三维激光扫描技术原理及应用

浅谈三维激光扫描技术原理及应用

摘要：三维激光扫描技术是—种新型的测绘技术，被称为“实景复制技术”。本文介绍了三维激光扫描仪的系统分类、基本原理、技术特点，探讨了三维激光扫描技术的应用。

关键词：三维激光扫描技术 工作原理 技术特点 应用

1、引言

近年来，随着工程测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域。

2、三维激光扫描技术

随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这项国际上近期发展的高新技术已经引起了广大科研人员的关注。这种技术采用非接触式高速激光测量方式，来获取地形或复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析，转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或者建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，既省时又省力,同时点云还可输出多种不同的数据格式，做为空间数据库的数据源和满足不同应用的需要。

2.1 三维激光扫描系统组成

整个系统通常由以下四部分组成：1)三维激光扫描仪；2）数码相机；3）后处理软件；4)电源以及附属设备。如图1：

图1 地面激光扫描仪系统组成与坐标系

2.2 三维激光扫描仪的分类

三维激光扫描仪按照扫描平台可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。

三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具，按照其有效扫描距离可进行如下分类：

(1)短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为0.6～1.2m，通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，扫描速度快且精度较高，可以多达三十万个点，精度至±0.018mm。例如:美能达公司的VIVID 910，手持式三维数据扫描仪FastScan等，属于此类。

(2)中距离激光扫描仪：最长扫描距离小于30m，其多用于大型模具或室内空间的测量。

(3)长距离激光扫描仪:扫描距离大于30m，其主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量。例如：奥地利Riegl公司的LMS Z420i三维激光扫描仪和瑞士Leica公司的C10激光扫描仪等，属于此类。

(4)航空激光扫描仪：最长扫描距离通常大于1公里，且需要配备精确的导航定位系统，其可用于大范围地形的扫描测量。

之所以这样分类，是因为激光测量的有

效距离是三维激光扫描仪应用范围的重要条件，特别是针对大型地物或场景的观测，或是无法接近的地物等，都必须考虑到扫描仪的实际测量距离。此外，被测物距离越远，地物观测的精度就相对较差。因此，要保证扫描数据的精度，就必须在相应类型扫描仪所规定的标准范围内使用。

2.3 三维激光扫描仪工作原理

无论扫描仪的类型如何，其构造原理基本是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。以Leica C10为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。

地面型三维激光扫描系统工作原理（见图2）：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得目标点P的坐标原理见图3。

2.4 三维激光扫描技术特点

三维激光扫描技术，具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式、兼容性好等优势，被誉为“测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命”。通过与传统测量技术，如全站仪、近景摄影测量、航空摄影测量等类比分析，主要有以下特点：

(1)非接触式。三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式，不需反射棱镜，直接对目标体进行扫描，采集目标体表面点的三维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下，传统测量技术无法完成，此时三维激光扫描技术优势明显。

(2)数字化程度高、扩展性强。三维激光扫描系统采集的数据为数字信号，具有全数字的特征，易于处理、分析、输出、显示，而且后处理软件用户界面友好，能够与其它常用软件进行数据交换及共享，可与外接数码相机、GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好的扩展性。

(3)高分辨率。三维激光扫描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。

(4)应用广泛、适应性

强。由于其良好的技术特点，对使用条件要求不高，环境适应能力强，适合野外测量，故在工程建设各领域应用广泛。

3、三维激光扫描技术应用

三维激光扫描仪技术的最大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样就可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

(1)测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量；公路、铁路、河道测绘；桥梁、建筑物地基测绘；隧道地下工程结构检测及变形监测；矿山体积量算等。

(2)结构测量方面：桥梁改扩建工程；桥梁结构测量及检测；空间位置冲突测量；三维高保真建模；海上平台、造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量；管道、线路测量等。

(3)建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真；古迹（古建筑、雕像、遗址等）的建筑测量、资料保存、文物修复等古迹保护；赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录等。

(4)紧急服务业：反恐怖主义陆地侦察和攻击测绘；监视、移动侦察；灾害估计；交通事故、犯罪现场正射图；森林火灾、滑坡泥石流等灾害预警和现场监测；核泄露监测等。

(5)娱乐业：用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行三维设计；3D游戏的开发；虚拟仿真博物馆，虚拟旅游指导；人工成像；三维场景虚拟等。

4、结语

由于三维激光扫描技术具有良好的技术优势，目前已成为测绘领域的—个新热点。虽然针对三维激光扫描系统的应用研究尚处于初级阶段，但已在工程建设中得到了较好的应用。随着研究的深入及与其他测量技术的结合，三维激光扫描技术的应用将更加广泛。