摘要：机场道面性能检测是机场道面进行科学维护和高效管理的基础，其最常用的检测指标为机场道面的平整度。本文以某机场为例，应用三维激光扫描技术，探索验证了三维激光扫描在机场道面中平整度分析的可行性及优势。
1概况
1.1项目概况
以某机场为检测例子，机场建有一条 3600m×45m 的跑道。本次项目的对象则为该机场旧跑道，跑道道面每天都承载着大量飞机交通量，随着使用时间的增加，跑道道面会产生不同程度的破损和变形，使道面的平整度降低。这不仅降低了飞机起飞和着陆过程中乘客及飞行员的舒适度，还影响飞行员对仪表的准确读数和对飞机的控制，降低飞机起落架和机身疲劳寿命。
1.2设备概况
地面三维激光扫描技术是在地面利用激光扫描装置自动、系统、快速（准实时）获取对象表面的三维坐标的测量技术。利用地面三维激光扫描技术，可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则的、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、计量、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。采集的三维点云数据及三维建模结果可以进行标准格式转换，输出为其它工程软件能识别处理的文件格式。
本次项目使用的则是长距离三维激光扫描仪 ScanStation P50，扫描距离提高至 1km 以上，精度可达 3mm+10ppm（570m>1km）。使得徕卡 ScanStation P50 具有更长的测程、更高的精度以及更强大的性能，满足大场景、长距离扫描任务需求。
2测量步骤
1）架设仪器：按照设站规划将站网络最优布置，争取以最小的设站数量获得最大的覆盖面积（保证采样率的前提下）减小拼接次数。重点扫描区域应先用预览扫描后局部提高分辨率与质量参数进行精扫；
2）标靶布设：摆放棱镜球，棱镜球应距离三维扫描仪 15m 以内，棱镜方向朝向全站仪方向，球面方向朝向三维扫描仪方向，布设数量不少于个 4。使用对中杆或者其他遮挡小的方式布设，均匀分布；
3）仪器准备完毕后，首先建立工程扫描文件夹，记录扫描日期时间，查看扫描仪水平倾角仪以确保扫描仪器尽量水平放置，建议每站都检查水平倾角仪并整平。之后根据现场情况及后期处理结果需求设定合适的分辨率及质量；
4）按键扫描之前先将扫描区域附近人员离开标靶和重点扫描区域范围之外；
5）完成扫描后检查数据：查看扫描结果是否正常，参考球以及纸质标靶或者棱镜球是否在测量范围之内，是否有过往的行人或障碍物遮挡被测区域；
6）仪器搬动至下一站，以推进的方式摆放布设相应标靶；
7）重复上述 1-6 步骤，完成扫描工作；
8）所有测量任务完成后关闭仪器，清洁仪器、脚架、参考球等，检查设备齐全后收工。
3平整度分析
3.1点云预处理
地面三维激光扫描仪使用时，获取数据精度高、获取信息范围广，但由于环境、仪器和测量方式等的影响，不可避免的会有噪声点的存在；而且由于地面维激光扫描仪扫描距离有限，一站不能完成对目标道路的扫描工作而需要分多站测量，每站点云坐标不统一。为避免影响后续点云数据处理，需要先对点云数据进行配准、去噪、采样、滤波等预处理工作。拼接、去燥后的点云图如图1、图2所示。[1]
图1 拼接完成点云效果图 图2 去噪后的效果图
3.2平整度分析
在现代建设项目中，时间成本和人工成本越来越高。从上面的分析可知，传统的检测方法由于效率低、精度不高、操作不便、数据有限等局限性而不适用于大范围的地面平整度检测。而使用地面三维激光扫描仪优势凸显：速度快，不需要接触被检测物体。它可以快速获取大量的地面点云数据，节约现场作业时间。海量数据可以详细准确地评定地面的整体平整情况，从而极大地方便了维护阶段的地面检测。根据三维点云数据良好的坐标特性，以及道面标准差和国际平整度指数 IRI之间的换算关系，通过准确计算道面上点在垂直地面方向上高程的标准差，进一步获得国际平整度IRI 的数值。[2]
设第k个采样区中包含的所有点的纵坐标（高程）集合为
，其中n为采样区包含的三维点数目，计算其高程的均值：
（3-1）
对应的标准差为：
（3-2）
对所有K个采样块，计算其整体高程标准差的均值：
（3-3）
将标准差换算为国际平整度值 IRI：
（3-4）
用以上公式计算的国际通用平整度IRI值表示当前道面区域的平整度。
经计算可得：
，根据国际标准，该机场一条3600m×45m的跑道为平整的路面。[3]
4结语
本文以某机场为例，应用三维激光扫描技术，探索验证了三维激光扫描在机场道面中平整度分析中有可行性，同时具有结果直观、准确性高、可操作性强等优点。
该机场3600m×45m跑道平整度经过三维激光扫描后软件预处理及后续分析计算，并未超出规范要求，评定为合格。
参考文献：
梁金虎. 散乱三维点云预处理去噪和配准研究[D].安徽建筑大学，2019.
张梦虹. 地面三维激光扫描应用于路面平整度检测的研究[D].中国矿业大学，2018.
]李伟，刘正坤.地面三维激光扫描技术用于道路平整度检测研究[J].北京测绘，2011（03）：24-27.
论文作者:吴桂池
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/17
标签：激光论文; 平整度论文; 地面论文; 机场论文; 数据论文; 扫描仪论文; 跑道论文; 《基层建设》2019年第26期论文;