三維激光掃描儀若干問(wèn)題的研究

熊愛(ài)成 楊俊志 葉作權(quán)

（1.天津市陸海測(cè)繪有限公司，天津 300191；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100036）

0 引言

為了準(zhǔn)確獲取被測(cè)對(duì)象的表面特征，從20世紀(jì)70 年代開(kāi)始，人們就探索使用激光、投影儀和照相機(jī)來(lái)獲取被測(cè)對(duì)象表面特征信息，但限于當(dāng)時(shí)硬件設(shè)備性能及技術(shù)水平，直到1992 年，法國(guó)芒西（Mensi）公司才生產(chǎn)出了世界上第一臺(tái)商用三維激光掃描儀（three-dimensional laser scanner，3DLS）Soisic（索伊斯），Soisic 激光掃描儀每秒可掃描100 個(gè)點(diǎn)，最大掃描范圍為10 m，但經(jīng)過(guò)試用，該臺(tái)儀器存在太多的缺陷，無(wú)法真正投入生產(chǎn)實(shí)踐中。1998 年，美國(guó)賽瑞技術(shù)公司（Cyra Technologies，Inc.）生產(chǎn)出了世界上第一臺(tái)便攜式三維激光掃描儀Cyrax（賽瑞克斯），Cyrax 激光掃描儀能夠滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需求，包含電池及筆記本電腦在內(nèi)，質(zhì)量約為40 kg，每秒可掃描1 200個(gè)點(diǎn)，最大掃描距離為50 m，掃描可覆蓋40°（水平方向）×40°（垂直方向）的視野（field of view，F(xiàn)OV）［1］。

2003 年，美國(guó)天寶導(dǎo)航有限公司（Trimble Inc.）收購(gòu)了Mensi 公司，生產(chǎn)出了最大掃描距離達(dá)200 m 的Trimble（Mensi）GS200［2］。Trimble 公司當(dāng)前的最新產(chǎn)品Trimble TX8，其最大掃描距離達(dá)340 m，每秒最多可以掃描100萬(wàn)個(gè)點(diǎn)［3］。

2000 年11 月，Cyra 公司與徠卡測(cè)量系統(tǒng)（Leica Geosystems）合并，生產(chǎn)出了掃描距離達(dá)250 m 的三維激光掃描儀Cyrax 2500（Leica HDS2500）［4］。Leica 公司當(dāng)前的最新產(chǎn)品Leica RTC360，其最大掃描距離達(dá)130 m，每秒最多可以掃描20萬(wàn)個(gè)點(diǎn)［5］。

除Trimble 公司、Leica 公司生產(chǎn)三維激光掃描儀外，還有德國(guó)措勒爾-弗倫利希有限公司（Zoller &Fr?hlich GmbH）生產(chǎn)的Z+F 系列三維激光掃描儀、美國(guó)法如科技有限公司（FARO Technologies，Inc.，F(xiàn)ARO）生產(chǎn)的FARO 系列三維激光掃描儀、奧地利瑞格激光測(cè)量系統(tǒng)有限公司（RIEGL Laser Measurement Systems GmbH）生產(chǎn)的RIEGL 系列三維激光掃描儀等。三維激光掃描儀已經(jīng)在林業(yè)、冶金、汽車、電子、機(jī)器人導(dǎo)航、考古、建筑、電影娛樂(lè)、道路設(shè)計(jì)及建設(shè)、測(cè)繪等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用［6］。

1 三維激光掃描儀的測(cè)距原理

三維激光掃描儀的基本測(cè)距方法可以分為：三角測(cè)距法、脈沖測(cè)距法和相位測(cè)距法。脈沖測(cè)距法亦稱為時(shí)間差（time of flight，TOF）法，相位測(cè)距法與時(shí)間差法本質(zhì)上是一致的，只是把測(cè)量測(cè)距信號(hào)的往返時(shí)間轉(zhuǎn)換成為測(cè)量測(cè)距信號(hào)的相位延遲而已。

1.1 三角測(cè)距法

三角測(cè)距法的原理如圖1所示。激光光源發(fā)射的激光照射到被測(cè)物體后，經(jīng)棱鏡組成像至電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD）/位置敏感探測(cè)器（position sensitive detectors，PSD）上，CCD/PSD 傳感器獲取激光光斑的位置變化值Δz，則可以按照計(jì)算出被測(cè)物體的位移量ΔZ，即

