三維激光掃描技術特點及其應用前景

張宏偉，賴百煉

（1.包頭市測繪院，內(nèi)蒙古包頭014030;2.中煤航測遙感局，陜西西安710054）

一、引 言

三維激光掃描儀可以快速高效地獲取測量目標的三維影像數(shù)據(jù)，作為一種新興的測繪技術在各個領域的運用越來越深入，其快速，高精度，非接觸式獲取研究對象表面空間三維數(shù)據(jù)，其獨特的空間數(shù)據(jù)采集方式使其具有多方面的技術優(yōu)勢，其應用領域日趨廣泛。

二、三維激光掃描技術特點

1)數(shù)據(jù)采樣率高。傳統(tǒng)的測繪儀器，如經(jīng)緯儀，全站儀等，很難采集高密度、高分辨率的海量點云數(shù)據(jù)。三維激光掃面儀的脈沖激光在數(shù)秒內(nèi)可以采集上千個點，相位激光掃描儀可以采獲更大的信息量，每秒可以達到上萬點，突破了單點模式，可以獲得更多的物體空間信息［1］。

2)精確度高。傳統(tǒng)的攝影測量是根據(jù)像控點的坐標來建立模型上個點的坐標，因此點位測量精度和像控點的精度和位置密切相關。激光掃描測量獲得的測點精度不但高于攝影測量中解析點，而且精度分布均勻［2］，此外，激光掃描還可以避免表面近似誤差的問題。

3)受外界影響小。傳統(tǒng)攝影測量在夜晚無法進行，因此只可在白天進行作業(yè)操作，三維激光測量法通過自身發(fā)射的激光回波信號獲取所測目標物的數(shù)據(jù)信息，因此不受空間和時間的約束，延長了測量時間和測量領域。此外，傳統(tǒng)測量對溫度也有較高的要求，使工作不能連續(xù)進行。

4)非接觸測量。三維激光不需要反射棱鏡，可以直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)。這種非接觸掃描目標的測量方法能夠完成危險目標和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，這是傳統(tǒng)測量方法無法完成的。

5)數(shù)字化采集，兼容性好。三維激光掃描技術直接采集具有全數(shù)字特征的數(shù)字信號，為后期的輸出以及處理提供了方便。用戶界面經(jīng)過后期處理可以使其與其他常用軟件實現(xiàn)互換和共享。

6)受約束低。傳統(tǒng)攝影測量要在適宜的角度和位置進行測量，并且需要對影響照片的數(shù)據(jù)進行處理后再生成立體模型，采用三維激光掃描則移動比較方便，相對靈活，完成對點云數(shù)據(jù)的拼接處理后，建立三維模型。

7)可與GPS系統(tǒng)、外置數(shù)碼相機配合使用。GPS定位系統(tǒng)擴大了三維激光掃描的應用領域，解決了更多工程上的難題，位置數(shù)碼相機加強了三維激光掃描儀的掃描功能，幫助獲得更全面的信息數(shù)據(jù)。

三維激光掃描儀作為新興技術在不斷完善的同時，也還存在一些不足之處:

1)地面掃描儀是個構(gòu)造復雜的集成系統(tǒng)，其難以檢校與維修;儀器昂貴，主流掃描儀售價在100萬人民幣以上，市場定位為高檔設備，其過高的價格限制了其技術的推廣。

2)點云數(shù)據(jù)后處理費時費力，處理時間是數(shù)據(jù)采集時間的10倍。掃描易，處理難，而且對數(shù)據(jù)的合理利用還有待開發(fā)。

3)掃描后處理軟件技術不夠完善，各廠家自成一體，互不兼容。缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，缺乏實用而價格相對便宜的軟件。

