三维激光扫描技术的发展及应用

目录

1绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2研究背景 (1)

1.3研究的目的 (2)

1.4选题意义 (3)

2三维激光扫描技术的扫描仪器 (3)

3 三维激光扫描技术系统 (4)

3.1三维激光扫描系统的组成 (4)

3.2 三维激光扫描仪的工作原理 (6)

3.3三维激光测距原理 (7)

3.3.1三角法的原理 (7)

3.3.2脉冲测距法的原理 (8)

3.3.3相位测距法的原理 (9)

3.4三维激光测角原理 (9)

3.4.1角位移测量 (9)

3.4.2 线位移测量 (10)

4激光的性质 (10)

4.1方向性好 (11)

4.2单色性 (11)

4.3相干性极好 (12)

4.4光脉冲宽度可以极窄 (12)

4.5激光的高亮度性 (12)

4.6激光的高单色性 (13)

4.7激光的高度定向性 (13)

5三维激光扫描技术的数据处理 (14)

5.1三维激光扫描测量技术误差来源 (14)

5.2三维激光扫描测量技术的数据处理方法 (15)

6三维激光扫描技术的特点 (16)

7三维激光扫描技术的应用 (16)

7.1在建筑物重建与恢复中的应用 (17)

7.2在测绘中的应用 (18)

7.2.1立体模型的建立 (18)

7.2.2滑坡监测 (20)

7.2.3文物修复 (20)

7.2.4边坡变形监测 (21)

7.2.5城镇地籍测量 (21)

7.3在抗震救灾中的应用 (21)

8总结与展望 (22)

致谢 (24)

参考文献 (25)

三维激光扫描技术的发展及应用

摘要

三维激光扫描技术是一种新兴的全自动高精度立体扫描测绘技术。它是一项新的数据获取手段，利用三维激光扫描仪能够高效、精确、快速、地测量目标的三维影像数据，打破了传统的测量和数据处理方法，开创全新的研究和应用领域。三维激光扫描测量技术, 能够在任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作,

并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。比传统的测量和数据处理方法具有简单、精确、快速等特点。本文主要介绍了三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、扫描仪器、数据处理、主要应用和发展方向等几方面的状况，重点介绍三维激光扫描技术在工程测量领域的应用。

关键词三维激光扫描扫描仪器扫描系统工作原理数据处理技术特点主要应用发展趋势

THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF 3D

LASER SCANNING TECHNOLOGY

ABSTRACT

3D laser scanning technology is an advanced fully automatic high-precision three-dimensional scanning technology. As a new means of data acquisition, 3D laser scanner can be fast, accurate and efficient measurement of the target three-dimensional image data, breaking the traditional measurement and data processing methods, has won a new field of research and application. Three-dimensional laser scanning technology can go deep into the complex field environment and space scanning operation to the computer directly to a variety of large, complex, irregular, three-dimensional data of the standard or nonstandard entities or real complete collection, and then quickly reconstruct the three-dimensional model of the target line, face, body, space, cartographic data. Simple, accurate and efficient than the traditional measurement and data processing methods. This paper

describes the 3D laser scanning technology works, technical characteristics, application and development direction of the situation, and focuses on the application of 3D laser scanning technology in the field of engineering survey.

KEY WORDS three-dimensional laser scanning, working principle, scanning instrument，data processing，technical characteristics, application development trends

1 绪论

本章主要通过罗列三维激光扫描技术在现实测绘发展领域的应用及其发展状况，进而介绍了三维激光扫描技术的研究背景，研究目的以及选题的意义。

1.1 引言

随着科学技术的突飞猛进，出现了含有多种高新技术的新型测量仪器，其中就有地面三维激光扫描仪，它在复杂的场景和空间下，通过非接触式激光测量对被测物体进行快速扫描测量，以获得激光点所接触的物体表面的点云数据，包括三维坐标、色彩信息和反射强度。将点云数据经过计算机处理后，结合曾经学过的CAD的知识，来重建三维模型及获得线面、体、空间等各种制图数据。三维激光扫描技术的优点是：全数字特征、高效率、高密度、高精度、不需要合作目标等，它可以应用于测绘的各个领域，比如说断面和体积测量、地形测量、工程测量、地籍测量、摄影测量、变形监测等各项测量。

