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摘 要：本文从市政道路工程对测绘的需求出发，探讨了三维激光扫描技术在市政道路工程测量中的外业作业方法及内业成图方法。结果表明，与传统地形测量手段相比，三维激光扫描技术可以快速获取海量点云数据，极大提高了外业测量工作效率，降低外业测量工作的强度，将工作重点转移到内业。另外，本文通过将扫描仪测图与全站仪测图成果进行对比分析，发现三维激光扫描仪的精度完全可以满足地形图测绘的要求。
关键词：三维激光扫描 道路工程 外业扫描 内业处理
中图分类号：TU198 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0007-03
Research on Road Engineering Survey Using 3D Laser Scanning Technology
WU Hao1 ZHU Pan2
（1.China Railway Bridge Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China; 2. CCCC Second Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China）
Abstract： Based on the requirements of Surveying and mapping of municipal road engineering， this paper discusses the field operation method and interior mapping method of three-dimensional laser scanning technology in municipal road engineering survey. The results show that compared with traditional topographic survey methods， 3D laser scanning technology can quickly obtain massive point cloud data， greatly improve the work efficiency of field survey， reduce the intensity of field survey work， and shift the focus of work to the internal work. In addition， through the comparative analysis of the mapping results of scanner and total station， it is found that the accuracy of 3D laser scanner can fully meet the requirements of topographic mapping.
Key Words： 3D laser scanning; Road engineering; Field scanning; Interior processing
道路纵横断面是道路方案设计的基础资料，纵断面可以反映中线上地面起伏情况，横断面可以反映垂直中线方向的起伏情况[1]。通常我们使用全站仪，GPS和水准仪来测量道路断面，但是这些测量方法是单点接触式测量，工作速度很慢，数据的密度低，无法准确反映地面的上升和下降[2]。对于某些地形复杂且波动较大的地区，传统测量方法存在很大缺陷。三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项新技术，也被称为实景复制技术。它可以完全、高精度地重建被扫描物体的空间形状，无需接触被测物体即可获得空间物体的精确的三维位置信息以及精确的颜色和纹理信息，真正实现了高度精确的非接触式测量[3]。本文主要以市政道路工程为例，对市政道路工程勘察中三维激光扫描技术的现场操作方法和内业制图方法进行探讨。
1 市政道路工程的分类及对测绘内容的要求
市政公路项目主要分为两类：公路建设和公路维修。测绘部门测绘设计线的1/500或1/1000比例尺地形图应由设计单位在新路的设计阶段使用[4]。确定了施工中心线后，将对与设计中心线相对应的每个桩点的中心线的横截面数据和纵向截面数据进行测量和绘图。大比例尺地形图不仅用作设计路线的依据，而且还反映道路建设范围内的特征，地形和地貌，并由拆迁单位用来计算数量和拆迁补偿费[5]。
