三維激光掃描技術(shù)原理及應(yīng)用探討

袁國志

摘要： 本文主要介紹了基于攝影測量原理的三維激光掃描系統(tǒng)，并對其原理和技術(shù)進行了簡要的描述，著重討論了三維激光掃描系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)獲取和古建筑保護方面的應(yīng)用及其理論，并簡要分析了其中關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 攝影測量，三維激光掃描，三維定位，測量精度

Abstract: This paper described the photographic measurement principle in the three-dimensional laser scanning system, and its principles and techniques are briefly described. Then the paper focused on the three-dimensional laser scanning system in the spatial data access and protection of ancient buildings and the application of theory, briefly analyzed the key technologies.

Keywords: photogrammetry, three-dimensional laser scanning, three-dimensional positioning, measurement accuracy

中圖分類號：E933.43文獻標(biāo)識碼：A

1 引言

近年來，以激光陣列距離掃描儀(Laser Range Scanner ，又稱為激光雷達) 為代表的高新技術(shù)將在多等級三維空間目標(biāo)的實時獲取方面產(chǎn)生重大突破。其中，機/星載系統(tǒng)結(jié)合其他定位（如INS ，GPS）及遙感等高新技術(shù)，可進行大范圍數(shù)字地表模型（digital surface model，DSM）的高精度實時獲取。這種系統(tǒng)可部分穿越樹林遮擋，直接獲取真實地表的高精度三維信息，這是傳統(tǒng)的攝影測量方法無法取代的。其中，地面車載或移動系統(tǒng)可用于城市道路、堤壩、隧道及大型建筑物等復(fù)雜三維空間目標(biāo)的實時監(jiān)測與模型化，是建立三維城市GIS 最迫切需要的技術(shù)之一[1]。

在空間數(shù)據(jù)的測量中，獲取三維數(shù)據(jù)是一個重要的工作，三維測量目標(biāo)包括空間精細的物件，也可以是高大的建筑物或龐雜的地形地貌等現(xiàn)實世界的各種形體。如何準(zhǔn)確、有效地從實物樣件上采集復(fù)雜三維表面數(shù)據(jù)，進而能快速地變成高質(zhì)量的計算機軟件中的三維數(shù)學(xué)模型目前仍然存在很大的障礙。三維激光掃描技術(shù)可以應(yīng)用于文物保護、城市測繪、GIS數(shù)據(jù)獲取、工程測量、地形測量等各種測量領(lǐng)域，可發(fā)揮較大的經(jīng)濟和社會效益。

2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)屬于非接觸式測量方式，其主要特點是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 等集合起來實現(xiàn)更強、更多的應(yīng)用。三維激光掃描測量技術(shù)是迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，西方發(fā)達國家已將這一先進技術(shù)用于對地觀測系統(tǒng)和快速獲取特定目標(biāo)的立體模型中。利用激光三維掃描儀對物體的表面進行掃描測量，就可以得到大量表面點的三維數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是進行三維建模的依據(jù)。

三維激光掃描系統(tǒng)的工作過程是一個不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過程，它采用儀器坐標(biāo)系下的三維空間點組成的點云圖來表達對目標(biāo)物體采樣的結(jié)果。三維激光掃描系統(tǒng)通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測量掃描儀到目標(biāo)點的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計算激光腳點的三維坐標(biāo)。

脈沖激光測距的原理是：掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管向目標(biāo)發(fā)射近紅外波長的激光束。激光經(jīng)目標(biāo)物體的漫反射，部分反射信號被接收器接受。通過測量信號在儀器和目標(biāo)物體表面的往返時間，計算儀器和點間的距離[2]。

三維激光掃描系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集獲得測距觀測值S，激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。激光掃描三維測量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，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，如圖1所示。由此可得到三維激光腳點坐標(biāo)的計算公式：X = S*cosθcosα，Y = S*cosθsinα，Z = S*sinθ。

圖1三維激光掃描系統(tǒng)測量原理

3 三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用探討

3.1 應(yīng)用工作流程

三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程分為:測站設(shè)計、掃描、控制標(biāo)靶中心的獲取、坐標(biāo)配準(zhǔn)、三維建模幾個部分[2]。主要介紹如下：