1.2 研究背景

20世纪60年代，世界上第一台激光器出现了，它是由美国科学家通过对激光技术多年的研究取得的成果，至此以后，世界各国也开始重视在激光领域的研究，到二十世纪末，激光及时取得了较大的发展，由于激光具有方向性、单色性、高亮度、相干性的特性，由于这些特性，激光在测绘各个领域发挥了比较大的作用，例如，利用激光的单色性和干涉性可以进行干涉测量；利用激光的方向性可以作为方向基准进行测量；利激光高亮度的特性可以用于医疗器械等。

随着时代的进步，电子设备也得到迅速的发展，半导体和微电子的发展催进了大规模集成电路和传感器技术的发展，同时激光测量技术也得到较大的发展，主要表现在：一是测距方面从一维测距、二维测距向三维测距方向发展；，二是实现了数据获取的自动化和无限传输；三是在卫星定位技术、惯性导航技术、计算机技术等和激光扫描技术共同作用下，机载扫描系统、车载扫描系统、卫星遥感技术等有了高精度、高效率的发展。于是出现了集合了多种现代高科技手段、

集光、机、电等各种技术于一身的三维激光扫描技术，它的出现和发展，改变了原有的数据获取方式，为获得丰富而详细的局部地面空间信息提供了一种全新高效的手段，同时它的发展也催化了一些相关领域的发展，例如图像工程，测角自动学则技术，数据补偿技术，颜色渲染技术，摄像机标定技术等等。

该技术通过扫描可以获得许许多多的测绘点，利用获得的数据信息可以进行逆向三维建模及重构，因此它属于高精度的、全自动化的、立体的扫描技术。它具有点位测量精度高、速度快、精确的特点，智泰三维光学密集点云测量系统

I0M400系列是一种高速高精度的三维扫描测量设备，系统具有可移动、易操作、精度高、速度快等特点，系统的软件和硬件可以根据需要专门进行开发和设计，技术实用性强，广泛适用于各种需求三维数据的行业，如汽车工业、飞机工业、摩托车外壳及内饰、家电，雕塑等。

虽然三维激光技术快速发展，但是国内技术还不够成熟，对软件的应用和研究依然很少，而且数据处理的方法也不够精确，分析其原因主要由以下几个方面：一是国家在激光技术方面起步晚，由于起步晚总是利用别人设计的软件，而且在技术方面不够成熟；二是对三维技术需求不高，由于我国工业制作整体水平不是那么的高，所以对三维技术的需求不比外国那么的迫切；三是国家在三维领域投入的资金不足，由于国家高新技术产业化需要必要的资金支持，而我国投入的少导致对这方面的研究薄弱；三是缺乏创新型人才。由于这些原因是的我国在这方面的研究远远落后于别国。不过，如今，我国开始重视这方面的发展，以及利用三维激光扫描技术促进其他领域的发展，这是值得欣慰的。

1.3 研究的目的

目前，随着科技的进步和经济的发展，三维激光扫描技术已经在测绘各个领域成为了研究的热点，这是因为三维激光扫描在自动程度、劳动强度、外业作业时间、人员、数据获取速度等方面具有明显的优势，这是其它传统测量技术无法比拟的，因此有必要就三维激光扫描技术的发展及其应用前景作出相应研究，以便对其有较为深入的认识，从而以便其更好、更广、更方便的应用于各个领域工作。

1.4 选题意义

在进入21世纪以后，国家的经济快速发展，特别是中国加入WTO以后，各项高新技术不断发展，国际市场竞争愈演愈烈，以此同时，也促进了制造业的发展，它以传统技术为基础有了质的跨越，已经在高新技术应用方面占有一席之地。随着计算机、微电子、信息和自动化技术的不断更新，而且在制造业中的应用也越来越广泛，而先后出现了快速原型制造、可重组技术、计算机集成制造系统等多项前沿的制造模式与制造技术。制造业正经历一场新的技术革命。

三维扫描技术能实现非接触测量，集中了计算机技术，电技术与光技术与一身，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果兼容性强，能够与CIMS、CAM、 CAD等软件接口直接相连，所以它在今天比较受欢迎。在科技比较先进的国家的制造业中，三维扫描仪得到越来越多的应用。作为一种快速的立体测量设备来讲，它具有非接触、扫描迅速、高精度，方便使用等优点。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。

