市場主流三維激光掃描儀分析及應用研究

孫中勝 陳亮

摘 要：市場上主流的三維激光掃描儀種類繁雜，本文首先簡介三維激光掃描儀的基本原理，接著對比分析市場主流三維激光掃描儀主要技術指標，最后闡述三維激光掃描數據的二次開發的基本方法，促進三維激光掃描儀在相關領域的應用。

關鍵詞：三維激光掃描儀;原理;對比分析;二次開發

中圖分類號：TP391 ????????文獻標識碼：A

0引言

傳統的測量方法，大多是基于單個點的測量工作方法和手段，如全站儀。隨著測量工作的需要，逐漸擴展為面的測量，三維激光掃描儀被引入到相關應用領域。三維激光掃描儀，它可快速掃描被測的物體，不需直接接觸即可直接獲得高精度的掃描點云數據，可高效地對真實世界進行三維掃描和虛擬重現，應用范圍非常寬廣。針對市場上涌現的主流三維激光掃描儀產品，對比分析主流三維激光掃描儀硬件產品技術指標，闡述數據成果的應用，并介紹數據的二次開發的基本方法。

1基本原理

三維激光掃描儀工作原理是發出一束激光束，經過物體的表面反射，又被掃描儀所接收。通過利用掃描儀內部高精度時鐘計算激光束的發射和接收時間差，已知激光束波速 c 和時間差t 就可以計算出相對于激光掃描儀系統自定義原點到目標物體表面某一點的距離l ，同時掃描儀的測角系統會自動獲取被測物體的水平角度和垂直角度，以實現對目標物體表面各個點的測量。三維激光掃描儀，根據其測距的基本原理不同分為兩種基本類型，一種為脈沖式，它發射高強度激光脈沖，通過接受反射回來的激光信號，并記錄發射和接受的時間差，從而得到相對于儀器自身與被測物體表面的距離。脈沖式方法具有相對簡單、測量距離較遠的特點。另一種為相位式，它發射一束高強度的不間斷整數波長的激光，通過測量從發射到接受的相位差，已知脈沖信號的頻率和傳播速度，因此可以計算出物體表面某一點到掃描儀的距離。脈沖式測量具有距離近、但測量精度高的特點。

2主流產品對比分析

三維激光掃描儀被裝載到有人機、無人機、地面等平臺上，分別形成機載、地面多種類型的設備，不同的類型，具體應用場合不完全相同。在市場繁多的產品中，選擇主流的設備從原理、波長、點頻率、測量范圍、測距精度、測角精度、激光發散度、掃描頻率等性能，分別就機載、地面兩大類的各品牌進行對比分析。

機載平臺，飛行范圍廣，應用靈活，被廣泛應用，包括有人機高航高模式的和無人機中低航高模式，各主流三維激光掃描儀硬件主要技術指標如下表1所示。

地面架站式三維激光掃描儀，形式類似常規全站儀，由于其便攜與低成本，適用于在小范圍內完成相關任務的掃描工作，主流的產品主要指標對比分析如表2所示。

3二次開發

三維激光掃描儀獲取的數據，俗稱點云數據。點云數據的應用開發，一般選擇基于已有平臺或庫基礎展開二次開發，現對兩種二次開發方法展開說明。

一種為基于點云數據庫（Point Cloud Libary，PCL）。它是一個專門用來處理三維點云的跨平臺開源庫，支持Windows，Linux，Android，Mac OS X等平臺。涉及點云處理得大量通用算法，包括點云獲取、濾波、分割、配準、檢索、特征提取、識別、追蹤、曲面重建、可視化等基礎模塊，以及人體骨骼識別提取、動作跟蹤識別等應用。

另一種為基于CloudCompare的點云處理軟件。它最初設計用于比較兩個三維點云（例如用激光掃描儀獲得的點云）之間或點云與三角網格之間的比較。它是一款優秀的高速點云加載的開源工具，可以方便地使用計算法向量、優化法向量、泊松構網、濾波等功能，支持海量點云顯示與加載，有不錯的框架，很多公司對該工具進行二次開發以滿足公司需要。

4總結

本文在三維激光掃描儀基本原理的基礎上介紹市場主流三維激光掃描儀硬件產品，從主要技術指標進行對比分析，并結合數據應用部分的二次開發，介紹兩種簡單快捷的方法，有利于對三維激光產品的了解，有利于二次開發方法的選擇，為三維激光掃描儀的廣泛應用奠定堅實的基礎。

作者簡介：孫中勝，男;1974.7-，漢，吉林乾安縣人，本科，本溪鋼鐵（集團）機電安裝工程有限公司，工程師，研究方向：工業設備精密測量。

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