1．測站設(shè)計

根據(jù)掃描目標(biāo)的位置、大小、形態(tài)和需要獲取的重點屬性設(shè)計各掃描站和控制標(biāo)靶的位置。要求每站之間至少有三個控制標(biāo)靶重合，通過控制點的強制符合，以確定兩個測站點云數(shù)據(jù)符合所需的7個自由度，使點云數(shù)據(jù)最終能夠統(tǒng)一到一個儀器坐標(biāo)系統(tǒng)下。

2．掃描

在選定的測站上架設(shè)掃描儀,調(diào)整好儀器的姿態(tài)。將掃描儀和筆記本使用網(wǎng)線連接，打開掃描儀的電源。啟動Cy2clone軟件，建立筆記本與掃描儀的通訊，掃描過程由Cy2clone軟件控制，通過集成的數(shù)碼相機拍攝掃描對象的影像，在影像上選取掃描區(qū)域。掃描儀根據(jù)軟件環(huán)境中設(shè)置的參數(shù)（行、列數(shù)和掃描的分辨率等）自動進行掃描。

3．控制標(biāo)靶中心的獲取

每測站完成掃描后，均需要對控制標(biāo)靶進行精細掃描。該掃描過程通過選取控制標(biāo)靶區(qū)域內(nèi)的點，為每個標(biāo)靶設(shè)置唯一的標(biāo)識，然后通過精細掃描該區(qū)域確定控制標(biāo)靶的中心點，相同的控制標(biāo)靶在不同測站中的標(biāo)識必須相同。

4．坐標(biāo)配準(zhǔn)

坐標(biāo)配準(zhǔn)的基本方法有三種：配對方式、全局方式和絕對方式。前兩種屬于相對方式，它是以某一掃描站的坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其它各站的坐標(biāo)系統(tǒng)都轉(zhuǎn)換到該站的坐標(biāo)系統(tǒng)下。

這兩種方式的共同表現(xiàn)是：在實施掃描的過程中，所設(shè)置的控制點或標(biāo)靶在掃描前其坐標(biāo)均未知。而第三種方式，則在掃描前，控制點的坐標(biāo)值已經(jīng)被測定，在處理掃描數(shù)據(jù)時，各測站都需要轉(zhuǎn)換到控制點所在的坐標(biāo)系中。一般說來，前兩種方式的處理，其相鄰測站間往往需要部分重疊，而最后一種方式的處理，則不一定需要測站間的重疊。工程應(yīng)用中常用的坐標(biāo)配準(zhǔn)方法為配對方式。

5．三維建模

利用Cyclone軟件提供的豐富的點云數(shù)據(jù)處理功能，通過選取、截取、圍欄選定的點云數(shù)據(jù)匹配生成面和復(fù)雜形體表面的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），建成三維模型。

3.2 古建筑保護方面的應(yīng)用

古建筑數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和處理是進行數(shù)字化文物保護的前提和基礎(chǔ)，地面三維激光掃描技術(shù)能快速完成實體表面數(shù)據(jù)點的掃描測量工作，獲得大量精確、密集的三維坐標(biāo)點云數(shù)據(jù)，并將這些復(fù)雜、不規(guī)則的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，進而構(gòu)建出實體表面的三維模型。點云文件能以坐標(biāo)測量、切片瀏覽、表面處理和三維建模四種使用方式滿足文保研究工作的需求，在古建筑測量方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)掃描需求，確定掃描總站數(shù)和掃描儀安放位置，依據(jù)掃描方案依次完成掃描。由其掃描所得的初步資料是一群密布點云的三維坐標(biāo)群，這些點云需使用后處理軟件進行拼接與去噪才能得到適用的空間信息。點云數(shù)據(jù)采集與處理以后，要對數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換[6]。由于大型復(fù)雜的建筑物是以分塊多測站的形式掃描的，而每個測站掃描后所得到的影像都是在以測站為坐標(biāo)原點的獨立坐標(biāo)系下的圖像，所以需將所有分站掃描得到的影像歸化到同一坐標(biāo)系下，從而完成各測站的獨立坐標(biāo)系向統(tǒng)一坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以后的數(shù)據(jù)，是具有精確地理坐標(biāo)的點云數(shù)據(jù)模型，可以被以任意方式進行剖切表現(xiàn)[7,8]。點云模型還可輸出導(dǎo)入到傳統(tǒng)的計算機輔助繪圖設(shè)計軟件和GIS 軟件中，如AutoCAD、ArcGIS等。