圖1 三角測(cè)距法測(cè)量原理示意［6］

式中，K為儀器的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

當(dāng)采用面陣CCD/PSD 傳感器時(shí)，則可以測(cè)量出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)，更為詳細(xì)的公式推導(dǎo)可以查閱文獻(xiàn)［7］。

1.2 脈沖測(cè)距法

脈沖測(cè)距法的基本原理如圖2所示。

圖2 脈沖法測(cè)距的基本原理

由圖2 可以看出，測(cè)距信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)射的測(cè)距信號(hào)由被測(cè)物體反射后，儀器接收裝置接收到該測(cè)距信號(hào)，設(shè)測(cè)距信號(hào)往返儀器與被測(cè)物體之間的時(shí)間為t，則儀器與被測(cè)物體之間的距離d為

式中，c為測(cè)距時(shí)的實(shí)際光速值，由真空中的光速值c0=299 792 458 m/s、溫度及大氣壓力計(jì)算出。

夏天一身汗、冬天一身霜，晴天一身土、雨天一身泥。簡(jiǎn)短幾句話道出了養(yǎng)路工作的艱辛。他雖然身在中層領(lǐng)導(dǎo)崗位，仍然保持著養(yǎng)路工人的作風(fēng)。為了保證公路通暢，他同養(yǎng)路工人們一樣，冬天，不畏嚴(yán)寒，除雪保暢；夏天，不懼酷暑，奮戰(zhàn)一線，真心守護(hù)著公路，揮灑著青春和汗水。夏季工作，他迎著初升的太陽(yáng)，上路巡檢，安排工人處置病害。中午氣溫達(dá)到零上30多度，汗水浸透了橘黃色的工作服,艱難困苦并沒(méi)有嚇倒他，他帶領(lǐng)工人們以苦為樂(lè)、以路為業(yè)，用忘我的奉獻(xiàn)精神戰(zhàn)勝了困難，鋪平了道路。工作帶給他無(wú)盡的歡樂(lè)，豐富了他奮進(jìn)的心靈，鞭策他更加奮進(jìn)、更加執(zhí)著。

1.3 相位測(cè)距法

假定測(cè)距信號(hào)往返儀器與被測(cè)物體之間的相位差為φ，對(duì)于波長(zhǎng)為λ的測(cè)距信號(hào)，有

式中，N為測(cè)距信號(hào)的個(gè)數(shù)為不足一個(gè)波長(zhǎng)的尾數(shù)。

對(duì)于頻率為f的測(cè)距信號(hào)，則有

將式（4）帶入式（3），可得

由于儀器無(wú)法直接測(cè)量測(cè)距波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)N，只能夠測(cè)量不足一個(gè)波長(zhǎng)的相位差Δφ，為了確定式（5）中的d，一般情況下是采用不同波長(zhǎng)的測(cè)尺來(lái)測(cè)量同一段距離，最后進(jìn)行組合來(lái)消除式（5）中的不確定性。

為了利用相位測(cè)距法與脈沖測(cè)距法的優(yōu)點(diǎn)，有的儀器將這兩種方法組合在一起，這樣就獲得了測(cè)程長(zhǎng)、精度高的結(jié)果。

2 三維激光掃描儀的分類

三維激光掃描儀的分類方式有多種，按照測(cè)距方式分，可得到本文第1 節(jié)所列的3 種；按照測(cè)距遠(yuǎn)近分，則可為長(zhǎng)程、中程和短程；也可以按照載體方式對(duì)三維激光掃描儀進(jìn)行分類的。載體方式分類便于設(shè)備搭載多種傳感器，也便于更加清晰地制定測(cè)量規(guī)范，本文采用載體方式進(jìn)行分類。