三维激光扫描系统作为一种技术成熟，应用刚刚起步的产品，在某些方面还存在一些问题，例如扫描现场的局限性，三维激光扫描系统校正体系不完善，扫描数据出现“盲区”现象等等，针对这些问题，应该采取科学的手段来弥补这些不足，使得后续研究以此作为参考借鉴，为该技术的推广提供正确的依据。随着研究开发的进一步发展，各种新的技术将不断出现，并被应用到商用系统中，现有的三维扫描技术将不断被完善以满足制造业生产的需要。

2 三维激光扫描技术的扫描仪器

三维激光扫描仪按照测量方式不同可分为：基于三角测距原理激光扫描系统；基于相位差激光扫描系统；基于脉冲式激光扫描系统。

按工作原理分类：三维激光扫描仪除了按照上述的搭载平台和扫描距离这两种方法分类之外，还可以按照仪器的原理来进行分类。把按照脉冲测距这一原理进行量测的扫描仪归结为径向一类。把按照光学干涉原理进行量测的扫描仪归结

为干涉一类。把通过两条光线建立地面实物的立体模型的量测方法归结为三角法一类。

按照用途不同可分为室内型和室外型，也就是长距离和短距离的不同，、而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程较长，测程最远的可达6公里。

按生产厂家的不同可分为：Z+F(德国)，Surphaser（美国），I-site (澳大利亚maptek)，Riegl（奥地利），徕卡（瑞士），天宝（美国），Optech（加拿大），拓普康（日本），Faro等产家。

按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系统；便携式激光扫描系统；地面型激光扫描系统。

三维激光扫描仪是现今时效性最强的三维数据获取工具。一般情况下可以按照三维激光扫描仪有效的扫描距离进行分类，可分为：

（1）短距离激光扫描仪：一般最佳扫描距离为0. 6～1. 2 m，最长扫描距离不超过3m，通常情况下，这类扫描仪适合用于小型模具的量测，具有扫描速度快且精度较高的特点，可以多达三十万个点精度至±0.018 mm。

（2）中距离激光扫描仪。

（3）长距离激光扫描仪。

（4）航空激光扫描仪。

3 三维激光扫描技术系统

本章主要通过详细的图解及公式等的罗列从而详细阐述了三维激光扫描技术系统的组成，原理、数据采集的过程、误差来源及数据处理，以便我们对三维激光扫描的流程有深层次的理解，还通过与传统测量技术的对比突显了三维激光扫描技术测量技术的特点。

3.1 三维激光扫描系统的组成

伴随着计算机技术的日益成熟以及电子技术的不断发展，三维激光扫描技术的应用也越来越广泛，要求也越来越高，对于三维激光扫描系统的组成也进行了研究，以陕西科技大学计算机实验室的扫描系统为例，如图所示：

图1 三维激光扫描系统硬件装置

三维激光扫描系统主要由以下几个方面组成：

（1）三维激光扫描仪：本装置所用的是功率为3mW的半导体砷化镓激光器，点激光测距中的激光被激光面所代替，该扫描仪使用的是高30cm，宽为1mm，长度为200cm左右的激光面，激光面会自动和物体交会在一起，生成一条测线，这条测线等同于有500-1024个激光点，因此，从理论上讲，把采样速度提高了500-1024倍。

（2）图像采集卡：又叫视频采集卡，它的作用非常重要，将接收到的CCD 送出的视频信号进行A/D转换，然后输出YUV信号，最后进行压缩。该系统装置不仅能够接收CCD送出的视频信号，而且能够接收含有方位角信息的脉冲信号，然后从脉冲信号中分离出同步信号、方位角信号以及像点信号。

（3）旋转平台：该平台支撑整个扫描系统，平台上设置有方向角传感器，在指令的控制下，它进行平稳的启动、停止、运转，然后产生方位角脉冲信号，一遍视频采集部分能够从中分离出同步信号、方位角信号以及像点信号。