道路整修项目是指由于裂缝、损坏，出现车辙、汽车站、港口而需要重新规划的原始道路。这种类型的项目需要当前的大比例尺地形图，除了测量总横截面外，所有地面交通设施还具有另一个功能，例如各种交通标志、交通信号灯、公交车站、道路上的所有护栏甚至车道分隔线、车辙和隔离区域，各种管道检查人孔蓋的上部路面类型和范围、位置、尺寸和高程必须在地形图上准确指出[6]。为了准确地确定加铺厚度，设计人员对工程图的高程密度有很高的要求，并且需要每10m测量一组高程，而交叉点通常需要测量5m高程网格。
2 三维激光扫描技术简介
Leica公司的P40三维激光扫描仪完美融合了高精的测距测角技术、WFD波形数字化技术、Mixed Pixels技术和HDR图像技术，使得该仪器具有更高的性能和稳定性，扫描距离可以到达270m，满足各种扫描任务的要求。 3 技术方案设计
技术方案主要包含控制测量、外业扫描、点云拼接与去噪、地形图绘制、纵横断面绘制等步骤。
3.1 外业扫描方案
（1）控制测量，为了将扫描数据统一到城市坐标系下，需沿道路中线均匀布设控制点。
平面控制测量采用上海虚拟参考站技术布设，根据《卫星定位城市测量技术规范》（CJJT73—2010）中一级GNSS点的技术标准实施。高程控制测量采用《工程测量规范》（GB50026—2001）中四等水准测量技术标准实施。
（2）设站扫描。
沿着道路中线设站扫描，在控制点架设扫描仪对中整平并量取仪器高，设定好扫描参数后开始扫描。对于没有控制点的区域采用自由设站通过标靶配准的方式，从而保证了作业效率及数据的精度。
3.2 内业处理方案
（1）数据拼接，由于获取的每站扫描点云都是以扫描测站为参考点的独立坐标系，需要在Cyclone中对点云进行拼接及坐标转换，将扫描点云数据转拼接换至统一的城市坐标系下。（2）点云去噪，由于拼接后完整的点云中包含移动物体（车、人等）、构筑物及树木等，利用Cyclone软件中将非地形、地物数据删除，减少数据冗余，处理后数据仅包含地表点。（3）地形图及纵横断面绘制。①地形图绘制，使用CloudWorx在CAD中绘制1∶500地形图。窨井、树、杆等有规则形状的独立地物，采用拟合中心的方法获取位置;路边线、房屋等现状特征可以直接描边。②纵横断面绘制，将道路中线导入点云数据中，在Cyclone中对点云进行切片，纵断面沿道路中线做切片，横断面按桩号垂直中线做切片并将切片数据输出绘制纵横断面。③对地形起伏较大区域可以用Cyclone生成等高线，计算土方量。（4）精度评定，使用全站仪对现场重要地物进行测量，以此检查扫描成果的平面点位精度和高程精度。
4 道路工程案例分析
4.1 工程概况
某条道路进行大修，根据设计专业提供的测量要求需提供1∶500数字地形图、道路纵横断面等，由于现场车流量较大，地形地物复杂，项目工期较紧，综合考虑后决定采取Leica-P40三维激光扫描仪进行外业扫描，内业结合Cyclone及CAD等软件进行地形图、纵横断面绘制。
4.2 外业扫描
扫描沿线布设有控制点，在控制点上设站扫描将扫描坐标系转换至已知坐标系下。本次外业共扫描10站，扫描线路350m，扫描测站沿线路均匀分布。
4.3 点云拼接及道路点云提取
外业扫描结束后，将点云数据及控制点导入Cyclone中，点云拼接具体实现采用控制点拼接和标靶拼接，拼接完成后对点云进行去噪，剔除周边冗余点云只留下道路点云。道路点云模型如图1所示。本次拼接最大拼接误差为1.4cm，多数误差在1cm以内，拼接精度可以满足该工程的需要。
4.4 地形图绘制
利用拼接点云在Cyclone和CAD软件中绘制道路1∶500地形图及道路纵横断面。也可以直接提取地形地物点及纵横断面数据以TXT格式导出，在CAD软件中按照传统方式绘制地形图及纵横断面。为了提高绘图效率，这里综合使用Cyclone和CAD软件绘制地形图，然后将设计提供中线导入点云中，利用Cyclone切片功能按照中线桩号对拼接后点云进行切片获取纵横断面数据，见图2。
4.5 精度评定
根据项目要求本工程需提供1∶500地形图及道路纵横断面成果，为了验证地形地物点及纵横断面的精度，这里对地形图部分地物点（如窨井、房角点等）的平面位置精度、高程精度断面点的高程精度进行验证。使用全站仪和水准仪采集特征地物点，采集21点地物点高程，20点纵断面点高程，在拼接后点云中提取对应点平面及高程值进行精度分析。
经过整理计算，地物检查点平面中误差7.61cm，地物检查点高程中误差为0.91cm，纵断面高程中误差为0.78cm。所有检查点平面及高程较差的分布图，精度可以满足《工程测量规范》（GB/50026—2007）1∶500地形图要求。
4.6 数据量及工作效率对比
传统方式进行道路地形及纵横断面测量时，一般只采集明显地物点及纵横断面地形变化处地形点，采集数据量有限，一般情况10个左右地形点即表示一条横断面;而三维激光扫描通过非接触测量的方式直接获取高精度道路地表三维点云模型，设计阶段设计人员可以根据高精度的扫描数据更精确的确定工作量及设计更好的方案，如图3所示。
