三維激光掃描技術(shù)原理

近年來，隨著工程測量服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓寬以及三維設(shè)計制造對測量精度的要求，傳統(tǒng)的測量儀器如全站儀、斷面儀等已不能滿足高精度的三維坐標采集和“逆向工程”的需要。相比這些傳統(tǒng)的測量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效、快捷、精確、簡便等特點，被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。

三維激光掃描技術(shù)原理

隨著三維激光掃描儀在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，這項國際上近期發(fā)展的高新技術(shù)已經(jīng)引起了廣大科研人員的關(guān)注。

這種技術(shù)采用非接觸式高速激光測量方式，來獲取地形或復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，最終通過后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理分析，轉(zhuǎn)換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或者建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型，既省時又省力，同時點云還可輸出多種不同的數(shù)據(jù)格式，做為空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和滿足不同應(yīng)用的需要。

三維激光掃描系統(tǒng)組成

整個系統(tǒng)通常由以下四部分組成：

1）三維激光掃描儀；2）數(shù)碼相機；3）后處理軟件4）電源以及附屬設(shè)備。如圖1：

三維激光掃描儀的分類

三維激光掃描儀按照掃描平臺可以分為：機載（或星載）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)今時效性最強的三維數(shù)據(jù)獲取工具，按照其有效掃描距離可進行如下分類：

（1）短距離激光掃描儀：其最長掃描距離不超過3m，-般最佳掃描距離為0.6~1.2m，通常這類掃描儀適合用于小型模具的量測，掃描速度快且精度較高，可以多達三十萬個點，精度至土0.018mm。例如：美能達公司的VIVID 910，手持式三維數(shù)據(jù)掃描儀FastScan等，屬于此類。

（2）中距離激光掃描儀：最長掃描距離小于30m，其多用于大型模具或室內(nèi)空間的測量。

（3）長距離激光掃描儀：掃描距離大于30m，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Rieg|公司的LMS Z420i三維激光掃描儀和瑞士Leica公司的C10激光掃描儀等，屬于此類。

（4）航空激光掃描儀：最長掃描距離通常大于1公里，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。

之所以這樣分類，是因為激光測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，都必須考慮到掃描儀的實際測量距離。此外，被測物距離越遠，地物觀測的精度就相對較差。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)定的標準范圍內(nèi)使用。

三維激光掃描儀工作原理

無論掃描儀的類型如何，其構(gòu)造原理基本是相似的。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行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，則可以求得每一個掃描點的三維坐標。

以LeicaC10為例，該掃描儀是以反射鏡進行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)。地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理（見圖2）：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，可以計算目標點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B。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系，X軸在橫向3描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向3描面垂直。獲得目標點P的坐標原理見圖3。

維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

維激光描儀技術(shù)的最大優(yōu)勢就在于可以快速3描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的1描點云數(shù)據(jù)。這樣就可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已成為當前研究的熱點之一，并在文物數(shù)字化保護、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）數(shù)字城市領(lǐng)域

大規(guī)模城市還原，城市模型重建，城市道路測量，管線規(guī)劃，設(shè)計規(guī)劃，城市設(shè)計變更，數(shù)字城管，公安監(jiān)控，市政管理。

（2）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。

（3）結(jié)構(gòu)測量方面

橋梁改擴建工程、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、各類機械制造安裝。

（4）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）的保護測量、文物修復(fù)，古建筑測量、資料保存等古跡保護，遺址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護性影像記錄。

（5）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。

（6）娛樂業(yè)

用于電影產(chǎn)品的設(shè)計，為電影演員和場景進行的設(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。