三維激光掃描技術應用淺談

韓志剛

深圳市藍天鶴測繪有限公司 廣東深圳 518000

摘要：三維激光掃描技術具有精度高、信息完整、工作效率高等特點，有效地解決了傳統測繪技術的缺陷，大大減輕了測繪外業工作量和勞動強度，三維激光掃描技術應用范圍也越來越廣。

關鍵詞：三維激光掃描；測量；應用

一、三維激光掃描技術主要特點簡介

三維激光掃描技術利用激光的獨特優異性能用作掃描測量，該技術具有如下特點：

1）速度快，節約大量的時間，測量完整和精確；

2）無接觸測量（無需反射棱鏡），昏暗和夜間都不影響外業測量；

3）掃描目標無需表面處理直接獲取其三維點云數據；

4）數字化采集，便于計算機處理；

5）方便將3D模型轉換到CAD系統中。

二、三維激光掃描系統的工作原理

目前，市面上比較完整的地面三維激光掃描系統主要包括：激光掃描系統、激光測距系統、集成的CCD攝像機和儀器內部控制與校正系統。現在，主流的三維激光掃描主要有三種測距方式：脈沖式測距、相位式測距和光學三角網法。以下介紹激光掃描系統各部分的原理和功能。

脈沖式測距是通過測量激光在儀器到目標物體來回傳送的時間來確定三維激光掃描儀到物體間的距離，原理非常簡單如下式所示：

式中，S表示掃描儀到目標點的距離，c表示光束，t表示激光脈沖發射和技術的時間差。

脈沖式測距通過儀器內部的激光發射裝置發射出激光經過物體反射后，通過儀器內的探測器接收并記錄發射到接收的時間，從而計算出距離。脈沖式測距的優勢在于有效測程長，能達到幾百米甚至上千米，所以在測量地形，大型建筑，礦山等比較復雜的大型物體時會采用這種方式。但是，脈沖式三維激光掃描儀目前市場價格較高，而且相對相位式測距，脈沖式的掃描速度較慢。

相位式測距的工作原理類似于GPS的載波相位測距，通過測定調制在激光束上的調整光的波長的相位延遲，利用波長和相位差來間接計算出儀器與反射物體之間的距離。計算原理如下式所示。

式中為檢測的相位差，f為填充脈沖的頻率。

相位式測距由于一般功率較小，所以有效測程一般都在一百五十米到兩百米以內。但是相位式測距的優勢在于掃描速度較快，而且由于是利用光波長和相位差進行距離計算，比單純計算時間的脈沖式測距精度高。所以采用相位式測距的三維激光掃描儀一般主要是應用于文物保護，占建筑等需要比較精確的掃描方向。

三維激光掃描儀不僅僅是測量儀器到物體之間的距離，還要通過儀器內部的軸系系統得到儀器與目標物體的相對位置關系，從而利用已知的儀器坐標得到未知的物體空間位置信息。一般情況下，以三維激光掃描儀建立空間直角坐標系，如下圖所示。

S是由測距單元測量得到的掃描儀到目標物體的距離，和a是由三維激光掃描儀內部的軸系系統得到的角度，P是目標位置、這樣由下式就可以計算目標的坐標了。

三維激光掃描儀還有一個非常重要的部分就是集成在儀器內部的CCD攝像機。由于三維激光掃描儀獲取到的三維點云數據是由成千上萬個空間點組成的，這此大量的點位數據如果沒有相應的影像數據作為支持，后期處理起來就非常麻煩。集成在三維激光掃描儀內部的CCD攝像機在三維激光掃描儀進行空間掃描的同時就不斷的記錄空間影像。這此影像對于點云數據的后期處理、除噪、拼接等都是非常重要的原始資料。同時，在利用點云數據進行三維建模后，我們還可以利用這些影像數據進行貼圖從而得到空間物體的真三維模型。

三、三維激光掃描儀技術參數對比及其適用范圍

在選擇掃描儀種類時，即使同一類型的產品由于生產廠家不一樣，技術性能也有很大區別，當前掃描儀的主流產品包括：①瑞士Leica公司HDS3000，HDS6000，ScanStafion2；②美國Trimhle公司MEN SIO，GS100，GX3D，VX空間測站儀；③Faro公司產品LS880，Photon80；④加拿大的Optech公司ILRIS-36D，ILRIS-3D；⑤日本Topcon公司產品GLS-1000；⑥奧地利Riegl公司LPM-321，LMS-Z620，VZ-400等。表1是對上述掃描儀產品的各項技術參數進行比對，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，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，但是具體實際參數值可能與標稱值有差異，需要對儀器現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學和精密工業中有很好地應用，現己廣泛應用在外科整形、人體測量、矯正手術、在線加工、工業設計等方面。

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、滑坡變形監測、土木工程施工、事故現場恢復、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、改建及現場測繪工程、汽車在線加工、大型器件監測、醫學研究、食品加工等方面。

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。目前在許多領域中己經得到了應用，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則帶狀地形圖（鐵路、公路、河流等現狀地形）的測量，與傳統的測圖方法相比較，具有高效性和優質性。

2）路面測量：用于路面竣工后的質量檢測，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量的憑據。