三維激光掃描分類及工作流程

1、一、地面激光掃描系統(tǒng)1、概述地面激光掃描儀系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測量中的全站儀，它由一個激光掃描儀和一 個內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機(jī)，以及軟件控制系統(tǒng)組成。二者的不同之處在于激光掃 描儀采集的不是離散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，而是一系列的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)云數(shù) 據(jù)可以直接用來進(jìn)行三維建模，而數(shù)碼相機(jī)的功能就是提供對應(yīng)模型的紋理信息。2、工作原理三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾 乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算日標(biāo)點(diǎn) P與掃描儀距離S,控制編碼 器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值a和縱向掃描角度觀測值B。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。 X軸在橫向掃描面內(nèi)，丫軸在

2、橫向掃描 面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得 P的坐標(biāo)。進(jìn)而轉(zhuǎn) 換成絕對坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。3、作業(yè)流程整個系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè) 備構(gòu)成，它采用非接觸式高速激光測量方式， 獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形 數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換 成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型， 以多種不同的格式輸出，滿足空間信息 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。(1) 、數(shù)據(jù)獲取利用軟件平臺控制三維激光掃描儀對特定的實(shí)體和反射參照點(diǎn)進(jìn)行掃描，盡 可能多的獲取實(shí)體相關(guān)信息。三維激光掃描儀最終獲取的是空間實(shí)體的幾

3、何位置 信息，點(diǎn)云的發(fā)射密度值，以及內(nèi)置或外置相機(jī)獲取的影像信息。這些原始數(shù)據(jù) 一并存儲在特定的工程文件中。其中選擇的反射參照點(diǎn)都具有高反射特性， 它的 布設(shè)可以根據(jù)不同的應(yīng)用目的和需要選擇不同的數(shù)量和型號，通常兩幅重疊掃描中應(yīng)有四到五個反射參照點(diǎn)。(2) 、數(shù)據(jù)處理1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)獲取完畢之后的第一步就是對獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)用過濾算法剔除原始點(diǎn)云中的錯誤點(diǎn)和含有粗差的點(diǎn)。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識別分 類，對掃描獲取的圖像進(jìn)行幾何糾正。2）數(shù)據(jù)拼接匹配一個完整的實(shí)體用一幅掃描往往是不能完整的反映實(shí)體信息的，這需要我們在不同的位置對它進(jìn)行多幅掃描，這樣就會引起多幅掃描結(jié)果之間的拼

4、接匹配問題。 在掃描過程中，掃描儀的方向和位置都是隨機(jī)、 未知的，要實(shí)現(xiàn)兩幅或多幅掃描 的拼接，常規(guī)方法式是利用選擇公共參照點(diǎn)的辦法來實(shí)現(xiàn)這個過程。這個過程也叫作間接的地理參照。選取特定的反射參照目標(biāo)當(dāng)作地面控制點(diǎn)，利用它的高對比度特性實(shí)現(xiàn)掃描影像的定位以及掃描和影像之間的匹配。掃描的同時，采用傳統(tǒng)手段，如全站儀測量，獲得每幅掃描中控制點(diǎn)的坐標(biāo)和方位，再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn) 換，計(jì)算就可以獲得了實(shí)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的絕對坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。這一系列工作包含著人工參與和計(jì)算機(jī)的自動處理，是半自動化完成的。（3）、建模1）算法選擇在數(shù)據(jù)處理完成后，接下來的工作就是對實(shí)體進(jìn)行建模，而建模的首要工作 是數(shù)學(xué)算法的選擇

5、。這是一個幾何圖形反演的過程，算法選擇的恰當(dāng)與否決定最 終模型的精度和和數(shù)據(jù)表達(dá)的正確性。2）模型建立和紋理鑲嵌選擇了合適的算法，可以通過計(jì)算機(jī)直接對實(shí)體進(jìn)行自動建模。點(diǎn)云數(shù)據(jù)保 證了表面模型的數(shù)據(jù)（DSM）,而影像數(shù)據(jù)保證了邊緣（Edges）和角落（Comer）的信 息完整和準(zhǔn)確。通過自動化的軟件平臺，用獲取的點(diǎn)云強(qiáng)度信息和相機(jī)獲取的影 像信息對模型進(jìn)行紋理細(xì)節(jié)的描述。3）數(shù)據(jù)的輸出與評價基于不同的應(yīng)用目的，可以把數(shù)據(jù)輸出為不同的形式，直接為空間數(shù)據(jù)庫或 工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源。然而數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量如何呢，能否滿足各種應(yīng)用的要求 對結(jié)果進(jìn)行綜合的評估分析仍是很重要的一步，評估的模型和評價標(biāo)準(zhǔn)要根