2.1 動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀

如果將激光掃描儀、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）接收機(jī)、慣性測(cè)量裝置（inertial measurement unit，IMU）等傳感器安置到衛(wèi)星、飛機(jī)、直升機(jī)、汽車、氣球、自行車等載體上，可以構(gòu)成動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀（mobile laser scanner，MLS）。GNSS 接收機(jī)用來(lái)測(cè)量激光掃描儀的位置，IMU 用來(lái)測(cè)量激光掃描儀的姿態(tài)，通過(guò)對(duì)這些傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，就可以獲得被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)。圖3 為動(dòng)態(tài)激光掃描儀示意圖［8］。動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀亦稱為激光雷達(dá)（light detection and ranging，LiDAR）。

圖3 動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀

2.2 靜態(tài)三維激光掃描儀

如果將激光掃描儀安置到三腳架等固定裝置上，則可以構(gòu)成靜態(tài)三維激光掃描儀（static laser scanners，SLS）。一般情況下，靜態(tài)三維激光掃描儀裝載有角度傳感器，在測(cè)量目標(biāo)的距離時(shí)，可以同時(shí)測(cè)量出水平角及豎直角，地面激光掃描儀（terrestrial laser scanner，TLS）就是SLS 的典型代表，圖4 為地面激光掃描儀的示意圖。地面激光掃描儀測(cè)量?jī)x器與被測(cè)物體之間的距離S、水平角α、豎直角θ，則目標(biāo)點(diǎn)P(x，y，z)的坐標(biāo)為

圖4 地面激光掃描儀［9］

2.3 手持式三維激光掃描儀

如果激光掃描儀體積小、質(zhì)量輕，作業(yè)人員能夠手持這種儀器進(jìn)行工作，這類三維激光掃描儀稱為手持式三維激光掃描儀（handheld laser scanners，HLS），HLS 通常也稱為手持式可移動(dòng)地面激光掃描儀（handheld mobile terrestrial laser scanning，HMTLS），圖5 為加拿大形創(chuàng)有限公司（Creaform Inc.）生產(chǎn)的手持式三維激光掃描儀。

圖5 手持式三維激光掃描儀［10］

3 三維激光掃描儀當(dāng)前面臨的問(wèn)題

3.1 檢定規(guī)范的問(wèn)題

三維激光掃描儀作為獲取被測(cè)對(duì)象特征及尺度的儀器，其精度及可靠性決定了獲取成果的質(zhì)量。雖然儀器生產(chǎn)廠家標(biāo)稱了儀器的精度指標(biāo)，但還需要按照一定的規(guī)范進(jìn)行檢定。目前對(duì)于動(dòng)態(tài)三維掃描儀采用的方法是在一定的區(qū)域布設(shè)標(biāo)志點(diǎn)，用其他方法首先測(cè)量出這標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)，然后再用動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀對(duì)這些標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行掃描，求取動(dòng)態(tài)三維激光掃描儀獲得的坐標(biāo)，比較二者的差異；對(duì)于靜態(tài)激光掃描儀，則是按照全站儀的檢定方法，對(duì)其測(cè)距、測(cè)角精度進(jìn)行檢定；對(duì)應(yīng)手持激光掃描儀，則是按照坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（coordinate measuring machine，CMM）檢定方法進(jìn)行檢定的。很顯然，現(xiàn)有的這些方法很難評(píng)價(jià)包括激光掃描儀、GNSS 接收機(jī)、慣性測(cè)量裝置等多傳感器獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此，依據(jù)三維激光掃描儀的特點(diǎn)，制定出合適的規(guī)范對(duì)多傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，是一項(xiàng)具有重要意義的工作。

3.2 多路徑問(wèn)題

當(dāng)測(cè)距信號(hào)投射到墻角、階梯、植被等場(chǎng)景時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多路徑問(wèn)題。圖6 為測(cè)距信號(hào)穿過(guò)樹(shù)時(shí)，測(cè)距信號(hào)的反射情況，圖7為測(cè)距信號(hào)投射到墻角產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)。如何消除測(cè)量數(shù)據(jù)即點(diǎn)云（point cloud）中的多路徑效應(yīng)。

圖6 測(cè)距信號(hào)穿過(guò)樹(shù)枝產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)［11］

圖7 測(cè)距信號(hào)投射到墻角產(chǎn)生的多路徑效應(yīng)［12］

為消除三維激光掃描儀數(shù)據(jù)中存在的多路徑效應(yīng)，可以從如下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：

