三維激光山地掃描技術概述及應用

黃海民

（四川公路橋梁建設集團有限公司 四川 成都 610200）

三維激光山地掃描技術概述及應用

黃海民

（四川公路橋梁建設集團有限公司 四川 成都 610200）

三維激光掃描技術是最近幾年在測量方面發展起來的一個研究熱點，本文主要介紹了三維激光掃描儀的基本原理及其應用領域。

三維激光掃描技術；應用

引言

三維激光掃描系統是利用激光測距的原理，密集地記錄目標物體的表面三維坐標、反射率和紋理信息，對空間進行真實的三維記錄。該技術是一種基于空間點陣掃描技術和激光無反射棱鏡長距離快速測距技術發展而產生的一種新的測量技術。從目標實體到三維點云數據一次完成，能快速地原型重構，可以解決危險領域的測量、柔性目標的測量、需要保護對象的測量以及人員不可到達位置的測量等工作。它具有掃描速度快、實時性強、準確度高、主動性強、全數字特征等特點[1]。三維激光掃描技術的應用十分廣泛，在土木工程、地形測量、路橋設計、船舶建造、文物數字化保護、自然災害調查與防護、城鄉規劃等領域。

1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發射激光，同時光電探測器接受由自然物表面反射的信號，從而進行測距。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的方向角，可以得到每一個掃描點與掃描儀本身的空間相對坐標。如果掃描儀本身的空間坐標已知，則可以求得每一掃描點的空間坐標。激光掃描儀所獲得的數據是由全離散的矢量距離點構成的。點云的每一個像素所包含的是一個距離值和一個角度值。

三維激光掃描儀基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重測量速度和操作簡便的同時，保證了測量的綜合精度，其測量原理主要分為測距、測角、掃描、定向四個方面。

1.1 測距原理

激光測距作為激光掃描技術的關鍵組成部分，對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。目前，測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。

（1）三角測距法

三角法測距是借助三角形幾何關系，求得掃描中心到掃描對象的距離。

（2）脈沖測距法

脈沖測距法是通過測量發射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標的距離。

（3）相位測距法

相位法測距是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調制，通過測定調制光信號在被測距離上往返傳播所產生的相位差，間接測定往返時間，并進一步計算出被測距離。

1.2 測角原理

（1）角位移測量

激光掃描儀通過改變激光光路獲得掃描角度，區別于常規儀器的度盤測角方式。

（2）線位移測量

激光掃描測角系統由激光發射器，直角棱鏡和CCD元件組成，激光束入射到直角棱鏡上，經棱鏡折射后射向被測目標，當三維激光掃描儀轉動時，出射的激光束將形成線性的掃描區域，CCD記錄線位移量，則可得掃描角度值。

1.3 掃描原理

三維激光掃描儀通過內置伺服驅動馬達系統精密控制多面掃描棱鏡的轉動，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。

1.4 定向原理

三維激光掃描儀掃描的點云數據都在其自定義的掃描坐標系中，但是數據的后處理要求是大地坐標系下的數據，這就需要將掃描坐標系下的數據轉換到大地坐標系下，這個過程就稱為三維激光掃描儀的定向。

2 三維激光掃描測量

測量的基本原則為：先控制后碎部。在采用三維激光掃描儀進行測量時采用分測站測量，因此需要布設控制點，進行控制測量。在這個過程中控制點的作用有兩個：一個是用于點云數據的拼接；另一個是用于將點云數據的坐標轉換到絕對坐標系，控制精度。

在布設控制網時，首先應踏勘現場，選擇測站點，然后采用全站儀法或 GPS進行控制測量。由于測站點的精度直接影響到點云坐標的轉換精度，因此用全站儀布設控制網應盡量布設成附合導線或閉合導線的形式，而用GPS布設控制網應對高程進行擬合或采用水準測量方法進行測量，保證高程方向的精度。

激光掃描儀是一種高度自動化的電子儀器，儀器開始工作之后一般不需要協作目標和操作人員，按照事先設定的視域范圍進行掃描。在一個自下而上或者自上而下的掃描過程中，掃描點都位于同一個掃描面內，也就是說掃描點在垂直掃描面的平面(XOY面)上的投影點基本上都是共線的。

三維激光掃描技術真正做到了直接從實物進行快速的逆向三維數據采集及模型重構，即從二維到三維的全景三維實測數據重構。伴隨著光電傳感器件以及計算機技術的日趨成熟，其技術也得到了不斷的豐富和發展，越來越廣泛的應用對該技術的發展也提出了更高的要求。利用三維激光掃描技術進行高效率、低成本、高精度、高質量的空間數據采集、處理，協同GPS定位技術應用可以解決一直困擾中國數字化信息采集的難題。三維激光掃描技術是三維數據獲取和重構技術體系中最新的技術，該技術以獲取被測物體三維輪廓數據為目的，主要包括數據測量與數據后續處理，與傳統的測量技術手段有很大的區別。它能夠快速獲取物體表面每個采樣點的空間位置坐標，然后借助于計算機軟件處理，用點、線、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來，便可以重建出實體的表面模型。

3 三維激光掃描技術的應用領域

三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據，能夠全天候的對任意物體進行掃描，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。該技術具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點，作業時間短，使用成本低，且使用方便，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前在工程、環境檢測和城市建設方面如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災害評估、3D城市模型的建立、復雜建筑物施工、大型建筑的變形監測等均有成功的應用實例。隨著三維激光掃描測量技術、三維建模的研究以及計算機硬件環境的不斷發展，其應用領域日益廣泛，如制造業、文物保護、逆向工程、電腦游戲業、電影特技等，逐步從科學研究發展到進入了人們日常生活的領域。

作為新的高科技產品，三維激光掃描儀已經成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業、變形監測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶制造、公路鐵路建設、隧道工程、橋梁改建等領域里應用。三維激光掃描儀，其掃描結果直接顯示為點云，意思為無數的點以測量的規則在計算機里呈現物體的結果），利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數據，可快速建立結構復雜、不規則的場景的三維可視化模型，既省時又省力，這種能力是現行的三維建模軟件所不可比擬的。最近幾年，三維激光掃描技術不斷發展并日漸成熟，三維掃描設備也逐漸商業化，三維激光掃描儀的巨大優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據。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。因此，其已經成為當前研究的熱點之一，并被廣泛的應用在各個領域。

4 結論

簡要介紹了三維激光掃描儀的測距、測角、掃描和定向原理；討論了三維激光掃描測量技術；論述了三維激光掃描技術的應用領域。

[1] 姚正明.三維激光掃描技術精度測試及應用[J].測繪與空間地理信息,2010（8）:231-233.

K928

B

1007-6344（2016）03-0138-01

?