三維激光山地掃描技術(shù)概述及應(yīng)用

黃海民

（四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司 四川 成都 610200）

三維激光山地掃描技術(shù)概述及應(yīng)用

黃海民

（四川公路橋梁建設(shè)集團有限公司 四川 成都 610200）

三維激光掃描技術(shù)是最近幾年在測量方面發(fā)展起來的一個研究熱點，本文主要介紹了三維激光掃描儀的基本原理及其應(yīng)用領(lǐng)域。

三維激光掃描技術(shù)；應(yīng)用

引言

三維激光掃描系統(tǒng)是利用激光測距的原理，密集地記錄目標(biāo)物體的表面三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，對空間進行真實的三維記錄。該技術(shù)是一種基于空間點陣掃描技術(shù)和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的測量技術(shù)。從目標(biāo)實體到三維點云數(shù)據(jù)一次完成，能快速地原型重構(gòu)，可以解決危險領(lǐng)域的測量、柔性目標(biāo)的測量、需要保護對象的測量以及人員不可到達位置的測量等工作。它具有掃描速度快、實時性強、準(zhǔn)確度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點[1]。三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，在土木工程、地形測量、路橋設(shè)計、船舶建造、文物數(shù)字化保護、自然災(zāi)害調(diào)查與防護、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域。

1 三維激光掃描技術(shù)的原理

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時光電探測器接受由自然物表面反射的信號，從而進行測距。針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向的方向角，可以得到每一個掃描點與掃描儀本身的空間相對坐標(biāo)。如果掃描儀本身的空間坐標(biāo)已知，則可以求得每一掃描點的空間坐標(biāo)。激光掃描儀所獲得的數(shù)據(jù)是由全離散的矢量距離點構(gòu)成的。點云的每一個像素所包含的是一個距離值和一個角度值。

三維激光掃描儀基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重測量速度和操作簡便的同時，保證了測量的綜合精度，其測量原理主要分為測距、測角、掃描、定向四個方面。

1.1 測距原理

激光測距作為激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。目前，測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。

（1）三角測距法

三角法測距是借助三角形幾何關(guān)系，求得掃描中心到掃描對象的距離。

（2）脈沖測距法

脈沖測距法是通過測量發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標(biāo)的距離。

（3）相位測距法

相位法測距是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制，通過測定調(diào)制光信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，間接測定往返時間，并進一步計算出被測距離。

1.2 測角原理

（1）角位移測量

激光掃描儀通過改變激光光路獲得掃描角度，區(qū)別于常規(guī)儀器的度盤測角方式。

（2）線位移測量

激光掃描測角系統(tǒng)由激光發(fā)射器，直角棱鏡和CCD元件組成，激光束入射到直角棱鏡上，經(jīng)棱鏡折射后射向被測目標(biāo)，當(dāng)三維激光掃描儀轉(zhuǎn)動時，出射的激光束將形成線性的掃描區(qū)域，CCD記錄線位移量，則可得掃描角度值。

1.3 掃描原理

三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。

1.4 定向原理

三維激光掃描儀掃描的點云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標(biāo)系中，但是數(shù)據(jù)的后處理要求是大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個過程就稱為三維激光掃描儀的定向。

2 三維激光掃描測量

測量的基本原則為：先控制后碎部。在采用三維激光掃描儀進行測量時采用分測站測量，因此需要布設(shè)控制點，進行控制測量。在這個過程中控制點的作用有兩個：一個是用于點云數(shù)據(jù)的拼接；另一個是用于將點云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到絕對坐標(biāo)系，控制精度。

在布設(shè)控制網(wǎng)時，首先應(yīng)踏勘現(xiàn)場，選擇測站點，然后采用全站儀法或 GPS進行控制測量。由于測站點的精度直接影響到點云坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換精度，因此用全站儀布設(shè)控制網(wǎng)應(yīng)盡量布設(shè)成附合導(dǎo)線或閉合導(dǎo)線的形式，而用GPS布設(shè)控制網(wǎng)應(yīng)對高程進行擬合或采用水準(zhǔn)測量方法進行測量，保證高程方向的精度。

激光掃描儀是一種高度自動化的電子儀器，儀器開始工作之后一般不需要協(xié)作目標(biāo)和操作人員，按照事先設(shè)定的視域范圍進行掃描。在一個自下而上或者自上而下的掃描過程中，掃描點都位于同一個掃描面內(nèi)，也就是說掃描點在垂直掃描面的平面(XOY面)上的投影點基本上都是共線的。

三維激光掃描技術(shù)真正做到了直接從實物進行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，即從二維到三維的全景三維實測數(shù)據(jù)重構(gòu)。伴隨著光電傳感器件以及計算機技術(shù)的日趨成熟，其技術(shù)也得到了不斷的豐富和發(fā)展，越來越廣泛的應(yīng)用對該技術(shù)的發(fā)展也提出了更高的要求。利用三維激光掃描技術(shù)進行高效率、低成本、高精度、高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)采集、處理，協(xié)同GPS定位技術(shù)應(yīng)用可以解決一直困擾中國數(shù)字化信息采集的難題。三維激光掃描技術(shù)是三維數(shù)據(jù)獲取和重構(gòu)技術(shù)體系中最新的技術(shù)，該技術(shù)以獲取被測物體三維輪廓數(shù)據(jù)為目的，主要包括數(shù)據(jù)測量與數(shù)據(jù)后續(xù)處理，與傳統(tǒng)的測量技術(shù)手段有很大的區(qū)別。它能夠快速獲取物體表面每個采樣點的空間位置坐標(biāo)，然后借助于計算機軟件處理，用點、線、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來，便可以重建出實體的表面模型。

3 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

三維激光掃描測量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠全天候的對任意物體進行掃描，快速將現(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。該技術(shù)具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點，作業(yè)時間短，使用成本低，且使用方便，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前在工程、環(huán)境檢測和城市建設(shè)方面如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災(zāi)害評估、3D城市模型的建立、復(fù)雜建筑物施工、大型建筑的變形監(jiān)測等均有成功的應(yīng)用實例。隨著三維激光掃描測量技術(shù)、三維建模的研究以及計算機硬件環(huán)境的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，如制造業(yè)、文物保護、逆向工程、電腦游戲業(yè)、電影特技等，逐步從科學(xué)研究發(fā)展到進入了人們?nèi)粘Ｉ畹念I(lǐng)域。

作為新的高科技產(chǎn)品，三維激光掃描儀已經(jīng)成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠、大型結(jié)構(gòu)、管道設(shè)計、飛機船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建等領(lǐng)域里應(yīng)用。三維激光掃描儀，其掃描結(jié)果直接顯示為點云，意思為無數(shù)的點以測量的規(guī)則在計算機里呈現(xiàn)物體的結(jié)果），利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型，既省時又省力，這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的。最近幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，三維掃描設(shè)備也逐漸商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)。這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點之一，并被廣泛的應(yīng)用在各個領(lǐng)域。

4 結(jié)論

簡要介紹了三維激光掃描儀的測距、測角、掃描和定向原理；討論了三維激光掃描測量技術(shù)；論述了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

[1] 姚正明.三維激光掃描技術(shù)精度測試及應(yīng)用[J].測繪與空間地理信息,2010（8）:231-233.

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1007-6344（2016）03-0138-01

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