处理，快速、高精度获取了其设计的工程纵横断面、土方量等重要信息。

2三维激光扫描及点云数据获取原理

三维激光扫描仪采集的数据，其表现形式是矩阵，并且每个矩阵单元是获取的目标结构的表面三维点，矩阵单元值是三维点的坐标值。三维激光扫描仪对目标物体进行扫描后，获取的是目标结构物上的空间点坐标，这些点的集合叫作“点云”(point clouds)。三维激光扫描仪最终获取了空间实体的三维坐标(X,Y,Z)、激光反射强度(itensity)以及颜色信息(RGB)和目标实体丰富的影像信息等[1]。

地面三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统(即以仪器为坐标原点),X轴在横向扫描面内, Y轴在横向扫描面内与X 轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直。由此可得到采样点坐标的计算公式为[2]

(1)

三维激光扫描技术在道路与铁路工程中，主要用于带状地形的数据获取，如公路、铁路建设中，主要应用于公路地形测绘、改扩建和竣工验收等。京港澳高速公路改扩建工程中综合采用车载三维激光扫描技术分别完成了京石段和石安段的高速公路改扩建三维激光扫描，并且形成了一整套全新的公路改扩建勘测技术。马来西亚采用机载激光扫描技术，对680km倾斜电气化铁路进行了改造和扩建，提高了工作效率[3]。

3点云数据的获取及成果分析

3.1工程设计及数据获取概述

本研究实测完成了一公路勘测设计的数据采集，利用三维数据处理软件完成了线路设计中部分信息的获取，其道路点云及后续线路平曲线设计如图1所示。

图1　扫描点云及线路平曲线

本研究所用仪器为三维激光扫描仪，该仪器是相位式三维激光扫描仪，最高精度可达0.3mm，有效测量距离可达187m，内置相机可生成一站8000万像素的高分辨率影像数据，角度分辨率达到水平0.0002°、垂直0.0004°。Z+F IMAGER 5010C最大的特点是扫描速度快、操作简单，这能极大地提高扫描效率。

在分辨率和质量方面，在极高测量率的情况下有四种数据质量等级和七种分辨率可以设置，依据项目或测量物体的外形选择最佳配置，即使在比较远的距离也能保持相当高的点密度。视野范围能做到水平360°、垂直320°的全方位覆盖。

3.2道路设计及断面图获取

Geomagic Studio是一款三维点云数据处理软件，其最初功能包括使用Geomagic Qualify可以实现迅速检测产品的计算机辅助设计(CAD)模型和产品制造件之间的差异，并且Geomagic Qualify以直观易懂的图形比较结果来显示两者的差异，可以应用于产品的首件检验、生产线上或车间内检验、趋势分析、二维和三维几何形状尺寸标注并可自动生成格式化的报告等工作。

在工程建设领域，利用该软件能合理有效地处理点云数据，提高建模的效率与质量，完成对所需信息的提取。利用Geomagic Studio生成的点云数据，可以输出多种格式，有封装文件(.wrp)，AutoCad文件(.dxf)，IGES文件(.igs)，OpenInventor文件(.iv)，Vrml1、Vrml2文件(.wrl)，wavefront文件(.obj)，以及顶点文件(.vtx)。可以选用适合的输出格式数据。

其中线路平曲线设计图如下页图2所示。本文在利用Geomagic Studio软件获取点云数据的基础上，依据设计的平曲线参数，获取了线路纵横断面，如图3、图4所示。