6、據(jù)不 同的應(yīng)用目的來確定。4、特點(diǎn)（1）可以在較短的時間內(nèi)獲取關(guān)于目標(biāo)對象的高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)（2）自動化（3）非接觸測量，夜間測量（4）數(shù)據(jù)信息豐富（三維坐標(biāo)、強(qiáng)度信息、色彩信息）（5）數(shù)據(jù)量大，設(shè)備貴，作業(yè)員要求高5、應(yīng)用（1）地面景觀形體測量：地面景觀形體測量可為三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、 三位測量及 逆向工程、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)提供服務(wù)，能夠快速、高精度地完成 復(fù)雜的古建筑測量、大型景觀三維數(shù)字設(shè)計(jì)與模版制作。（2）復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測量與建模：利用激光掃描儀分段掃描，獲得各站上復(fù)雜 工業(yè)設(shè)備的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將不同站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理以及 粗差剔除、利用公共點(diǎn)進(jìn)行拼接、合并和應(yīng)用響

7、應(yīng)的軟件就可以生成這些 復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的模型，為設(shè)備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型參 考，極大的提高了工作效率。（3） 建筑與文物的保護(hù)：工作流程基本同（2），這樣做成的電子文獻(xiàn)，易于保 存，能詳細(xì)了解表面，隨時方便地得到等值線、截面、剖面等。當(dāng)建筑和 文物遭到破壞后能及時準(zhǔn)確而有效的提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。（4）城市三維可視化模型的建立：在街道上對建筑物的內(nèi)外進(jìn)行三維激光掃描， 掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用數(shù)據(jù)濾波和分類算法獲得地面高程數(shù) 據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。也適用于GIS數(shù)據(jù)庫更新，旅游向?qū)Ш吞摂M現(xiàn)實(shí)制作等。（5）帶狀地形測圖測量和礦山測量：（6）森林和農(nóng)業(yè)資源調(diào)查：應(yīng)用激光掃描儀對森林里

8、的樹木進(jìn)行掃描， 可以非 常準(zhǔn)確的了解某時刻的森林現(xiàn)狀。不同時間測量結(jié)果比較還能了解森林動 態(tài)變化。（7）變形監(jiān)測：以均勻的精度高密度地測量，測量的數(shù)據(jù)可以獲得更多的信息， 特別是局部詳細(xì)變形信息。二、車載激光掃描系統(tǒng)1、概述車載激光掃描系統(tǒng)是集成了激光掃描儀，CCD相機(jī)以及數(shù)字彩色相機(jī)的數(shù)據(jù) 采集和記錄系統(tǒng)，GPSS收機(jī)，基于車載平臺，由激光掃描儀和攝影測量獲得原始數(shù)據(jù)作為三維建模的數(shù)據(jù)源。2、作業(yè)流程（1）數(shù)據(jù)采集首先，利用GPM載車進(jìn)行定位，獲得準(zhǔn)確的測量原點(diǎn)大地坐標(biāo)。再利用GPS 和IMU對載車測繪基準(zhǔn)的姿態(tài)進(jìn)行測量，得到大地坐標(biāo)系下三維激光掃描儀的高 低角、偏航角以及滾動角。然后，利

9、用三維激光掃描儀對測繪點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測量， 得到測繪點(diǎn)相對于測繪基準(zhǔn)的方向角、 高低角以及距離。通過坐標(biāo)換算的到測繪 點(diǎn)的大地坐標(biāo)。目標(biāo)屬性等信息通過 CCD相機(jī)同步采集的照片進(jìn)行辨識。（2）數(shù)據(jù)處理高速視頻攝像機(jī)的圖像信息不參與三維真實(shí)場景建模，主要用于測量場景記 錄。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，通過對高精度定位定向系統(tǒng)各傳感器測量信息的處理得 到車輛行駛的準(zhǔn)確路線和姿態(tài)；通過對激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)、線、面特 征的提取可確定測量物體的三維幾何形狀；利用高精度定位定向系統(tǒng)輸出的位置 和姿態(tài)信息、從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取測量物體三維幾何形狀及從面線陣CCD相機(jī)測量信息中提取的線性特征和紋理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二三維真實(shí)場