（1）開(kāi)發(fā)新的測(cè)距方法如全波形測(cè)距法、多光譜測(cè)距法［13-14］來(lái)獲取更為豐富的原始數(shù)據(jù)，使多路徑信息盡可能多地體現(xiàn)在原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中。

（2）采用如八叉樹(shù)的分裂合并（octree splitting and merging，OSM）算法、隨機(jī)采樣一致性（random sample consensus，RANSAC）算法［15-16］等新算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，來(lái)消除原始觀測(cè)數(shù)據(jù)中的噪聲，達(dá)到消除多路徑效應(yīng)的目的。

3.3 被測(cè)物體表面的反射率問(wèn)題

當(dāng)測(cè)距信號(hào)投射到玻璃墻、不銹鋼表面、凹凸的地面、低反射率的瀝青路面時(shí)，這些材質(zhì)將會(huì)對(duì)測(cè)距信號(hào)嚴(yán)重的影響，有時(shí)候還可能獲得不了測(cè)量結(jié)果，產(chǎn)生數(shù)據(jù)黑洞（data blackholes，DBH），數(shù)據(jù)黑洞亦稱為數(shù)據(jù)空洞（data gaps，DG）。目前主要采用恰當(dāng)?shù)乃惴▽?duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，恢復(fù)被測(cè)對(duì)象的實(shí)際情況。

4 三維激光掃描儀的應(yīng)用前景

隨著三維激光掃描儀的體積越來(lái)越小，功能越來(lái)越多，其應(yīng)用前景必定會(huì)越來(lái)越廣，主要體現(xiàn)在：

（1）三維激光掃描儀可以采集海量的數(shù)據(jù)，需要花費(fèi)大量的數(shù)據(jù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，滿足不了實(shí)時(shí)測(cè)量在線測(cè)量的需求，一種可行的方案是將三維激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器，由云服務(wù)器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后再將處理結(jié)果發(fā)回至三維激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。

（2）與同步定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping，SLAM）技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)陌生、危險(xiǎn)環(huán)境的探測(cè)。在室內(nèi)或隧道、洞穴、礦井或具有潛在危險(xiǎn)的建筑物中使用三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于儀器無(wú)法接收GNSS的衛(wèi)星信號(hào)，無(wú)法實(shí)時(shí)確定三維激光掃描儀的位置，但采用SLAM 技術(shù)，可以構(gòu)建這些未知環(huán)境的地圖，同時(shí)使用構(gòu)建的地圖進(jìn)行導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些陌生環(huán)境的測(cè)量。

（3）多傳感器數(shù)據(jù)融合。除了可以將三維激光掃描儀安裝在無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）上外，還可以在UAV 上裝載超聲波測(cè)距儀（ultrasonic distance measuring instrument，UDMI）、視覺(jué)相機(jī)及IMU，從而實(shí)現(xiàn)快速、精確獲取被測(cè)對(duì)象的詳細(xì)信息，滿足生產(chǎn)實(shí)踐的需求。

（4）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augment reality，AR）或者虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的三維立體展示。

5 結(jié)束語(yǔ)

三維激光掃描儀憑借其高效率、高精度、非接觸性和易使用等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的很多行業(yè)得到了初步應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了滿足生產(chǎn)實(shí)踐的多種需求。但是，由于缺乏權(quán)威統(tǒng)一的檢定標(biāo)準(zhǔn)、功能齊全的應(yīng)用軟件，這使得三維激光掃描儀的應(yīng)用處于碎片化、各自為政的局面。為更好地發(fā)揮三維激光掃描儀的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)三維激光掃描儀在更廣泛的范圍內(nèi)使用，需要盡快解決以下問(wèn)題：①按照分類指導(dǎo)的原則，針對(duì)不同類型的三維激光掃描儀制定相應(yīng)的檢定規(guī)范，用以規(guī)范儀器精度的檢定；②深入研究不同反射介質(zhì)對(duì)三維激光掃描儀的影響，并制定相應(yīng)的作業(yè)方案，規(guī)避由反射介質(zhì)對(duì)測(cè)量成果的影響；③進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)據(jù)處理軟件，完善數(shù)據(jù)處理軟件的功能，以滿足各種生產(chǎn)實(shí)踐的需要。