另外三维激光扫描技术可以人员作业强度，减少作业时间，提高作业效率。该工程使用传统方式作业外业测量（1∶500地形图及纵横断面测量）需要两个工作日，内业数据处理大约需一个工作日，共采集地形点数据600个点;而使用扫描议外业测量（外业扫描）仅需几个小时，外业效率极高，内业数据处理时间相当，且数据量丰富。
5 结语
運用三维激光扫描技术进行地形测量，能快速、详细的获取地形表面详细、真实的信息。与传统地形测量手段相比，扫描仪快速获取海量点云数据的特点，极大提高了外业测量工作效率，降低外业测量工作的强度，将工作重点转移到内业。另外本文通过将扫描仪测图与全站仪测图成果进行对比分析，发现三维激光扫描仪的精度完全可以满足地形图测绘的要求。
目前还没有一套完整有效的基于点云数据的地形图绘制的方法，只能通过将数据在各个软件之间转换、处理，最终绘制成地形图。并且还没有完善的软件能够满足点云的各种非地形点剔除要求，一般需要手动剔除大量的点云数据。另外扫描点云中只能分辨出距离较近的地面上窨井类型，对于距离较远的窨井只能判断井位不能判断类型。因此将三维激光扫描技术成熟应用于地形图绘制还需要长期的研究。
参考文献
[1] 刘华.车载激光点云地物提取与分类研究[J].测绘学报，2020，49（11）：1506.
[2] 羌鑫林，李广伟，王留召，等.基于SSW点云数据的矢量地图平面精度自动校验方法[J].测绘通报，2019（3）：98-102.
[3] 吴俣昊.无人机载激光线扫描雷达系统浅滩三维成像研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.
[4] 余培永.基于地面三维激光扫描的古建筑三维重建及虚拟现实的应用研究[D].赣州：江西理工大学，2019.
[5] 姜朝，陈蕊，闫胜武，等.高速滑轨控制测量网的建立及精度评估[J].测绘科学，2018，43（4）：155-160，167.
[6] 史正军.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].北京测绘，2020，34（10）：1388-1391.
关键词：三维激光扫描 道路工程 外业扫描 内业处理
中图分类号：TU198 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）02（c）-0007-03
Research on Road Engineering Survey Using 3D Laser Scanning Technology
WU Hao1 ZHU Pan2
（1.China Railway Bridge Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China; 2. CCCC Second Highway Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430056 China）
Abstract： Based on the requirements of Surveying and mapping of municipal road engineering， this paper discusses the field operation method and interior mapping method of three-dimensional laser scanning technology in municipal road engineering survey. The results show that compared with traditional topographic survey methods， 3D laser scanning technology can quickly obtain massive point cloud data， greatly improve the work efficiency of field survey， reduce the intensity of field survey work， and shift the focus of work to the internal work. In addition， through the comparative analysis of the mapping results of scanner and total station， it is found that the accuracy of 3D laser scanner can fully meet the requirements of topographic mapping.
