浅析3D扫描仪在道路工程竣工中路面检测的应用

王馨伟 叶巧玲

(重庆交通大学 重庆 400074)

浅析3D扫描仪在道路工程竣工中路面检测的应用

王馨伟 叶巧玲

(重庆交通大学 重庆 400074)

3D激光扫描技术又被称作实际景物复制技术，是突破GPS技术的又一次技术革命，走在当前测绘领域最前沿的。它突破了传统手工和半机械化法中以“点”检测或“轮迹”检测的数据采集缺陷如数量少，精确度低，耗时长等。而3D扫描技术以配准模块(IMAlign)为点云数据收集软件工具，并且在一个完整的三维坐标系中绘制点云数据并将其转化为清晰明了的三维立体图像。对于路面工程的竣工检验中以弯沉值、车辙、平整度、抗滑性能(构造深度、摩擦系数)为主要参数。这些参数都需要经过精准的测量、计算、整理、分析后才能得到准确的结果。3D激光扫描技术不仅可以高效精确的完成检验，并且所获得的数据便于整理且更具有参考意义。

3D激光扫描；竣(交)工验收；点云；配准模块；检验

一、引言

三维扫描技术是一项极为实用的新型技术，三维扫描技术集合了机械技术、光学技术、计算机技术等，将传统的测绘工艺经过电子传感技术和多种现代高科术发展而来。就当下而言三维扫描技术已经广泛的运用到各行各业，如测绘工程领域、结构测量方面、建筑、古迹测量方面、紧急服务业、采矿业等。目前，三位扫描技术在竣工路面检测方面并没有深入研究。而就三维扫描技术的诸多优势而言，可以极大的弥补竣工路面的检测的耗时费力的缺陷。

二、3D扫描技术工作原理、流程、分类

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。

3D扫描技术工作原理和流程：扫描仪发射激光，激光到达目标的时间计算扫描仪和目标间距离，如此可以得到竖向坐标。然后根据目标与激光水平和垂直方向的步进角距值，分别得到横向和垂直坐标。得到的云点数据经除粗差、拼模型、参数统一、数据压缩、建模、应用分析等程序后再储存整理三维激光测量的技术优势和缺点。配准模块(IMAlign)：在光学非接触三维测量中，复杂对象的重构需要多组测量数据的配准。为了获得好的配准结果，提出一种新的配准方法——直接误差分析配准方法。该方法基于一种新型的双目CCD光栅投影测量系统进行测量和分析。经过配准模块软件加工处理后转化为3D图像格式。

主要分类：按测量方式可分为三维激光扫描仪的不同样式，于脉冲式；基于相位差；基于三角测距原理。按用途可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。一般基于相位差原理的三维激光扫描仪测程较短，只有百米左右。而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程较长，测程最远的可达6公里

三、三维激光扫描技术的优缺点

(一)三维激光扫描的技术优势

远距离非接触测量：三维激光扫描技术的最大特点就是远距离的非接触测量。三维地面激光扫描是直接利用发生激光器对物体进行测量，直接获取物体表面的三维激光点云坐标数据，不需要发射棱镜或人工到达现场进行测量。三维激光扫描系统获取的激光点云数据坐标真实可靠。可以用于危险地、人员难以到达等地方的远距离测量，比传统测量方法具有较大的优势。

数据密度大、速度快：无论是脉冲式激光扫描设备还是相位式激光扫描设备，激光扫描速度可达到数千点/秒甚至可以达到数十万点/秒。激光获取点云的扫描速度是传统方法不能比拟的。

自发激光：三维激光扫描设备通过激光发射器主动发射激光，利用回波信号得到被测物体的点坐标数据信息，现场测量时，不受外部环境的影响。

精度高：三维激光测量系统可以获取高密度和高精度的激光点云数据，采集到的激光点云数据分辨率也较高。

可与常规测量设备联合使用：三维激光扫描技术可以获取被测物体的多种信息，包括激光点云坐标、RGB信息和反射率信息等，这些信息大大扩展了三维激光扫描技术的应用范围，特别是和传统的全站仪、GPS等测量手段结合使用，进一步扩大了三维激光扫描技术的应用。

(二)三维地面激光扫描技术的缺点

尽管地面三维激光扫描仪在众多行业中得到广泛应用，但地面三维扫描仪的使用受地形、天气和使用人员技术水平的限制，也存在众多不足，归纳如下：

精度难以校验。目前地面扫描设备多为封闭式系统，不同厂家使用的激光发射器不同，其测量精度也不同，再受到外部环境的影响，激光扫描精度通常难以检校。

后处理工作量大。由于激光获取了被测物体大量的信息数据，这些数据有些可用，有些不可用，对获取的点云数据的处理目前是影响该技术发展的一个重要因素。目前已有的后处理软件功能偏少(特别是专业应用功能)、数据处理量有限，且很多算法不够完善，造成了现场扫描容易，后期数据处理及应用较为困难。

操作规程和数据处理规范的缺乏。野外数据采集和数据处理受人员水平限制，精度和成果质量难以保证，需要对地面激光扫描进行测绘的标准化研究。

不同站次坐标拼接和植被过滤问题仍是地面三维激光扫描难以逾越的问题。在一些特殊行业应用中，数据可重复性也受到一定的限制。

四、三维激光技术在路面竣工验收的作用

基于三维激光技术的优缺点，三维激光技术在路面竣工验收中的作用将体现在以下几个方面：

首先，路面竣工验收中弯沉值检验，路面弯沉值变化是一个较为复杂的变化，需要考虑诸多综合因素，路面每层材料性能因素、结构因素、压实因素、温度因素、湿度环境因素、交通状况等。检测时主要影响因素是环境条件和施工人员的检测水平对弯沉的大小有较大的影响。而沥青路面的弯沉检验是一个长时间的过程简要分为三个阶段，大概需要4年左右。

三维激光扫描技术可控制力强，可以大范围使用，极大的缩减了多次测量所需的时间和人力。

三维激光扫描检测速度快，缩短竣工路面检测所需工期，而且所需检验人员数量少可以缩减检验所需成本，就精确度而言，三维激光扫描技术发生激光直接达到检测目标利用回声定位系统确定数据且不受外界环境影响，因此所得数据比传统的多次检验方法准确。

三维激光技术最大的优势既是可以建立完整的三维模型，而非仅仅的数据组，在三维模型图中即便于观察和检测所需要的弯沉值还可推算路面的其他数据如平整度、抗滑性能等。并且三维模型图像更容易进行对比分析，有清晰的图像对比便于研究人员进行整理和分析，从直观图像对比中获得经验教训和创造灵感。同时也为数据收集带来了方便。

[1]叶巧玲,张明.3D激光扫描系统在路面功能检测中的应用[J].山西建筑.2007,33(12)

[2]程洛生.浅析道路工程建设中测量监理[J].工程科技.2000年

[3]邢正全,邓喀中.三维激光扫描技术应用于边坡位移监测[J].地理空间信息.2011,9(1)

[4]林静,汤汶,万韬阮.基于结构光的3D激光扫描仪系统研究[J].微机处理.2013,(1)

[5]张德军,皱顺平.浅谈土地测绘技术的发展[J].山西建筑.2009,35(29)

王馨伟(1990-)，男，汉，内蒙古，重庆交通大学研究生在读，研究方向：道路路面材料。