三維激光掃描

1、9.3三維激光掃描儀及其在地形測(cè)量中的應(yīng)用三維激光掃描儀是無(wú)合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距、和反射強(qiáng)度，自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算，或得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最遠(yuǎn)測(cè)量距離可達(dá)數(shù)千米，最高掃描頻率可達(dá)每秒幾十萬(wàn)，縱向掃描角接近90，橫向可繞儀器豎軸進(jìn)行360全圓掃描，掃描數(shù)據(jù)可通過(guò)TCP/IP協(xié)議自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，外置數(shù)碼相機(jī)拍攝的場(chǎng)景圖像可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸?shù)诫娔X中。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，結(jié)合CAD可快速重構(gòu)出被測(cè)物體的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。目前，生產(chǎn)三維激光掃

2、描儀的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美國(guó)的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奧地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司等。它們各自產(chǎn)品的測(cè)距精度、測(cè)距范圍、數(shù)據(jù)采樣率、最小點(diǎn)間距、模型化點(diǎn)定位精度、激光點(diǎn)大小、掃描視場(chǎng)、激光等級(jí)、激光波長(zhǎng)等指標(biāo)會(huì)有所不同，可根據(jù)不同的情況如成本、模型的精度要求等因素進(jìn)行綜合考慮之后，選用不同的三維激光掃描掃描儀產(chǎn)品。圖12-21是幾種不同型號(hào)的地面三維激光掃描儀。一、地面三維激光掃描儀測(cè)量原理無(wú)論掃描儀的類型如何，三維激光掃描儀的構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角

3、速度掃描的反射棱鏡組成。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。地面三維激光掃描儀測(cè)量原理圖如圖12-22所示。地面三維激光掃描儀測(cè)量原理主要分為測(cè)距、掃描、測(cè)角和定向等4個(gè)方面。1.測(cè)距原理激光測(cè)距作為激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)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(cè)距方法主要有脈沖法和相位法。脈沖測(cè)距法是通過(guò)測(cè)量發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來(lái)間接獲得被測(cè)目標(biāo)的

4、距離。激光發(fā)射器向目標(biāo)發(fā)射一束脈沖信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后到達(dá)接收系統(tǒng)，設(shè)測(cè)量距離為S，測(cè)得激光信號(hào)往返傳播的時(shí)間差為t，則有：S=12c*t，可以看出，影響距離精度的主要因素有c和t。相位法測(cè)距使用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，通過(guò)測(cè)定調(diào)制光信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，間接測(cè)定往返時(shí)間，并進(jìn)一步計(jì)算出被測(cè)距離。相位型掃描儀可分為調(diào)幅型，調(diào)頻型，相位變換型等。這種測(cè)距方式是一種間接測(cè)距方式，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射和接受信號(hào)之間的相位差，獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。測(cè)距精度較高，主要應(yīng)用在精密測(cè)量和醫(yī)學(xué)研究，精度可達(dá)mm級(jí)。脈沖法和相位法測(cè)距各有優(yōu)缺點(diǎn)，脈沖測(cè)量的距離最長(zhǎng)，但精度隨距離的增加而降低

5、。相位法適用于中程測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度。2.掃描和測(cè)角原理三維激光掃描儀通過(guò)內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，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。目前，掃描控制裝置主要有擺動(dòng)平面掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。三維激光掃描儀的測(cè)角原理區(qū)別于電子經(jīng)緯儀的度盤(pán)測(cè)角方式，激光掃描儀通過(guò)改變激光光路獲得掃描角度。把兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和掃描棱鏡安裝在一起，分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的控制微電機(jī)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光掃描儀的精確定位。3.定向原理三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)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

6、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(gè)過(guò)程就稱為三維激光掃描儀的定向。二、地面三維激光掃描儀特點(diǎn)1.非接觸測(cè)量三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量無(wú)須反射棱鏡對(duì)掃描目標(biāo)物體不需進(jìn)行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。可以用于解決危險(xiǎn)目標(biāo)及人員難以達(dá)到的情況，具有傳統(tǒng)測(cè)量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2.數(shù)據(jù)采樣率高目前采用脈沖激光的三維激光掃描儀采樣點(diǎn)速率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒，而采用相位激光方法測(cè)量的三維激光掃描儀甚至可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)/秒?？梢?jiàn)采樣速率是傳統(tǒng)測(cè)量方式難以比擬的。3.高分辨率、高精度三維激光掃描技術(shù)可以快速、高精度獲取海量

