市場主流三維激光掃描儀分析及應(yīng)用研究

孫中勝 陳亮

摘 要：市場上主流的三維激光掃描儀種類繁雜，本文首先簡介三維激光掃描儀的基本原理，接著對比分析市場主流三維激光掃描儀主要技術(shù)指標(biāo)，最后闡述三維激光掃描數(shù)據(jù)的二次開發(fā)的基本方法，促進(jìn)三維激光掃描儀在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀;原理;對比分析;二次開發(fā)

中圖分類號：TP391 ????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

傳統(tǒng)的測量方法，大多是基于單個(gè)點(diǎn)的測量工作方法和手段，如全站儀。隨著測量工作的需要，逐漸擴(kuò)展為面的測量，三維激光掃描儀被引入到相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域。三維激光掃描儀，它可快速掃描被測的物體，不需直接接觸即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可高效地對真實(shí)世界進(jìn)行三維掃描和虛擬重現(xiàn)，應(yīng)用范圍非常寬廣。針對市場上涌現(xiàn)的主流三維激光掃描儀產(chǎn)品，對比分析主流三維激光掃描儀硬件產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)，闡述數(shù)據(jù)成果的應(yīng)用，并介紹數(shù)據(jù)的二次開發(fā)的基本方法。

1基本原理

三維激光掃描儀工作原理是發(fā)出一束激光束，經(jīng)過物體的表面反射，又被掃描儀所接收。通過利用掃描儀內(nèi)部高精度時(shí)鐘計(jì)算激光束的發(fā)射和接收時(shí)間差，已知激光束波速 c 和時(shí)間差t 就可以計(jì)算出相對于激光掃描儀系統(tǒng)自定義原點(diǎn)到目標(biāo)物體表面某一點(diǎn)的距離l ，同時(shí)掃描儀的測角系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取被測物體的水平角度和垂直角度，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體表面各個(gè)點(diǎn)的測量。三維激光掃描儀，根據(jù)其測距的基本原理不同分為兩種基本類型，一種為脈沖式，它發(fā)射高強(qiáng)度激光脈沖，通過接受反射回來的激光信號，并記錄發(fā)射和接受的時(shí)間差，從而得到相對于儀器自身與被測物體表面的距離。脈沖式方法具有相對簡單、測量距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)。另一種為相位式，它發(fā)射一束高強(qiáng)度的不間斷整數(shù)波長的激光，通過測量從發(fā)射到接受的相位差，已知脈沖信號的頻率和傳播速度，因此可以計(jì)算出物體表面某一點(diǎn)到掃描儀的距離。脈沖式測量具有距離近、但測量精度高的特點(diǎn)。

2主流產(chǎn)品對比分析

三維激光掃描儀被裝載到有人機(jī)、無人機(jī)、地面等平臺上，分別形成機(jī)載、地面多種類型的設(shè)備，不同的類型，具體應(yīng)用場合不完全相同。在市場繁多的產(chǎn)品中，選擇主流的設(shè)備從原理、波長、點(diǎn)頻率、測量范圍、測距精度、測角精度、激光發(fā)散度、掃描頻率等性能，分別就機(jī)載、地面兩大類的各品牌進(jìn)行對比分析。

機(jī)載平臺，飛行范圍廣，應(yīng)用靈活，被廣泛應(yīng)用，包括有人機(jī)高航高模式的和無人機(jī)中低航高模式，各主流三維激光掃描儀硬件主要技術(shù)指標(biāo)如下表1所示。

地面架站式三維激光掃描儀，形式類似常規(guī)全站儀，由于其便攜與低成本，適用于在小范圍內(nèi)完成相關(guān)任務(wù)的掃描工作，主流的產(chǎn)品主要指標(biāo)對比分析如表2所示。

3二次開發(fā)

三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)，俗稱點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用開發(fā)，一般選擇基于已有平臺或庫基礎(chǔ)展開二次開發(fā)，現(xiàn)對兩種二次開發(fā)方法展開說明。

一種為基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)庫（Point Cloud Libary，PCL）。它是一個(gè)專門用來處理三維點(diǎn)云的跨平臺開源庫，支持Windows，Linux，Android，Mac OS X等平臺。涉及點(diǎn)云處理得大量通用算法，包括點(diǎn)云獲取、濾波、分割、配準(zhǔn)、檢索、特征提取、識別、追蹤、曲面重建、可視化等基礎(chǔ)模塊，以及人體骨骼識別提取、動(dòng)作跟蹤識別等應(yīng)用。

另一種為基于CloudCompare的點(diǎn)云處理軟件。它最初設(shè)計(jì)用于比較兩個(gè)三維點(diǎn)云（例如用激光掃描儀獲得的點(diǎn)云）之間或點(diǎn)云與三角網(wǎng)格之間的比較。它是一款優(yōu)秀的高速點(diǎn)云加載的開源工具，可以方便地使用計(jì)算法向量、優(yōu)化法向量、泊松構(gòu)網(wǎng)、濾波等功能，支持海量點(diǎn)云顯示與加載，有不錯(cuò)的框架，很多公司對該工具進(jìn)行二次開發(fā)以滿足公司需要。

4總結(jié)

本文在三維激光掃描儀基本原理的基礎(chǔ)上介紹市場主流三維激光掃描儀硬件產(chǎn)品，從主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對比分析，并結(jié)合數(shù)據(jù)應(yīng)用部分的二次開發(fā)，介紹兩種簡單快捷的方法，有利于對三維激光產(chǎn)品的了解，有利于二次開發(fā)方法的選擇，為三維激光掃描儀的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

作者簡介：孫中勝，男;1974.7-，漢，吉林乾安縣人，本科，本溪鋼鐵（集團(tuán)）機(jī)電安裝工程有限公司，工程師，研究方向：工業(yè)設(shè)備精密測量。

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