三維激光掃描儀分類及原理

1、三維激光掃描儀分類及原理地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)是繼GPS(GlobalPositionSystem)技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項測繪技術(shù)革新，將使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進(jìn)入新的發(fā)展階段。傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法，GPS測量都是基于點(diǎn)的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點(diǎn)的結(jié)合。三維激光掃描的主要特點(diǎn)是實(shí)時性、主動性

2、、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)，必定會在諸多領(lǐng)域得到更深入和廣泛的應(yīng)用。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?；趫D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。三維激光掃描儀的分類：三維激光掃描儀按照掃描平臺的不同可以分為：機(jī)載(或星

3、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)。三維激光掃描儀作為現(xiàn)今時效性最強(qiáng)的三維數(shù)據(jù)獲取工具可以劃分為不同的類型。通常情況下按照三維激光掃描儀的有效掃描距離進(jìn)行分類，可分為：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0.61.2m，通常這類掃描儀適合用于小型模具的量測，不僅掃描速度快且精度較高，可以多達(dá)三十萬個點(diǎn)精度至0.018mm。例如:美能達(dá)公司出品的VIVID910高精度三維激光掃描儀，手持式三維數(shù)據(jù)掃描儀FastScan等等，都屬于這類掃描儀。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

4、的測量。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LMSZ420i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。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。之所以這樣進(jìn)行分類，是因?yàn)榧す鉁y量的有效距離是三維激光掃描儀應(yīng)用范圍的重要條件，特別是針對大型地物或場景的觀測，或是無法接近的地物等等，這些都必須考慮到掃描儀的實(shí)際測量距離。此外，被測物距離越遠(yuǎn)，地物觀測的

5、精度就相對較差。因此，要保證掃描數(shù)據(jù)的精度，就必須在相應(yīng)類型掃描儀所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用。三維激光掃描儀工作原理：無論掃描儀的類型如何，三維激光掃描儀的構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進(jìn)行測距，針對每一個掃描點(diǎn)可測得測站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測站的空間相對坐標(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。以RieglLMS-Z420i三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進(jìn)行垂

6、直方向掃描，水平方向則以伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算日標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S,控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值a和縱向掃描角度觀測值0。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標(biāo)。X圖1掃描點(diǎn)坐標(biāo)計算原理X二ScospcosaPY二Scospsina（1）PZ二ScospP距離測量模塊掃描控制模塊41A/DA/D相位/時間反射強(qiáng)度V

7、計算機(jī)總線控制器計*也一算微處理器存儲器機(jī)圖2地面激光掃描儀測量的基本原理整個系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，它采用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。圖3地面激光掃描儀系統(tǒng)組成與坐標(biāo)系目前階段，需要通過兩種類型的軟件才能使三維激光掃描儀發(fā)揮其功能：一類是掃描儀的控制軟件；另一類是數(shù)據(jù)處理軟件。前者通常是掃描儀隨機(jī)附帶的操作軟件，既可以用于獲取數(shù)據(jù)，也可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行相

8、應(yīng)處理，如Riegi掃描儀附帶的軟件RiSCANPro；而后者多為第三方廠商提供，主要用于數(shù)據(jù)處理Optech三維激光掃描儀所用數(shù)據(jù)處理軟件為Polyworks10.0。三維建模的步驟：三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理一般包含下面幾個步驟：噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、曲面重構(gòu)。噪聲去除指除去點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描對象之外的數(shù)據(jù)。在掃描過程中，由于某些環(huán)境因素的影響，比如移動的車輛、行人及樹木等，也會被掃描儀采集。這些數(shù)據(jù)在后處理就要刪除。多視對齊其指由于被測件過大或形狀復(fù)雜，掃描時往往不能一次測出所有數(shù)據(jù)，而需要從不同位置、多視角進(jìn)行多次掃描，這些點(diǎn)云就需要對齊、拼接稱為多視對齊。

9、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)來實(shí)現(xiàn)。多視對齊的實(shí)質(zhì)是計算滿足如下目標(biāo)函數(shù)的旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣R，T：f（R,T）=minYRp+T一q2（2）ii其中，p,q為需對齊的點(diǎn)云，上式是一個高度非線性問題。點(diǎn)云對齊的研ii究主要集中于尋求該問題的快速有效的求解方法。其中最著名的是Basl和Mokay于1992年提出的ICP算法。點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精簡指的是由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，在不影響曲面重構(gòu)和保持一定精度的情況下需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。常用的精簡方法可采用下列方式：平均精簡原點(diǎn)云中每n個點(diǎn)保留1個；按距離精簡刪除一些點(diǎn)后使保留的點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)間的距離均大于某值。為了真實(shí)地還原掃描日標(biāo)的本來面

10、日，需要將掃描數(shù)據(jù)用準(zhǔn)確的曲面表示出來，這個過程叫曲面重構(gòu)。曲面常見表示種類有：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。經(jīng)過曲面重構(gòu)后，就可以進(jìn)行三維建模，還原掃描日標(biāo)的本來面日。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟基本完成，可以應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來解決問題。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域：最近幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，目前三維掃描設(shè)備也逐漸商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)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(diǎn)云數(shù)據(jù)。這樣一來可以高效地對真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在文

11、物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。（1）測繪工程領(lǐng)域：大壩和電站基礎(chǔ)地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道地下工程結(jié)構(gòu)、測量礦山及體積計算。（2）結(jié)構(gòu)測量方面：橋梁改擴(kuò)建工程、橋梁結(jié)構(gòu)測量、結(jié)構(gòu)檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的測量；管道、線路測量、各類機(jī)械制造安裝。（3）建筑、古跡測量方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護(hù)測量、文物修復(fù)，

12、古建筑測量、資料保存等古跡保護(hù)，遺址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護(hù)性影像記錄。（4）緊急服務(wù)業(yè)：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監(jiān)視，移動偵察，災(zāi)害估計，交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，滑坡泥石流預(yù)警，災(zāi)害預(yù)警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設(shè)計，為電影演員和場景進(jìn)行的設(shè)計，3D游戲的開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游指導(dǎo)，人工成像，場景虛擬，現(xiàn)場虛擬。2.三維激光掃描技術(shù)用于壩體變形監(jiān)測可行性和優(yōu)越性傳統(tǒng)對大壩體的變形監(jiān)測都是在堤壩的特征部位埋設(shè)變形監(jiān)測點(diǎn)，在變形影響范圍之外埋設(shè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)，定期觀測監(jiān)測標(biāo)志相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的變形量。傳統(tǒng)基于點(diǎn)的測量方式，包括GPS測量，特征點(diǎn)的選取直接關(guān)系到監(jiān)測方案是否有效、可靠。特征點(diǎn)的選取存在很大的人為性，如果特征點(diǎn)選取不當(dāng)，監(jiān)測點(diǎn)并不能最大程度地反映變形體的最大變形，甚至可能存在變形方案失效。同時，監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量多少是傳統(tǒng)基于點(diǎn)的測量方法中的一個重大瓶頸。一方面，我們想盡