（4）数据采集系统：该系统主要作用是将图像采集卡送出的视频信号进行精密测量、高速存贮，并且主处理机在适当的时候取回数据，经过处理，形成三

维数据，以便进行后续的模型重建等应用。

（5）数据处理系统：该处理系统主要由计算机组成，包括计算机主机、接口、总线以及专用版卡组成，该装置计算机主机采用的是120G的高速硬盘，内存配置为1G，IBM PC Pentium为2.8G，通过接口、总线和专用办卡将其它部分组合起来，工作时控制机械台的起停、转速由运动控制卡控制，图像由图像采集卡通过CCD摄像机采集，图像处理、数值计算在主机上进行。

3.2 三维激光扫描仪的工作原理

激光扫描仪是运用扫描技术来量测被测对象的，其中包括工件的形状及尺寸，它必须采用一个旋转马达，而且该马达要有极好的稳定度及精度当光束打( 射) 到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。

根据三角测距原理获得与拍摄物体之间的距离，进行三维数据化处理，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。如图 3-1所示

图3-1 激光扫描仪测量的基本原理

3.3 三维激光测距原理

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。目前，测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。

3.3.1 三角法的原理

三角法测距是借助三角形几何关系，运用勾股定理，求得扫描中心到扫描对象的距离。如图所示：

在图3-2中，通过激光扫描仪角度传感器可得到发射光线与基线的夹角γ、入射光线与基线的夹角λ，激光扫描仪的轴向自旋转角度α，然后以激光发射点为坐标原点，以基线方向为X轴正向，把平面内指向观测目标且垂直于X轴的方向线的方向作为Y轴建立测站坐标系。通过计算可得目标点的三维坐标为：

()()()????

?????+=+=+=L λγλγλγλγλγλγsin sina sin in z L sin cosa sin sin y L sin sin cos x （3-1） 结合P 的三维坐标运用三角几何关系便可得被测目标的距离S 。

3.3.2 脉冲测距法的原理

脉冲法测距的过程是这样的：由测距仪发射出激光，然后经过被测量物体反射，最后后又被测距仪接收。与此同时，测距仪记录激光往返的时间。测距仪和被测量物体之间的距离等于光速和往返时间的乘积的一半。如图3-3 所示：

图3-3 脉冲激光测距原理

工作时，由激光器发射激出光光束。当光束穿过大气到达目标后，通过目标反射后返回，最后通过探测器接收。设测量距离为S ，光速为c ，测出从激光发射到反射光被接收所经历的时间， 根据运动学中最基本的关系即可求出目标的距离：

S=12c △t （3-2）

3.3.3 相位测距法的原理

相位法测距所用的是无线电波段的频率。用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，相位型扫描仪可分为调幅型，调频型，相位变换型等。若调制光角频率为ω，在待测量距离D 上往一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为：

t=φ/ω

将此关系代入距离D 可表示为

D=1/2 ct=1/2 c2φ/ω=c/(4πf) (N π+Δφ)=c/4f (N+ΔN)=U(N+) （3-3）

由公式（3-3）可知，这种测距方法是一种间接测距方式，它通过检测发射和接收信号之间的相位差，来获得被测目标的距离。该方法测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究等高精度研究上，精度可达到毫米级。

3.4 三维激光测角原理

3.4.1 角位移测量

扫描仪工作是由步进电机驱动的，由步进电机步距角和步数，获得角位移。 在扫描仪工作的过程中，通过步进电机的细分控制技术，获得稳步、精确的步距角θb 有下式：

θb ＝Nrmb

2π （3-4） 在得到θb 的基础上，可得到扫描棱镜转过的角度值，然后通过精密时钟控制编码器进行同步测量，这样就可以得到每个激光脉冲横向扫描角度观测值α、纵向扫描角度观测值θ。

3.4.2 线位移测量

线位移测量是指指点在直线方向位置的变化量，对于长度的动态测量就是线位移量的测量它包括：

1.脉冲测距法：

2.双频激光干涉仪

三维激光扫描系统本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD 和仪器内部控制和校正系统等。在仪器内，通过两个同步反射镜快速而有序的旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲一次扫过被测区域，测量每个激

ct L 2

1=222 2:211

10

1210λλλλN L L dt v fdt N v f MHz

f f f t t ===?==?≈-=???多谱勒频移多谱勒效应产生