7、點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。4.數(shù)字化采集，兼容性好三維激光掃描技術(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字化特征，易于后期處理及輸出。三、地面三維激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指通過(guò)3D掃描儀獲取的海量點(diǎn)數(shù)據(jù)。以點(diǎn)的形式記錄，每一個(gè)點(diǎn)包含有三維坐標(biāo)，有些可能含有顏色信息或者反射強(qiáng)度信息。顏色信息通常是通過(guò)相機(jī)獲取彩色影像，然后將對(duì)應(yīng)位置的像素的顏色信息賦予點(diǎn)云中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。強(qiáng)度信息的獲取是激光掃描儀接收裝置采集到的回波強(qiáng)度，此強(qiáng)度信息與目標(biāo)的表面材質(zhì)、粗糙度、入射角方向以及儀器的發(fā)射能量、激光波長(zhǎng)有關(guān)。一般掃描儀采用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描

8、面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖12-23所示。測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)被測(cè)物體表面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間（或者相位差）來(lái)計(jì)算距離S，同時(shí)內(nèi)置精密時(shí)鐘控制編碼器，同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值，因此，任意一個(gè)被測(cè)點(diǎn)云P的三維坐標(biāo)為xp=Scoscosyp=Scossinzp=Ssin全站儀或GPS RTK地形測(cè)量都是單點(diǎn)采集，速度緩慢，加上必要的準(zhǔn)備工作和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處理，要完成一個(gè)地形區(qū)域的全部測(cè)量工作需要較長(zhǎng)的作業(yè)工期。對(duì)于地貌的測(cè)繪也僅限于地貌特征點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，沒(méi)有地形細(xì)節(jié)描述數(shù)據(jù)，因而無(wú)法了解測(cè)區(qū)地形的詳細(xì)狀況。利用三維激光掃

9、描技術(shù)制作的地形圖精度優(yōu)于全站儀或GPS RTK地形測(cè)圖，且可大大縮短外業(yè)工作時(shí)間將大部分時(shí)間轉(zhuǎn)為在軟件中對(duì)掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。基于三維激光掃描的地形測(cè)繪成圖技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)測(cè)繪的作業(yè)流程。是相關(guān)外業(yè)測(cè)繪流程大大簡(jiǎn)化，外業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，內(nèi)業(yè)處理的自動(dòng)化程度也顯著提高。三維激光掃描技術(shù)還應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)的其他方面，主要包括建筑測(cè)繪、道路測(cè)繪、礦山測(cè)繪、文物數(shù)字化保護(hù)、數(shù)字城市地形可視化等。四、地面三維激光掃描儀用于等高線地形測(cè)量由于地面三維激光掃描儀測(cè)距范圍以及視角的限制，要完成大場(chǎng)景的地面完整的三維數(shù)據(jù)獲取，需要布置多個(gè)測(cè)站，且需要多視點(diǎn)掃描來(lái)彌補(bǔ)點(diǎn)云空洞。地面三維激光掃描儀是以

10、掃描中心為原點(diǎn)建立的獨(dú)立局部掃描坐標(biāo)系，為建立一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)量坐標(biāo)系，因此，需要先建立地面控制網(wǎng)，通過(guò)獲取掃描儀中心與后視標(biāo)靶坐標(biāo)，將掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到控制網(wǎng)坐標(biāo)系，從而建立起統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。1.數(shù)據(jù)采集地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集主要分為包括踏勘、控制網(wǎng)布設(shè)、標(biāo)靶布設(shè)、掃描作業(yè)等4個(gè)步驟。（1）場(chǎng)地踏勘場(chǎng)地踏勘的目的是根據(jù)掃描目標(biāo)的范圍、形態(tài)及需要獲取的重點(diǎn)目標(biāo)等，完成掃描作業(yè)方案的整體設(shè)計(jì)，其中主要是掃描儀設(shè)站位置的選擇。掃描測(cè)站的設(shè)置應(yīng)滿足以下要求：l 相鄰掃描站點(diǎn)之間有適度的重合區(qū)域布設(shè)掃描站要考慮盡量減少其他物體的遮擋，且測(cè)站之間要有一定的重合區(qū)域，以保證獲取點(diǎn)云的完整性及后續(xù)配準(zhǔn)的可能性。l

11、掃描站點(diǎn)距離地面目標(biāo)的應(yīng)選擇適當(dāng)根據(jù)所使用儀器的參數(shù)，掃描的目標(biāo)應(yīng)控制在掃描儀的一般測(cè)程之內(nèi)以保證獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。（2）控制網(wǎng)布設(shè)對(duì)大場(chǎng)景可采用導(dǎo)線網(wǎng)和GPS控制網(wǎng)等，對(duì)掃描儀測(cè)站點(diǎn)與后視點(diǎn)可用GPS RTK進(jìn)行測(cè)設(shè)。若采用閉合導(dǎo)線形式布設(shè)掃描控制網(wǎng)，控制點(diǎn)之間通視良好，各控制點(diǎn)的點(diǎn)間距大致相同，控制點(diǎn)選在有利于儀器安置，且受外界環(huán)境影響小的地方。平面控制可按二級(jí)導(dǎo)線技術(shù)要求進(jìn)行測(cè)量，高程可按三等水準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)平差后得到各控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)。（3）靶標(biāo)布設(shè)掃描測(cè)站位置選定后，按照測(cè)站的分布情況進(jìn)行靶標(biāo)的布設(shè)?，F(xiàn)有靶標(biāo)主要有平面靶標(biāo)、球形靶標(biāo)、自制靶標(biāo)，如圖12-24所示。平面靶標(biāo)與自制