10、景建模。目前常見的三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用的都是面陣相機(jī)進(jìn)行紋理信息采集。 數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)分類和建筑物特征提取。1）數(shù)據(jù)預(yù)處理目的就是將車載激光掃描樂統(tǒng)采集的 GPS數(shù)據(jù)、三維激光掃描儀數(shù)據(jù)等聯(lián)合 解算得到數(shù)據(jù)后處理所用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2）數(shù)據(jù)濾波主要是去除測量噪聲和提取地面點(diǎn)，得到后續(xù)處理所需要的原始數(shù)據(jù)。3）數(shù)據(jù)分類以自動化和人工交互相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)，目的是將濾波后的激光掃描數(shù)據(jù)區(qū) 分為地面點(diǎn)和其他不同種類的地物點(diǎn)。4）建筑物特征提取從分類后的數(shù)據(jù)巾提取建筑物數(shù)據(jù)，從中提取建筑物特征。3、特點(diǎn)1）該系統(tǒng)借助于搭載在運(yùn)動載體上的傳感器并輔之以導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行載 體的絕對位置

11、獲取通過建立相對位置傳感器和絕對位置傳感器統(tǒng)一的時間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)完成數(shù)據(jù)的融合，既滿足建模的高效、精細(xì)，又滿足測量的高精度。2）數(shù)據(jù)信息豐富。獲取的點(diǎn) 數(shù)據(jù)包含物體表面精細(xì)的數(shù)據(jù)信息，每個點(diǎn)均 帶有三維坐標(biāo)信息和回光強(qiáng)度值，真實(shí)地展現(xiàn)了物體的原貌，可以有效解決形狀 復(fù)雜物體的建模問題。3）在城市人口、建筑密集區(qū)，無地面控制點(diǎn)的情況下，可以實(shí)時、動態(tài)、快 速地采集目標(biāo)地物的三維信息。4）與機(jī)載系統(tǒng)相比，獲取數(shù)據(jù)為三維空間物體立面的幾何信息， 距離物體較 近，數(shù)據(jù)精度也相對提高，節(jié)約了成本。4、應(yīng)用:（1）公路測量，維護(hù)和勘察，公路檢測，公路幾何模型（2）道路設(shè)施（3）電力設(shè)施？（4）測繪工程領(lǐng)

12、域：鐵路測繪，河道測繪（5）結(jié)構(gòu)分析（立交橋）（6）淹水評估分析？（7）在GIS系統(tǒng)中的疊加分析？（8）滑坡變形測量與危害分析，滑石和流水分析（9）交通流量分析，安全評估和環(huán)境污染評估 ？（10）土石方量分析？（11）駕駛視野和安全分析？（12）城市建模（13）海事、軍事、勘測等三、機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)? 1、概述機(jī)載三維掃描系統(tǒng)是一種集激光掃描儀 （Scanner）、全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）以及高分辨率數(shù)碼相機(jī)等技術(shù)于一身的光機(jī)電一體化集成系統(tǒng)， 用于獲得激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型 （DEM、DSM數(shù)字表面模型）， 同時獲取物體 DO（數(shù)字正射影像、信息，通

13、過對激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，DSMDOh可得到真實(shí)的三維場景圖。它將三維激光掃描儀和航空數(shù)碼攝像機(jī)裝載在飛 機(jī)上,利用激光測距原理和航空攝影測量原理，快速獲取地球表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和影 像數(shù)據(jù)。2、作業(yè)流程(一) 數(shù)據(jù)獲取(1) .在航飛前要制訂飛行計(jì)劃。航飛計(jì)劃應(yīng)包括航帶劃分，確定飛行高度、速 度、激光脈沖頻率、航帶寬度、激光反射鏡轉(zhuǎn)動速度、數(shù)碼相機(jī)方位元素及定位、 相機(jī)拍攝時間間隔等，并將各航帶的首尾坐標(biāo)及其他導(dǎo)航坐標(biāo)輸入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)， 在飛行導(dǎo)航控制軟件的輔助下進(jìn)行飛行作業(yè)。(2) .安置GPS接收機(jī)。為保證飛機(jī)飛行各時刻的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度，需要在 地面沿航線布設(shè)一定數(shù)量的 GP8S準(zhǔn)站，同時將