Key Words： 3D laser scanning; Road engineering; Field scanning; Interior processing
道路纵横断面是道路方案设计的基础资料，纵断面可以反映中线上地面起伏情况，横断面可以反映垂直中线方向的起伏情况[1]。通常我们使用全站仪，GPS和水准仪来测量道路断面，但是这些测量方法是单点接触式测量，工作速度很慢，数据的密度低，无法准确反映地面的上升和下降[2]。对于某些地形复杂且波动较大的地区，传统测量方法存在很大缺陷。三维激光扫描技术是近年来发展起来的一项新技术，也被称为实景复制技术。它可以完全、高精度地重建被扫描物体的空间形状，无需接触被测物体即可获得空间物体的精确的三维位置信息以及精确的颜色和纹理信息，真正实现了高度精确的非接触式测量[3]。本文主要以市政道路工程为例，对市政道路工程勘察中三维激光扫描技术的现场操作方法和内业制图方法进行探讨。
1 市政道路工程的分类及对测绘内容的要求
市政公路项目主要分为两类：公路建设和公路维修。测绘部门测绘设计线的1/500或1/1000比例尺地形图应由设计单位在新路的设计阶段使用[4]。确定了施工中心线后，将对与设计中心线相对应的每个桩点的中心线的横截面数据和纵向截面数据进行测量和绘图。大比例尺地形图不仅用作设计路线的依据，而且还反映道路建设范围内的特征，地形和地貌，并由拆迁单位用来计算数量和拆迁补偿费[5]。
道路整修项目是指由于裂缝、损坏，出现车辙、汽车站、港口而需要重新规划的原始道路。这种类型的项目需要当前的大比例尺地形图，除了测量总横截面外，所有地面交通设施还具有另一个功能，例如各种交通标志、交通信号灯、公交车站、道路上的所有护栏甚至车道分隔线、车辙和隔离区域，各种管道检查人孔蓋的上部路面类型和范围、位置、尺寸和高程必须在地形图上准确指出[6]。为了准确地确定加铺厚度，设计人员对工程图的高程密度有很高的要求，并且需要每10m测量一组高程，而交叉点通常需要测量5m高程网格。
2 三维激光扫描技术简介
Leica公司的P40三维激光扫描仪完美融合了高精的测距测角技术、WFD波形数字化技术、Mixed Pixels技术和HDR图像技术，使得该仪器具有更高的性能和稳定性，扫描距离可以到达270m，满足各种扫描任务的要求。 3 技术方案设计
技术方案主要包含控制测量、外业扫描、点云拼接与去噪、地形图绘制、纵横断面绘制等步骤。
3.1 外业扫描方案
（1）控制测量，为了将扫描数据统一到城市坐标系下，需沿道路中线均匀布设控制点。
平面控制测量采用上海虚拟参考站技术布设，根据《卫星定位城市测量技术规范》（CJJT73—2010）中一级GNSS点的技术标准实施。高程控制测量采用《工程测量规范》（GB50026—2001）中四等水准测量技术标准实施。
（2）设站扫描。
沿着道路中线设站扫描，在控制点架设扫描仪对中整平并量取仪器高，设定好扫描参数后开始扫描。对于没有控制点的区域采用自由设站通过标靶配准的方式，从而保证了作业效率及数据的精度。
3.2 内业处理方案
（1）数据拼接，由于获取的每站扫描点云都是以扫描测站为参考点的独立坐标系，需要在Cyclone中对点云进行拼接及坐标转换，将扫描点云数据转拼接换至统一的城市坐标系下。（2）点云去噪，由于拼接后完整的点云中包含移动物体（车、人等）、构筑物及树木等，利用Cyclone软件中将非地形、地物数据删除，减少数据冗余，处理后数据仅包含地表点。（3）地形图及纵横断面绘制。①地形图绘制，使用CloudWorx在CAD中绘制1∶500地形图。窨井、树、杆等有规则形状的独立地物，采用拟合中心的方法获取位置;路边线、房屋等现状特征可以直接描边。②纵横断面绘制，将道路中线导入点云数据中，在Cyclone中对点云进行切片，纵断面沿道路中线做切片，横断面按桩号垂直中线做切片并将切片数据输出绘制纵横断面。③对地形起伏较大区域可以用Cyclone生成等高线，计算土方量。（4）精度评定，使用全站仪对现场重要地物进行测量，以此检查扫描成果的平面点位精度和高程精度。
4 道路工程案例分析
4.1 工程概况
某条道路进行大修，根据设计专业提供的测量要求需提供1∶500数字地形图、道路纵横断面等，由于现场车流量较大，地形地物复杂，项目工期较紧，综合考虑后决定采取Leica-P40三维激光扫描仪进行外业扫描，内业结合Cyclone及CAD等软件进行地形图、纵横断面绘制。
