三维激光扫描仪技能原理及应用

地面三维激光扫描技能的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表，有人称 “三维激光扫描系统”是继 GPS (Global Position System) 技能以来测绘领域 的又一次技能革命。三维激光扫描技能是一种完善的全自动高度立体扫描技能，又称为 “实景复制技能”，是继GPS空间定位技能后的又一项测绘技能革新，贵州测绘仪器将使测绘数据的获取方法、 服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。 

传统的大地测量方法，如三角测量方法， GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。 三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。 点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，不需复杂的费时费力的数据后处理； 且不需和被测物体接触， 可以在很多复杂环境下应用； 并且可以和 GPS等集合起来实现强、 多的应用。三维激光扫描技能作为目前发展迅猛的新技能，必定会在诸多领域得到深入和广的应用。 

对空间信息进行可视化表达，即进行三维建模，通常有两类方法：  基于图像的方法和基于几何的方法。 基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型， 其数据来源是数码相机。而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较的几何信息。 

三维激光扫描仪的分类： 

三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载) 激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。 

三维激光扫描仪作为现今时效强的三维数据获取工具可以划分为不同的类型。通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为： 

（1）短距离激光扫描仪：其长扫描距离不超过3m，一般扫描距离为 0.6～1.2m，贵州测绘仪器通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，不只扫描速度快且精度较高，可以多达三十万个点精度至± 0.018mm。例如: 美能达公司出品的 VIVID 910 高度三维激光扫描仪，手持式三维数据扫描仪 FastScan等等，都属于这类扫描仪。 

（2）中距离激光扫描仪：长扫描距离小于 120 m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪，其多用于大型模具或室内空间的测量。例如：瑞士Leica 公司出品的 ScanStation P30/P40 三维激光扫描仪就属于这类扫描仪。 

（3）长距离激光扫描仪 : 扫描距离大于 270m的三维激光扫描仪属于长距离三维激光扫描仪，其主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量。例如：瑞士Leica 公司出品的 ScanStation P30/P40 三维激光扫描仪就属于这类扫描仪。

（4）超长测程激光扫描仪：长扫描距离通常大于  1 公里，并且需要配备的导航定位系统，其可用于大范围地形的扫描测量。 例如：瑞士Leica 公司出品的 ScanStation P50 三维激光扫描仪就属于这类扫描仪。

之所以这样进行分类， 是因为激光测量的有效距离是三维激光扫描仪应用范围的重要条件，针对大型地物或场景的观测，或是无法接近的地物等等，这些都考虑到扫描仪的实际测量距离。 此外，被测物距离越远， 地物观测的精度就相对较差。 因此，要保障扫描数据的精度， 就在相应类型扫描仪所规定的标准范围内使用。 

三维激光扫描仪工作原理： 

无论扫描仪的类型如何， 三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。 三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速的激光测距仪， 配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。 激光测距仪主动发射激光， 同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每扫描点与测站的空间相对坐标。 

如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每个扫描点的三维坐标。以徕卡某型号三维激光扫描仪为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。 

地面型三维激光扫描系统工作原理： 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后， 沿几乎相同的路径反向传回到接收器， 可以计算日标点 P 与扫描仪距离 S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值 α和纵向扫描角度观测值 β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。 X轴在横向扫描面内， Y 轴在横向扫描面内与 X 轴垂直，Z 轴与横向扫描面垂直。获得 P 的坐标。

整个系统由地面三维激光扫描仪、 数码相机、后处理软件、 电源以附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式， 获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，达到空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。 

目前阶段，需要通过两种类型的软件才能使三维激光扫描仪发挥其功能：  一类是扫描仪的控制软件； 另一类是数据处理软件。 前者通常是扫描仪随机附带的操作软件，既可以用于获取数据， 也可以对数据进行相应处理， 如Leica扫描仪附带的软件 Cyclone；而后者也有一部分是第三方厂商提供， 主要用于数据处理。

三维建模的步骤： 

三维激光扫描系统采集的数据为点云数据， 点云数据处理一般包含下面几个步骤：噪声除去、多视对齐、数据精简、曲面重构。 

噪声除去指除去点云数据中扫描对象之外的数据。 在扫描过程中， 由于某些环境因素的影响，比如移动的车辆、行人及树木等，也会被扫描仪采集。这些数据在后处理就要删除。

贵州测绘仪器多视对齐其指由于被测件过大或形状复杂， 扫描时往往不能一次测出所有数据，而需要从不同位置、多视角进行多次扫描，这些点云就需要对齐、拼接称为多视对齐。点云对齐、拼接可以通过在物体表面布设同名控制点来实现。  多视对齐的实质是计算达到如下目标函数的旋转和平移变换矩阵R，T： 

其中，pi，qi为需对齐的点云，上式是一个高度非线性问题。点云对齐研究主要集中于寻求该问题的的求解方法。其中Basl和Mokay于1992年提出的ICP算法。

点云的数据精简指的是由于点云数据是海量数据， 在不影响曲面重构和保持精度的情况下需要对数据进行精简。 常用的精简方法可采用下列方式： 平均精简——原点云中每 n 个点保留 1 个；按距离精简——删除一些点后使保留的点云中点与点间的距离均大于某值。

为了真实地还原扫描日标的本来面日， 需要将扫描数据用准确的曲面表示出来，这个过程叫曲面重构。曲面常见表示种类有：三角形网格，细分曲面，明确的函数表示，暗含的函数表示，参数曲面，张量积  B 样条曲面， NURBS曲面，曲化的面片等。 

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