4)三維建模有一定的主觀性，非專業(yè)人士常受到虛擬動畫的視覺迷惑，忽視了三維模型的可量測性和科學性。

三、三維激光掃描儀技術參數(shù)對比及其適用范圍

在選擇掃描儀種類時，即使同一類型的產(chǎn)品由于生產(chǎn)廠家不一樣，技術性能也有很大區(qū)別，當前掃描儀的主流產(chǎn)品包括:① 瑞士 Leica公司HDS3000、HDS6000、ScanStafion2;② 美國Trimble公司 MENSlSl0、GS 100、GX3D、VX 空間測站儀;③Faro公司產(chǎn)品 LS880、Photon80;④ 加拿大的Optech公司 ILRIS-36D、ILRIS-3D;⑤ 日本 Topcon公司產(chǎn)品GLS-1000;⑥ 奧地利Riegl公司PM-321、LMS-Z620、VZ-400等。表1是對上述掃描儀產(chǎn)品的各項技術參數(shù)進行比對，得出不同廠家三維激光掃描儀的測程、精度和掃描速率等各項參數(shù)，用戶選擇儀器時能從此獲得一定的參考與指導。

表1 各類型掃描儀參數(shù)對比

目前，各廠家不同型號的三維激光掃描儀都有標稱的掃描參數(shù)，但是具體實際參數(shù)值可能與標稱值有差異，需要對儀器現(xiàn)場進行必要的檢校與精度評定。表1中各類三維激光掃描儀己依照其最高掃描速率從小到大排列，通過比對其他參數(shù)可知:

1)掃描速率最慢的三角法測量儀器有效測量距離也最短，但其高點位測量精度使其在醫(yī)學和精密工業(yè)中有很好地應用，現(xiàn)已廣泛應用在外科整形、人體測量、矯正手術、在線加工、工業(yè)設計等方面。

2)脈沖式掃描儀掃描速率介于三角法和相位式儀器之間，角度測量精度高有效測量距離最長，但距離測量精度較低，其儀器特點使其主要應用在地形測量、滑坡變形監(jiān)測、土木工程施工、事故現(xiàn)場恢復、古跡修復與保護等方面。

3)相位式有效測量距離介于上述兩者之間，擁有最快的掃描速率，但是角度測量精度較低。主要應用在船體測量、改建及現(xiàn)場測繪工程、汽車在線加工、大型器件監(jiān)測、醫(yī)學研究、食品加工等方面［3］。

四、三維激光掃描技術的主要應用領域

三維激光掃描儀特別適合于大面積的、表面復雜的物體精細測量。目前在許多領域中已經(jīng)得到了應用，下面分類介紹它的應用領域。

1.工程測量領域

1)地形圖測量:主要包括測量人員難以抵達的或者危險地帶的地形測量和不規(guī)則帶狀地形圖(鐵路、公路、河流等現(xiàn)狀地形)的測量，與傳統(tǒng)的測圖方法相比較，具有高效性和優(yōu)質(zhì)性。

2)路面測量:用于路面竣工后的質(zhì)量檢測:計算路面平整度，也可以為道路設計提供實地模型。

3)土木工程測量:主要包括各種土木工程(隧道、路基、橋梁、地下坑道等)施工過程中和竣工后的測量，三維激光掃描儀掃描的成果，可以作為電子資料保存，可以提供可量測模型用來指導施工，同時也可以作為檢測施工質(zhì)量的憑據(jù)(見圖2、圖3)。

圖1 橋梁測量

圖2 工業(yè)設備測量

4)變形監(jiān)測:三維激光掃描技術與其他的測量技術(GPS、全站儀)相較，其監(jiān)測點精度均勻、密度高，可以發(fā)現(xiàn)變形體局部細節(jié)變化，同時也便于從整體上分析和評價變形體的穩(wěn)定性。對高層建筑、滑坡、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁、工業(yè)設備等工程變形監(jiān)測有很好的應用前景。

2.醫(yī)學領域

三維激光掃描技術也成功應用在了醫(yī)學方面，在這個領域掃描儀特點是測程短(＜4 m)、測距精度高(＜1 mm)，例如MinoltaVI900配置的長、中、廣三種不同焦距的鏡頭，測距精度高于0.1 mm，測程為0.6～2.5 m。醫(yī)學上掃描儀主要應用在外科整形、人體測量、矯正手術等。

