三維激光掃描儀分類及原理

1、三維激光掃描儀分類及原理地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)是繼GPS(GlobalPositionSystem)技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。三維激光掃描技術(shù)是一種先進的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項測繪技術(shù)革新，將使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進入新的發(fā)展階段。傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法，GPS測量都是基于點的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點的結(jié)合。三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性

2、、適應(yīng)性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復(fù)雜的費時費力的數(shù)據(jù)后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用；并且可以和GPS等集合起來實現(xiàn)更強、更多的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)作為目前發(fā)展迅猛的新技術(shù)，必定會在諸多領(lǐng)域得到更深入和廣泛的應(yīng)用。對空間信息進行可視化表達，即進行三維建模，通常有兩類方法：基于圖像的方法和基于幾何的方法?；趫D像的方法是通過照片或圖片來建立模型，其數(shù)據(jù)來源是數(shù)碼相機。而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數(shù)據(jù)來建立三維模型，這種方法含有被測場景比較精確的幾何信息。三維激光掃描儀的分類：三維激光掃描儀按照掃描平臺的不同可以分為：機載(或星

3、載)激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。三維激光掃描儀作為現(xiàn)今時效性最強的三維數(shù)據(jù)獲取工具可以劃分為不同的類型。通常情況下按照三維激光掃描儀的有效掃描距離進行分類，可分為：短距離激光掃描儀：其最長掃描距離不超過3m，一般最佳掃描距離為0.61.2m，通常這類掃描儀適合用于小型模具的量測，不僅掃描速度快且精度較高，可以多達三十萬個點精度至0.018mm。例如:美能達公司出品的VIVID910高精度三維激光掃描儀，手持式三維數(shù)據(jù)掃描儀FastScan等等，都屬于這類掃描儀。中距離激光掃描儀：最長掃描距離小于30m的三維激光掃描儀屬于中距離三維激光掃描儀，其多用于大型模具或室內(nèi)空間

4、的測量。長距離激光掃描儀:掃描距離大于30m的三維激光掃描儀屬于長距離三維激光掃描儀，其主要應(yīng)用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測量。例如：奧地利Riegl公司出品的LMSZ420i三維激光掃描儀和加拿大Cyra技術(shù)有限責(zé)任公司出品的Cyrax2500激光掃描儀等，屬于這類掃描儀。航空激光掃描儀：最長掃描距離通常大于1公里，并且需要配備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其可用于大范圍地形的掃描測量。之所以這樣進行分類，是因為激光測量的有效距離是三維激光掃描儀應(yīng)用范圍的重要條件，特別是針對大型地物或場景的觀測，或是無法接近的地物等等，這些都必須考慮到掃描儀的實際測量距離。此外，被測物距離越遠，地物觀測的

5、精度就相對較差。因此，要保證掃描數(shù)據(jù)的精度，就必須在相應(yīng)類型掃描儀所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用。三維激光掃描儀工作原理：無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，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，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角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標(biāo)。以RieglLMS-Z420i三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進行垂

6、直方向掃描，水平方向則以伺服馬達轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)。地面型三維激光掃描系統(tǒng)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，可以計算日標(biāo)點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0。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)，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。獲得P的坐標(biāo)。X圖1掃描點坐標(biāo)計算原理X二ScospcosaPY二Scospsina（1）PZ二ScospP距離測量模塊掃描控制模塊41A/DA/D相位/時間反射強度V

7、計算機總線控制器計*也一算微處理器存儲器機圖2地面激光掃描儀測量的基本原理整個系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、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云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉(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。圖3地面激光掃描儀系統(tǒng)組成與坐標(biāo)系目前階段，需要通過兩種類型的軟件才能使三維激光掃描儀發(fā)揮其功能：一類是掃描儀的控制軟件；另一類是數(shù)據(jù)處理軟件。前者通常是掃描儀隨機附帶的操作軟件，既可以用于獲取數(shù)據(jù)，也可以對數(shù)據(jù)進行相

