三維激光掃描儀技能原理及應用

發布日期：2019-08-23 作者：點擊：

地面三維激光掃描技能的出現是以三維激光掃描儀的誕生爲代表，有人稱 “三維激光掃描系統”是繼 GPS (Global Position System) 技能以來測繪領域的又一次技能革命。三維激光掃描技能是一種完善的全自動高度立體掃描技能，又稱爲 “實景複制技能”，是繼GPS空間定位技能後的又一項測繪技能革新，貴州測繪儀器将使測繪數據的獲取方法、服務能力與水平、數據處理方法等進入新的發展階段。

傳統的大地測量方法，如三角測量方法， GPS測量都是基於(yú)點的測量，而三維激光掃描是基於(yú)面的數據採集方式。三維激光掃描獲得的原始數據爲點雲數據。點雲數據是大量掃描離散點的結合。三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、适應性好。三維激光掃描數據經過簡單的處理就可以直接使用，不需複雜的費時費力的數據後處理；且不需和被測物體接觸，可以在很多複雜環境下應用；並(bìng)且可以和 GPS等集合起來實現強、多的應用。三維激光掃描技能作爲目前發展迅猛的新技能，必定會在諸多領域得到深入和廣的應用。

對空間信息進行可視化表達，即進行三維建模，通常有兩類方法：基於(yú)圖像的方法和基於(yú)幾何的方法。基於(yú)圖像的方法是通過照片或圖片來建立模型，其數據來源是數碼相機。而基於(yú)幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數據來建立三維模型，這種方法含有被測(cè)場景比較的幾何信息。

三維激光掃(sǎo)描儀的分類(lèi)：

三維激光掃(sǎo)描儀按照掃(sǎo)描平台的不同可以分爲：機(jī)載(或星載) 激光掃(sǎo)描系統、地面型激光掃(sǎo)描系統、便攜式激光掃(sǎo)描系統。

三維激光掃描儀作爲現今時效強的三維數據獲(huò)取工具可以劃(huà)分爲不同的類型。通常情況下按照三維激光掃描儀的有效掃描距離進行分類，可分爲：

（1）短距離激光掃描儀：其長掃描距離不超過3m，一般掃描距離爲 0.6～1.2m，貴州測(cè)繪儀器通常這類掃描儀适合用於(yú)小型模具的量測(cè)，不隻掃描速度快且精度較高，可以多達三十萬個點精度至± 0.018mm。例如: 美能達公司出品的 VIVID 910 高度三維激光掃描儀，手持式三維數據掃描儀 FastScan等等，都屬於(yú)這類掃描儀。

（2）中距離激光掃描儀：長掃描距離小於(yú) 120 m的三維激光掃描儀屬於(yú)中距離三維激光掃描儀，其多用於(yú)大型模具或室内空間的測(cè)量。例如：瑞士Leica 公司出品的 ScanStation P30/P40 三維激光掃描儀就屬於(yú)這類掃描儀。

（3）長距離激光掃描儀 : 掃描距離大於(yú) 270m的三維激光掃描儀屬於(yú)長距離三維激光掃描儀，其主要應用於(yú)建築物、礦山、大壩(bà)、大型土木工程等的測量。例如：瑞士Leica 公司出品的 ScanStation P30/P40 三維激光掃描儀就屬於(yú)這類掃描儀。

（4）超長測程激光掃描儀：長掃描距離通常大於(yú) 1 公裏，並(bìng)且需要配備的導航定位系統，其可用於(yú)大範圍地形的掃描測量。例如：瑞士Leica 公司出品的 ScanStation P50 三維激光掃描儀就屬於(yú)這類掃描儀。

之所以這樣進行分類，是因爲激光測(cè)量的有效距離是三維激光掃描儀應用範圍的重要條件，針對大型地物或場(chǎng)景的觀測(cè)，或是無法接近的地物等等，這些都考慮到掃描儀的實際測(cè)量距離。此外，被測(cè)物距離越遠，地物觀測(cè)的精度就相對較差。因此，要保障掃描數據的精度，就在相應類型掃描儀所規定的标準範圍内使用。