4.2 外业扫描
扫描沿线布设有控制点，在控制点上设站扫描将扫描坐标系转换至已知坐标系下。本次外业共扫描10站，扫描线路350m，扫描测站沿线路均匀分布。
4.3 点云拼接及道路点云提取
外业扫描结束后，将点云数据及控制点导入Cyclone中，点云拼接具体实现采用控制点拼接和标靶拼接，拼接完成后对点云进行去噪，剔除周边冗余点云只留下道路点云。道路点云模型如图1所示。本次拼接最大拼接误差为1.4cm，多数误差在1cm以内，拼接精度可以满足该工程的需要。
4.4 地形图绘制
利用拼接点云在Cyclone和CAD软件中绘制道路1∶500地形图及道路纵横断面。也可以直接提取地形地物点及纵横断面数据以TXT格式导出，在CAD软件中按照传统方式绘制地形图及纵横断面。为了提高绘图效率，这里综合使用Cyclone和CAD软件绘制地形图，然后将设计提供中线导入点云中，利用Cyclone切片功能按照中线桩号对拼接后点云进行切片获取纵横断面数据，见图2。
4.5 精度评定
根据项目要求本工程需提供1∶500地形图及道路纵横断面成果，为了验证地形地物点及纵横断面的精度，这里对地形图部分地物点（如窨井、房角点等）的平面位置精度、高程精度断面点的高程精度进行验证。使用全站仪和水准仪采集特征地物点，采集21点地物点高程，20点纵断面点高程，在拼接后点云中提取对应点平面及高程值进行精度分析。
经过整理计算，地物检查点平面中误差7.61cm，地物检查点高程中误差为0.91cm，纵断面高程中误差为0.78cm。所有检查点平面及高程较差的分布图，精度可以满足《工程测量规范》（GB/50026—2007）1∶500地形图要求。
4.6 数据量及工作效率对比
传统方式进行道路地形及纵横断面测量时，一般只采集明显地物点及纵横断面地形变化处地形点，采集数据量有限，一般情况10个左右地形点即表示一条横断面;而三维激光扫描通过非接触测量的方式直接获取高精度道路地表三维点云模型，设计阶段设计人员可以根据高精度的扫描数据更精确的确定工作量及设计更好的方案，如图3所示。
另外三维激光扫描技术可以人员作业强度，减少作业时间，提高作业效率。该工程使用传统方式作业外业测量（1∶500地形图及纵横断面测量）需要两个工作日，内业数据处理大约需一个工作日，共采集地形点数据600个点;而使用扫描议外业测量（外业扫描）仅需几个小时，外业效率极高，内业数据处理时间相当，且数据量丰富。
5 结语
運用三维激光扫描技术进行地形测量，能快速、详细的获取地形表面详细、真实的信息。与传统地形测量手段相比，扫描仪快速获取海量点云数据的特点，极大提高了外业测量工作效率，降低外业测量工作的强度，将工作重点转移到内业。另外本文通过将扫描仪测图与全站仪测图成果进行对比分析，发现三维激光扫描仪的精度完全可以满足地形图测绘的要求。
目前还没有一套完整有效的基于点云数据的地形图绘制的方法，只能通过将数据在各个软件之间转换、处理，最终绘制成地形图。并且还没有完善的软件能够满足点云的各种非地形点剔除要求，一般需要手动剔除大量的点云数据。另外扫描点云中只能分辨出距离较近的地面上窨井类型，对于距离较远的窨井只能判断井位不能判断类型。因此将三维激光扫描技术成熟应用于地形图绘制还需要长期的研究。
参考文献
[1] 刘华.车载激光点云地物提取与分类研究[J].测绘学报，2020，49（11）：1506.
[2] 羌鑫林，李广伟，王留召，等.基于SSW点云数据的矢量地图平面精度自动校验方法[J].测绘通报，2019（3）：98-102.
[3] 吴俣昊.无人机载激光线扫描雷达系统浅滩三维成像研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.
[4] 余培永.基于地面三维激光扫描的古建筑三维重建及虚拟现实的应用研究[D].赣州：江西理工大学，2019.
[5] 姜朝，陈蕊，闫胜武，等.高速滑轨控制测量网的建立及精度评估[J].测绘科学，2018，43（4）：155-160，167.
[6] 史正军.三维激光扫描技术在建筑立面测绘中的应用[J].北京测绘，2020，34（10）：1388-1391.