8、應(yīng)處理，如Riegi掃描儀附帶的軟件RiSCANPro；而后者多為第三方廠商提供，主要用于數(shù)據(jù)處理Optech三維激光掃描儀所用數(shù)據(jù)處理軟件為Polyworks10.0。三維建模的步驟：三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)，點云數(shù)據(jù)處理一般包含下面幾個步驟：噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、曲面重構(gòu)。噪聲去除指除去點云數(shù)據(jù)中掃描對象之外的數(shù)據(jù)。在掃描過程中，由于某些環(huán)境因素的影響，比如移動的車輛、行人及樹木等，也會被掃描儀采集。這些數(shù)據(jù)在后處理就要刪除。多視對齊其指由于被測件過大或形狀復(fù)雜，掃描時往往不能一次測出所有數(shù)據(jù)，而需要從不同位置、多視角進行多次掃描，這些點云就需要對齊、拼接稱為多視對齊。

9、點云對齊、拼接可以通過在物體表面布設(shè)同名控制點來實現(xiàn)。多視對齊的實質(zhì)是計算滿足如下目標(biāo)函數(shù)的旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣R，T：f（R,T）=minYRp+T一q2（2）ii其中，p,q為需對齊的點云，上式是一個高度非線性問題。點云對齊的研ii究主要集中于尋求該問題的快速有效的求解方法。其中最著名的是Basl和Mokay于1992年提出的ICP算法。點云的數(shù)據(jù)精簡指的是由于點云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，在不影響曲面重構(gòu)和保持一定精度的情況下需要對數(shù)據(jù)進行精簡。常用的精簡方法可采用下列方式：平均精簡原點云中每n個點保留1個；按距離精簡刪除一些點后使保留的點云中點與點間的距離均大于某值。為了真實地還原掃描日標(biāo)的本來面

10、日，需要將掃描數(shù)據(jù)用準(zhǔn)確的曲面表示出來，這個過程叫曲面重構(gòu)。曲面常見表示種類有：三角形網(wǎng)格，細分曲面，明確的函數(shù)表示，暗含的函數(shù)表示，參數(shù)曲面，張量積B樣條曲面，NURBS曲面，曲化的面片等。經(jīng)過曲面重構(gòu)后，就可以進行三維建模，還原掃描日標(biāo)的本來面日。點云數(shù)據(jù)處理步驟基本完成，可以應(yīng)用點云數(shù)據(jù)來解決問題。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域：最近幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，目前三維掃描設(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，并在文

11、物數(shù)字化保護、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。（1）測繪工程領(lǐng)域：大壩和電站基礎(chǔ)地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道地下工程結(jié)構(gòu)、測量礦山及體積計算。（2）結(jié)構(gòu)測量方面：橋梁改擴建工程、橋梁結(jié)構(gòu)測量、結(jié)構(gòu)檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的測量；管道、線路測量、各類機械制造安裝。（3）建筑、古跡測量方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護測量、文物修復(fù)，

12、古建筑測量、資料保存等古跡保護，遺址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護性影像記錄。（4）緊急服務(wù)業(yè)：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監(jiān)視，移動偵察，災(zāi)害估計，交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，滑坡泥石流預(yù)警，災(zāi)害預(yù)警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設(shè)計，為電影演員和場景進行的設(shè)計，3D游戲的開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游指導(dǎo)，人工成像，場景虛擬，現(xiàn)場虛擬。2.三維激光掃描技術(shù)用于壩體變形監(jiān)測可行性和優(yōu)越性傳統(tǒng)對大壩體的變形監(jiān)測都是在堤壩的特征部位埋設(shè)變形監(jiān)測點，在變形影響范圍之外埋設(shè)測量基準(zhǔn)點，定期觀測監(jiān)測標(biāo)志相對于基準(zhǔn)點的變形量。傳統(tǒng)基于點的測量方式，包括GPS測量，特征點的選取直接關(guān)系到監(jiān)測方案是否有效、可靠。特征點的選取存在很大的人為性，如果特征點選取不當(dāng)，監(jiān)測點并不能最大程度地反映變形體的最大變形，甚至可能存在變形方案失效。同時，監(jiān)測點的布設(shè)數(shù)量多少是傳統(tǒng)基于點的測量方法中的一個重大瓶頸。一方面，我們想盡