淺談三維激光掃描儀在測量中的應(yīng)用

康習(xí)軍

（河北省地礦局 水文工程地質(zhì)勘查院，河北 石家莊050021）

0 引言

在測量逐步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，因?yàn)槠渲庇^性是二維無法表示的。三維激光掃描儀就是近年來迅速發(fā)展起來的先進(jìn)測量儀器，由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，將其引入測量裝置中，在精度、速度、易操作性等方面均表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢， 它的出現(xiàn)是測繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)之后的又一次突破性技術(shù)革命。 它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對觀測對象進(jìn)行多角度的立體掃描、得到被測對象的位置及高度等信息，然后對這些信息進(jìn)行處理、建模，拼接成圖，即可獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z 點(diǎn)的信息，還包括R,G,B 顏色信息，同時(shí)還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺，是一般測量手段無法做到的。

1 三維激光掃描儀分類

三維激光掃描儀種類很多，按照掃描平臺(tái)的不同可以分為：機(jī)載(或星載)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)。按照有效掃描距離可分為：

（1）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0.6～1.2m，通常這類掃描儀，不僅掃描速度快且精度較高，適合用于小型模具的量測。

（2）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)空間的測量。

（3）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LMS Z420i 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。

（4）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。

要保證掃描數(shù)據(jù)的精度，就必須根據(jù)項(xiàng)目的需要，在相應(yīng)類型掃描儀所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用。

2 三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集

要進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集，首先要選擇合適的位置設(shè)置測站。 選取視野開闊，行人車輛較少的地方，架好三腳架，將三維激光掃描儀固定在三角架上，再選擇合適的位置（或者已知點(diǎn)）擺放球狀標(biāo)靶，并依次對其進(jìn)行編號(hào)，以便于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯操作。

首先要開機(jī)預(yù)熱約5 分鐘左右， 然后在儀器設(shè)置中輸入工程名稱，量取儀器高，并將儀器高及標(biāo)靶的坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)輸入儀器，選擇掃描方式，可以進(jìn)行全景掃描，也可以指定角度范圍進(jìn)行掃描。設(shè)置好后保存，完成設(shè)站。 設(shè)站完成后，就可以進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)采集了，直到設(shè)置范圍內(nèi)景物掃描完畢。

一般情況下由于掃描物范圍過大， 或者被掃描物體的形狀較復(fù)雜，一次設(shè)站往往不能完成物體的掃描，這就需要多次遷站，重復(fù)上述過程，以完成整個(gè)物體的掃描。 為了拼接建模的需要，各測站中，要保持三個(gè)以上公共點(diǎn)。

3 掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理

3.1 掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理

野外數(shù)據(jù)采集完成后，回到室內(nèi)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳入電腦，應(yīng)用相應(yīng)專業(yè)軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

由于外業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，在數(shù)據(jù)采集過程中避免不了人員及車輛的通過。 人員及車輛的數(shù)據(jù)信息就會(huì)被采集到儀器中，數(shù)據(jù)量大大增加，對于三維建模沒有用處，且會(huì)影響程序的運(yùn)行速度，需要將其剔除，這就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪聲。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的是海量數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)量過大會(huì)影響程序的運(yùn)行速度，因此在不影響曲面模型重構(gòu)和保持一定精度的前提下需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)刪除精簡。 常用的精簡方法有：平均精簡即原點(diǎn)云中每n 個(gè)點(diǎn)保留1 個(gè)；按距離精簡即刪除一些點(diǎn)后使保留的點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)間的距離均大于某值。

3.2 三維建模

對空間信息進(jìn)行可視化表達(dá)，即進(jìn)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。基于圖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(jī)。 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。

掃描時(shí)往往在一站不能測出所有數(shù)據(jù)，而需要從不同位置、多視角進(jìn)行多次掃描，即多次設(shè)站。 各測站采集的點(diǎn)云就需要對齊、拼接。點(diǎn)云對齊、拼接可以通過在物體表面布設(shè)同名控制點(diǎn)（各測站間的重合標(biāo)靶）來實(shí)現(xiàn)。

為了真實(shí)地還原掃描物體，需要將掃描數(shù)據(jù)用準(zhǔn)確的曲面表示出來，這個(gè)過程叫曲面重構(gòu)。 常見曲面有以下幾類：三角形網(wǎng)格、細(xì)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。

曲面重構(gòu)完成后，下一步就可以進(jìn)行掃描物體的三維建模，還原掃描物體的本來面目，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟基本完成。

4 注意事項(xiàng)

進(jìn)行三維激光掃描測站的選擇，應(yīng)注意該選在視野相對開闊的地方，四周遮擋物較少，這樣掃描范圍廣，減少測站的設(shè)置，提高工作效率，加快工作進(jìn)程。

其次測站的選擇離觀測對象不宜過近，以免仰角太大，影響成像的效果。

在掃描過程中，人員盡量減少在儀器前的走動(dòng)，以免影響掃描結(jié)果，增加數(shù)據(jù)的采集。

各測站間一定要有3 個(gè)以上重合點(diǎn)，且要有相應(yīng)的編號(hào)，便于數(shù)據(jù)的拼接建模。

5 三維激光掃描儀發(fā)展前景

三維激光掃描的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性、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(fèi)時(shí)費(fèi)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(shí)現(xiàn)更強(qiáng)、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)在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域已有了廣泛的應(yīng)用，相信隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展三維激光掃描技術(shù)將會(huì)在越來越多的領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用。

［1］花向紅，馬立廣.地面三維激光掃描測量技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2005.

［2］張會(huì)霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2012，12，01.

［3］三維激光掃描儀使用規(guī)范.甘肅啟奧地理信息工程服務(wù)有限公司[S]，2012（12）.