12、靶標(biāo)屬于單面靶標(biāo)，當(dāng)入射偏角較大時(shí)，容易產(chǎn)生較大的測(cè)量偏差或無(wú)反射信號(hào)，且容易產(chǎn)生畸變，不利于后續(xù)的靶標(biāo)坐標(biāo)提取，球形靶標(biāo)具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗且粋€(gè)球體，從四周任意角度掃描都不會(huì)產(chǎn)生變形，所以基于球形靶標(biāo)提取的靶標(biāo)坐標(biāo)精度較高，配準(zhǔn)誤差較小。通過(guò)靶標(biāo)配準(zhǔn)統(tǒng)一各測(cè)站點(diǎn)云坐標(biāo)時(shí)，靶標(biāo)的布設(shè)具有一定的要求，具體如下：a.相鄰兩側(cè)站之間至少需掃描3個(gè)或3個(gè)以上靶標(biāo)位置信息 ，以作為不同測(cè)站點(diǎn)間點(diǎn)云配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)；b.靶標(biāo)應(yīng)分散布設(shè)，不能放置在同一直線或同一高程平面上，防止配準(zhǔn)過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)解情況；c.在條件許可的情況下，盡量選擇利用球形標(biāo)靶，這不僅可以克服掃描位置不同所引起的標(biāo)靶畸變問(wèn)題，同時(shí)也可提高

13、配準(zhǔn)精度。（4）掃描作業(yè)掃描的目的是為了獲取地形的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，建立精確的數(shù)字地面模型，提取等高線為工程應(yīng)用等方面服務(wù)。掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)統(tǒng)一坐標(biāo)時(shí)，每個(gè)測(cè)站至少需要3個(gè)靶標(biāo)參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，每次測(cè)站掃描的點(diǎn)云坐標(biāo)通過(guò)靶標(biāo)中心坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此，多個(gè)測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)不產(chǎn)生累積誤差。如圖12-25所示，測(cè)站1與測(cè)站2附近分別放置4個(gè)球靶標(biāo)，掃描儀同時(shí)掃描4個(gè)球靶標(biāo)，通過(guò)球靶標(biāo)上點(diǎn)云擬合出靶標(biāo)中心坐標(biāo)，然后采用全站儀觀測(cè)球靶標(biāo)中心在控制網(wǎng)中的坐標(biāo)，通過(guò)兩組公共坐標(biāo)計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，將每個(gè)測(cè)站掃描的點(diǎn)云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為控制網(wǎng)的統(tǒng)一坐標(biāo)。根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況確定掃描方案后，在設(shè)置好的每個(gè)掃描測(cè)站中，應(yīng)采用不同的分

14、辨率進(jìn)行掃描，首先以非常低的分辨率（如1/20的分辨率）掃描整體場(chǎng)景，然后選擇欲采集區(qū)域，按照正常分辨率（如1/4的分辨率）掃描該區(qū)域，這樣一站掃描結(jié)束后分別保存區(qū)域點(diǎn)云文件。在提取 掃描測(cè)站點(diǎn)與后視靶標(biāo)坐標(biāo)時(shí)，應(yīng)確保提取精度，否則無(wú)法將各測(cè)站的點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)，圖12-26為某山體掃描現(xiàn)場(chǎng)。2.點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理三維激光掃描數(shù)據(jù)的處理是一項(xiàng)十分復(fù)雜的研究?jī)?nèi)容。從三維建模過(guò)程來(lái)看，激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為以下三個(gè)步驟：點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的加工處理、建立空間三維模型。根據(jù)數(shù)據(jù)處理的研究主題可進(jìn)一步細(xì)分為：點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析、點(diǎn)云數(shù)據(jù)縮減、點(diǎn)云分層、等高線擬合、建立空間