3.建筑、文物保護領域

有名的建筑物或者文物一般以形狀獨特，結(jié)構(gòu)復雜著稱，想通過傳統(tǒng)的測量方法以較少的測量點構(gòu)建可以量測的立體圖像具有很大的難度，且被測量對象在實施測量的過程中必須避免遭到損壞，所以必須采用主動測量方式。以前最主要的是借助攝影測量技術，隨著三維激光掃描技術的發(fā)展，其應用領域開始涉及建筑、文物保護領域。該技術以高密度且融合了色彩影像信息的點云數(shù)據(jù)來反映建筑物、文物表面的精細表面結(jié)構(gòu)［4］。

同時能構(gòu)建其三維模型，當建筑物和文物等遭到破壞后能及時而準確地提供修復和恢復數(shù)據(jù)。

4.逆向工程

逆向工程與傳統(tǒng)的復制方法恰好相反，傳統(tǒng)的方法是先制作1∶1的模具，再根據(jù)模具制造實體，而逆向工程則是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)構(gòu)建三維幾何模型，再根據(jù)數(shù)字模型反過來指導實體的生成。傳統(tǒng)方法無法作任何外形修改，也無法量測工件尺寸大小，現(xiàn)在已慢慢被以三維激光掃描技術為代表的新型數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)所取代。由于三維激光掃描儀能對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其輪廓的三維點云數(shù)據(jù)，配合建模軟件進行曲面重構(gòu)，并具備對重構(gòu)的模型進行精度分析及評價構(gòu)造效果等優(yōu)點，三維激光掃描技術在逆向工程領域具備獨特的優(yōu)勢。

5.應急服務

三維激光掃描的精確可量測性與非接觸性使其在應急服務領域大有發(fā)展，如在失事飛機、汽車和火車事故現(xiàn)場，僅僅采用拍照的方式無法確認很多幾何信息，而采用掃描方式可在短時間內(nèi)作詳細而精確的細節(jié)測量，為日后的事故鑒定提供準確的空間信息，也可以存檔保存。

6.復雜工業(yè)設備的測量與建模

在現(xiàn)代企業(yè)廠房內(nèi)工業(yè)設備眾多，管線林立且相互交雜，通過攝影測量方法構(gòu)建效果逼真的工業(yè)設備模型是具有相當難度的。然而利用三維激光掃描儀通過自由設站的方式可以對設備進行全方位的掃描，經(jīng)過后續(xù)的處理就可以生成這些復雜設備的3D模型，此種方法大大提高了工作效率［5］;為工廠的規(guī)劃和設備的制造提供了一定的參考資料(見圖3)。

圖3 三維設備建模

7.地質(zhì)災害的變形監(jiān)測

三維激光掃描測量技術的一個顯著特點就是可以利用掃描得到的點云數(shù)據(jù)建模而得知整個面域內(nèi)的情況，它是一種基于面的測量方式，而不像傳統(tǒng)的方法一樣是基于單個點的測量［6］。正因如此，該技術被廣泛應用于地質(zhì)災害監(jiān)測中，如滑坡、邊坡監(jiān)測等(見圖4)。

圖4 滑坡監(jiān)測

［1］ 徐曉雄，劉松林.三維激光掃描技術及在測繪中的應用［J］.中國測繪，2009(2):63-65.

［2］ 陳靜.地面三維激光掃描測量系統(tǒng)的應用［J］.測繪工程，2011(1):49-52.

［3］ 逢永濤.自由曲面三維激光測量系統(tǒng)設計與開發(fā)［D］.北京:首都師范大學，2008.

［4］ 賈棋.建筑物模型重建的方法與實現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學，2007.

［5］ 曾磊.三維激光掃描儀在汽油田中的應用［J］.硅谷，2010(5):130.

［6］ 邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術應用于開展沉陷監(jiān)測［J］.測繪信息工程，2011，36(3):13-15.