三维激光山地扫描技术概述及应用

2016-04-10黄海民

四川水泥 2016年3期

关键词：测角棱镜扫描仪

黄海民

（四川公路桥梁建设集团有限公司四川成都 610200）

三维激光山地扫描技术概述及应用

黄海民

（四川公路桥梁建设集团有限公司四川成都 610200）

三维激光扫描技术是最近几年在测量方面发展起来的一个研究热点，本文主要介绍了三维激光扫描仪的基本原理及其应用领域。

三维激光扫描技术；应用

引言

三维激光扫描系统是利用激光测距的原理，密集地记录目标物体的表面三维坐标、反射率和纹理信息，对空间进行真实的三维记录。该技术是一种基于空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一种新的测量技术。从目标实体到三维点云数据一次完成，能快速地原型重构，可以解决危险领域的测量、柔性目标的测量、需要保护对象的测量以及人员不可到达位置的测量等工作。它具有扫描速度快、实时性强、准确度高、主动性强、全数字特征等特点[1]。三维激光扫描技术的应用十分广泛，在土木工程、地形测量、路桥设计、船舶建造、文物数字化保护、自然灾害调查与防护、城乡规划等领域。

1 三维激光扫描技术的原理

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，同时光电探测器接受由自然物表面反射的信号，从而进行测距。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的方向角，可以得到每一个扫描点与扫描仪本身的空间相对坐标。如果扫描仪本身的空间坐标已知，则可以求得每一扫描点的空间坐标。激光扫描仪所获得的数据是由全离散的矢量距离点构成的。点云的每一个像素所包含的是一个距离值和一个角度值。

三维激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重测量速度和操作简便的同时，保证了测量的综合精度，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。

1.1 测距原理

激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前，测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。

（1）三角测距法

三角法测距是借助三角形几何关系，求得扫描中心到扫描对象的距离。

（2）脉冲测距法

脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。

（3）相位测距法

相位法测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差，间接测定往返时间，并进一步计算出被测距离。

1.2 测角原理

（1）角位移测量

激光扫描仪通过改变激光光路获得扫描角度，区别于常规仪器的度盘测角方式。

（2）线位移测量

激光扫描测角系统由激光发射器，直角棱镜和CCD元件组成，激光束入射到直角棱镜上，经棱镜折射后射向被测目标，当三维激光扫描仪转动时，出射的激光束将形成线性的扫描区域，CCD记录线位移量，则可得扫描角度值。

1.3 扫描原理

三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。

1.4 定向原理

三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。

2 三维激光扫描测量

测量的基本原则为：先控制后碎部。在采用三维激光扫描仪进行测量时采用分测站测量，因此需要布设控制点，进行控制测量。在这个过程中控制点的作用有两个：一个是用于点云数据的拼接；另一个是用于将点云数据的坐标转换到绝对坐标系，控制精度。

在布设控制网时，首先应踏勘现场，选择测站点，然后采用全站仪法或 GPS进行控制测量。由于测站点的精度直接影响到点云坐标的转换精度，因此用全站仪布设控制网应尽量布设成附合导线或闭合导线的形式，而用GPS布设控制网应对高程进行拟合或采用水准测量方法进行测量，保证高程方向的精度。

激光扫描仪是一种高度自动化的电子仪器，仪器开始工作之后一般不需要协作目标和操作人员，按照事先设定的视域范围进行扫描。在一个自下而上或者自上而下的扫描过程中，扫描点都位于同一个扫描面内，也就是说扫描点在垂直扫描面的平面(XOY面)上的投影点基本上都是共线的。

三维激光扫描技术真正做到了直接从实物进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，即从二维到三维的全景三维实测数据重构。伴随着光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟，其技术也得到了不断的丰富和发展，越来越广泛的应用对该技术的发展也提出了更高的要求。利用三维激光扫描技术进行高效率、低成本、高精度、高质量的空间数据采集、处理，协同GPS定位技术应用可以解决一直困扰中国数字化信息采集的难题。三维激光扫描技术是三维数据获取和重构技术体系中最新的技术，该技术以获取被测物体三维轮廓数据为目的，主要包括数据测量与数据后续处理，与传统的测量技术手段有很大的区别。它能够快速获取物体表面每个采样点的空间位置坐标，然后借助于计算机软件处理，用点、线、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型描述出来，便可以重建出实体的表面模型。

3 三维激光扫描技术的应用领域

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够全天候的对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。该技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，作业时间短，使用成本低，且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前在工程、环境检测和城市建设方面如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、3D城市模型的建立、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等均有成功的应用实例。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。

作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云，意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型，既省时又省力，这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨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。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并被广泛的应用在各个领域。