15、三維模型和紋理映射等方面，如圖12-27為點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理框圖；圖12-28為某山體的點(diǎn)云圖及該山體的等高線地形圖。9.4 數(shù)字?jǐn)z影地形測(cè)量一、外業(yè)控制測(cè)量攝影測(cè)量繪制地形圖需要有相片控制點(diǎn)。相片控制點(diǎn)的測(cè)量分別為全野外布點(diǎn)測(cè)量和非全野外布點(diǎn)測(cè)量。全野外布點(diǎn)測(cè)量是指通過(guò)野外控制測(cè)量獲得像片控制點(diǎn)而不需要內(nèi)業(yè)加密，直接提供內(nèi)業(yè)測(cè)圖定向或糾正使用。非全野外布點(diǎn)是在野外測(cè)定少量控制點(diǎn)，然后在內(nèi)業(yè)采用空中三角測(cè)量加密獲得測(cè)圖或糾正所需要的全部控制點(diǎn)。非全野外像片控制點(diǎn)的布設(shè)分航線網(wǎng)布點(diǎn)和區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)。航線網(wǎng)布點(diǎn)如圖12-29所示，按航線分每段布設(shè)6個(gè)平高控制點(diǎn)。區(qū)域網(wǎng)布點(diǎn)，區(qū)域的航線數(shù)一般為4-6條。區(qū)域網(wǎng)

16、布點(diǎn)，可沿周邊布設(shè)平高控制點(diǎn)，內(nèi)部可加布適當(dāng)數(shù)量的平高控制點(diǎn)和高程控制點(diǎn)，區(qū)域網(wǎng)的航線數(shù)和控制點(diǎn)之間的基線數(shù)應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)范要求。像片平面控制點(diǎn)的點(diǎn)位目標(biāo)應(yīng)選擇在影響清晰的明顯地物上，宜選在交角良好的細(xì)小線狀地物交點(diǎn)、明顯地物折角頂點(diǎn)、影像小于0.2mm的點(diǎn)狀地物中心。像片高程控制點(diǎn)的點(diǎn)位目標(biāo)應(yīng)選在高程變化較小的地方。像片控制點(diǎn)應(yīng)選擇影像最清晰的一張像片作為刺點(diǎn)片，刺點(diǎn)誤差和刺孔直徑不應(yīng)大于0.1mm。像片控制點(diǎn)的外業(yè)測(cè)量方法可根據(jù)測(cè)區(qū)實(shí)際情況，在已有控制點(diǎn)的基礎(chǔ)上，平面控制測(cè)量采用導(dǎo)線測(cè)量、交會(huì)法測(cè)量以及衛(wèi)星定位測(cè)量方法；高程控制測(cè)量采用水準(zhǔn)測(cè)量、三角高程測(cè)量方法。二、空中三角測(cè)量空中三角測(cè)量

17、是攝影測(cè)量加密控制點(diǎn)的一種方法。根據(jù)少量的野外控制點(diǎn)，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密控制點(diǎn)的平面位置和高程的測(cè)量方法。其目的是提供測(cè)圖或糾正所需要的控制點(diǎn)。空中三角測(cè)量目前采用解析空中三角測(cè)量。它是根據(jù)像片上量測(cè)的像點(diǎn)坐標(biāo)和少量地面控制點(diǎn)，用計(jì)算機(jī)解算待定點(diǎn)的平面位置和高程。解析空中三角測(cè)量根據(jù)平差范圍的大小，可分為單模型法、單航帶法和區(qū)域網(wǎng)法。單模型法是在單個(gè)立體相對(duì)中加密控制點(diǎn)。單航帶法是對(duì)一條航帶進(jìn)行處理。區(qū)域網(wǎng)法是對(duì)由多條航帶連接成的區(qū)域進(jìn)行整體平差，這樣能盡量減少對(duì)地面控制點(diǎn)數(shù)量的要求。三、外業(yè)像片調(diào)繪像片調(diào)繪是以像片判讀為基礎(chǔ)，把像片上的影像所代表的地物識(shí)別和辨認(rèn)出來(lái)，并按照規(guī)定的圖式符號(hào)和注記方式表示在航攝像片上。像片調(diào)繪可采用先航測(cè)內(nèi)業(yè)判讀測(cè)圖，然后到野外對(duì)航測(cè)內(nèi)業(yè)所成線劃圖進(jìn)行補(bǔ)測(cè)、調(diào)繪的方法；也可采用全野外像片調(diào)繪或室內(nèi)相片判讀與野外像片調(diào)繪相結(jié)合的方法。當(dāng)采用先內(nèi)業(yè)判讀測(cè)圖后野外調(diào)繪的方法時(shí)，應(yīng)在野外對(duì)航測(cè)內(nèi)業(yè)成圖進(jìn)行全面實(shí)地檢查、修測(cè)、補(bǔ)測(cè)、地理名稱調(diào)查注記、屋檐改正等工作。像片調(diào)繪應(yīng)采用放大片調(diào)繪，放大倍數(shù)視地物復(fù)雜程度而定，應(yīng)配備一套像片以供立體觀察。像片調(diào)繪的內(nèi)容按地