14、GPS流動站安置在飛機(jī)上。(3) 激光掃描測量。預(yù)先設(shè)置好掃描鏡的擺動方向和擺動角度，當(dāng)飛機(jī)飛行時，紅外激光發(fā)生器向掃描鏡上不停地發(fā)射激光，通過飛機(jī)的運(yùn)動和掃描鏡的運(yùn)動反 射，使激光束打到地面并覆蓋測區(qū)，當(dāng)激光束到達(dá)地面或遇到其它障礙物時被反 射回來，被一光電接收感應(yīng)器接收并將其轉(zhuǎn)換成電信號。根據(jù)激光發(fā)射至接收的時間間隔即可精確測出傳感器至地面的距離。(4) 慣性測量。當(dāng)飛機(jī)飛行時，慣性測量裝置同時也將飛機(jī)的飛行姿態(tài)測出來， 并和激光的有關(guān)數(shù)據(jù)、掃描鏡的掃描角度一起記錄在磁帶上。(5) .數(shù)碼相機(jī)拍攝。利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝時，需要對其拍攝時間間隔和拍攝 位置進(jìn)行控制。通常是用GPS系統(tǒng)進(jìn)行時間

15、和位置控制。(6) .數(shù)據(jù)傳輸。航飛數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將所有的激光掃描測量數(shù)據(jù)、數(shù)碼影像 數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及慣性測量數(shù)據(jù)都傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理作準(zhǔn)備。(二) 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理機(jī)載激光掃描儀原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理階段，生成數(shù)字表面模型 DSM再經(jīng)過 數(shù)據(jù)的過濾和特征提取，得到與建模相關(guān)的地形和地物等信息，才可供后續(xù)的應(yīng) 用。(1) 原始飛行數(shù)據(jù)。機(jī)載GPS與地面基站GPS勺空間位置數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)、激光反射強(qiáng)度信息以及回波數(shù)據(jù)、原始數(shù)碼影像。(2) 航線重構(gòu)。航線重構(gòu)為后期的航帶拼接，接邊檢查提供了數(shù)據(jù)支持。通過 對地面基站GPS數(shù)據(jù)和機(jī)載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，就可以

16、精確確定飛機(jī)飛 行軌跡。(3) 激光數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差和異常值剔除。在處理激光測距原始數(shù)據(jù)時必須剔除 異常點(diǎn)，即測距遠(yuǎn)大于飛行高度的奇異點(diǎn)或測距值特別小的無效數(shù)據(jù)。(4) 計(jì)算激光點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。對飛機(jī) GPS軌跡數(shù)據(jù)、INS飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光 測距數(shù)據(jù)及激光掃描鏡的擺動角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理， 最后得到各測點(diǎn)的(x，丫， z)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。(5) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用GPs/INS組合系統(tǒng)動態(tài)定位所提供的定位信息屬于 W6S-84 坐標(biāo)系，如果測量結(jié)果屬于其它坐標(biāo)系，則必須解決定位結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。(6) 點(diǎn)位數(shù)據(jù)讀寫。系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)硬件廠商的初步處理后交到用戶手中，由于產(chǎn)品的制造商不同，所產(chǎn)生的原

17、始數(shù)據(jù)的格式也不同。(7) 航帶拼接。利用飛行同步獲取的地面高清影像， 可以確定和消除航帶間的系 統(tǒng)誤差。航帶拼接的目的是提高重疊區(qū)域數(shù)據(jù)精度，滿足接邊地物的連貫性。(8) 多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。遙感圖像的成像模式具有多樣性，通常可以在同一地區(qū)獲得 不同傳感器、不同尺度、不同時相的數(shù)據(jù)，所以在融合這些多源數(shù)據(jù)時就必須應(yīng) 用圖像配準(zhǔn)技術(shù)，用以校正各類圖像之間的差異。(9) 濾波。目前用于機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)濾波的方法大致可分為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波法、 移動窗口法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、基于地形坡度濾波等。(10) 人工編輯。人工交互編輯的目的是剔除自動濾波，自動分類沒有濾掉的部 分粗查和未分類正確的激光點(diǎn)。(11) 接邊檢查。為確保接邊區(qū)域的地物完整和準(zhǔn)確，需要進(jìn)行基于地物特征的 算法和目視判讀方法支持。(12) 生成DEWDSM經(jīng)過上述處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插等運(yùn)算，生成可以滿足工程 標(biāo)準(zhǔn)的DEM和DSM3、特點(diǎn)與傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)相比，該技術(shù)具有直接快速獲取三