三維(wéi)激光掃(sǎo)描儀工作原理：

無論掃描儀的類型如何，三維激光掃描儀的構造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構造是由一台高速的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導激光並(bìng)以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測(cè)距儀主動發射激光，同時接受由自然物表面反射的信号從而可以進行測(cè)距，針對每個掃描點可測(cè)得測(cè)站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每掃描點與測(cè)站的空間相對坐标。

如果測(cè)站的空間坐标是已知的，那麽則可以求得每個掃描點的三維坐标。以徕卡某型号三維激光掃描儀爲例，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動儀器來完成水平360度掃描，從(cóng)而獲取三維點雲數據。

地面型三維激光掃描系統工作原理：三維激光掃描儀發射器發出一個激光脈沖信号，經物體表面漫反射後，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算日标點 P 與掃描儀距離 S，控制編(biān)碼器同步測(cè)量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值 α和縱向掃描角度觀測(cè)值 β。三維激光掃描測(cè)量一般爲儀器自定義坐标系。 X軸在橫向掃描面内， Y 軸在橫向掃描面内與 X 軸垂直，Z 軸與橫向掃描面垂直。獲得 P 的坐标。

整個系統由地面三維激光掃描儀、數碼相機、後處理軟件、電源以附屬設備(bèi)構成，它採(cǎi)用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或者複雜物體的幾何圖形數據和影像數據。終由後處理軟件對採(cǎi)集的點雲數據和影像數據進行處理轉換成坐标系中的空間位置坐标或模型，以多種不同的格式輸出，達到空間信息數據庫的數據源和不同應用的需要。

目前階段，需要通過兩種類型的軟件才能使三維激光掃描儀發揮其功能：一類是掃描儀的控制軟件；另一類是數據處理軟件。前者通常是掃描儀随機附帶的操作軟件，既可以用於(yú)獲取數據，也可以對數據進行相應處理，如Leica掃描儀附帶的軟件 Cyclone；而後者也有一部分是第三方廠(chǎng)商提供，主要用於(yú)數據處理。

三維(wéi)建模的步驟(zhòu)：

三維激光掃描系統採(cǎi)集的數據爲點雲數據，點雲數據處(chù)理一般包含下面幾個步驟：噪聲除去、多視對齊、數據精簡、曲面重構。

噪聲除去指除去點雲數據中掃描對象之外的數據。在掃描過程中，由於(yú)某些環境因素的影響，比如移動的車輛、行人及樹木等，也會被掃描儀採(cǎi)集。這些數據在後處理就要删除。

貴州測繪儀器多視對齊其指由於(yú)被測件過大或形狀複雜，掃描時往往不能一次測出所有數據，而需要從不同位置、多視角進行多次掃描，這些點雲就需要對齊、拼接稱爲多視對齊。點雲對齊、拼接可以通過在物體表面布設同名控制點來實現。多視對齊的實質是計算達到如下目标函數的旋轉和平移變(biàn)換矩陣R，T：

其中，pi，qi爲需對齊的點(diǎn)雲，上式是一個高度非線性問題。點(diǎn)雲對齊研究主要集中於(yú)尋求該問題的的求解方法。其中Basl和Mokay於(yú)1992年提出的ICP算法。

點雲的數據精簡指的是由於(yú)點雲數據是海量數據，在不影響曲面重構和保持精度的情況下需要對數據進行精簡。常用的精簡方法可採(cǎi)用下列方式：平均精簡——原點雲中每 n 個點保留 1 個；按距離精簡——删除一些點後使保留的點雲中點與點間的距離均大於(yú)某值。

爲瞭(le)真實地還原掃描日标的本來面日，需要将掃描數據用準確(què)的曲面表示出來，這個過程叫曲面重構。曲面常見表示種類有：三角形網格，細分曲面，明確(què)的函數表示，暗含的函數表示，參數曲面，張量積 B 樣條曲面， NURBS曲面，曲化的面片等。

貴州測繪儀器