三维激光扫描技术特点及其应用前景

2012-05-15张宏伟赖百炼

测绘通报 2012年1期

关键词：扫描仪测绘激光

张宏伟，赖百炼

（1.包头市测绘院，内蒙古包头014030;2.中煤航测遥感局，陕西西安710054）

一、引言

三维激光扫描仪可以快速高效地获取测量目标的三维影像数据，作为一种新兴的测绘技术在各个领域的运用越来越深入，其快速，高精度，非接触式获取研究对象表面空间三维数据，其独特的空间数据采集方式使其具有多方面的技术优势，其应用领域日趋广泛。

二、三维激光扫描技术特点

1)数据采样率高。传统的测绘仪器，如经纬仪，全站仪等，很难采集高密度、高分辨率的海量点云数据。三维激光扫面仪的脉冲激光在数秒内可以采集上千个点，相位激光扫描仪可以采获更大的信息量，每秒可以达到上万点，突破了单点模式，可以获得更多的物体空间信息［1］。

2)精确度高。传统的摄影测量是根据像控点的坐标来建立模型上个点的坐标，因此点位测量精度和像控点的精度和位置密切相关。激光扫描测量获得的测点精度不但高于摄影测量中解析点，而且精度分布均匀［2］，此外，激光扫描还可以避免表面近似误差的问题。

3)受外界影响小。传统摄影测量在夜晚无法进行，因此只可在白天进行作业操作，三维激光测量法通过自身发射的激光回波信号获取所测目标物的数据信息，因此不受空间和时间的约束，延长了测量时间和测量领域。此外，传统测量对温度也有较高的要求，使工作不能连续进行。

4)非接触测量。三维激光不需要反射棱镜，可以直接采集物体表面的三维数据。这种非接触扫描目标的测量方法能够完成危险目标和环境数据的采集，这是传统测量方法无法完成的。

5)数字化采集，兼容性好。三维激光扫描技术直接采集具有全数字特征的数字信号，为后期的输出以及处理提供了方便。用户界面经过后期处理可以使其与其他常用软件实现互换和共享。

6)受约束低。传统摄影测量要在适宜的角度和位置进行测量，并且需要对影响照片的数据进行处理后再生成立体模型，采用三维激光扫描则移动比较方便，相对灵活，完成对点云数据的拼接处理后，建立三维模型。

7)可与GPS系统、外置数码相机配合使用。GPS定位系统扩大了三维激光扫描的应用领域，解决了更多工程上的难题，位置数码相机加强了三维激光扫描仪的扫描功能，帮助获得更全面的信息数据。

三维激光扫描仪作为新兴技术在不断完善的同时，也还存在一些不足之处:

1)地面扫描仪是个构造复杂的集成系统，其难以检校与维修;仪器昂贵，主流扫描仪售价在100万人民币以上，市场定位为高档设备，其过高的价格限制了其技术的推广。

2)点云数据后处理费时费力，处理时间是数据采集时间的10倍。扫描易，处理难，而且对数据的合理利用还有待开发。

3)扫描后处理软件技术不够完善，各厂家自成一体，互不兼容。缺乏统一的行业标准，缺乏实用而价格相对便宜的软件。

4)三维建模有一定的主观性，非专业人士常受到虚拟动画的视觉迷惑，忽视了三维模型的可量测性和科学性。

三、三维激光扫描仪技术参数对比及其适用范围

在选择扫描仪种类时，即使同一类型的产品由于生产厂家不一样，技术性能也有很大区别，当前扫描仪的主流产品包括:① 瑞士 Leica公司HDS3000、HDS6000、ScanStafion2;② 美国Trimble公司 MENSlSl0、GS 100、GX3D、VX 空间测站仪;③Faro公司产品 LS880、Photon80;④ 加拿大的Optech公司 ILRIS-36D、ILRIS-3D;⑤ 日本 Topcon公司产品GLS-1000;⑥ 奥地利Riegl公司PM-321、LMS-Z620、VZ-400等。表1是对上述扫描仪产品的各项技术参数进行比对，得出不同厂家三维激光扫描仪的测程、精度和扫描速率等各项参数，用户选择仪器时能从此获得一定的参考与指导。

表1 各类型扫描仪参数对比

目前，各厂家不同型号的三维激光扫描仪都有标称的扫描参数，但是具体实际参数值可能与标称值有差异，需要对仪器现场进行必要的检校与精度评定。表1中各类三维激光扫描仪己依照其最高扫描速率从小到大排列，通过比对其他参数可知:

1)扫描速率最慢的三角法测量仪器有效测量距离也最短，但其高点位测量精度使其在医学和精密工业中有很好地应用，现已广泛应用在外科整形、人体测量、矫正手术、在线加工、工业设计等方面。

2)脉冲式扫描仪扫描速率介于三角法和相位式仪器之间，角度测量精度高有效测量距离最长，但距离测量精度较低，其仪器特点使其主要应用在地形测量、滑坡变形监测、土木工程施工、事故现场恢复、古迹修复与保护等方面。

3)相位式有效测量距离介于上述两者之间，拥有最快的扫描速率，但是角度测量精度较低。主要应用在船体测量、改建及现场测绘工程、汽车在线加工、大型器件监测、医学研究、食品加工等方面［3］。

四、三维激光扫描技术的主要应用领域

三维激光扫描仪特别适合于大面积的、表面复杂的物体精细测量。目前在许多领域中已经得到了应用，下面分类介绍它的应用领域。

1.工程测量领域

1)地形图测量:主要包括测量人员难以抵达的或者危险地带的地形测量和不规则带状地形图(铁路、公路、河流等现状地形)的测量，与传统的测图方法相比较，具有高效性和优质性。

2)路面测量:用于路面竣工后的质量检测:计算路面平整度，也可以为道路设计提供实地模型。

3)土木工程测量:主要包括各种土木工程(隧道、路基、桥梁、地下坑道等)施工过程中和竣工后的测量，三维激光扫描仪扫描的成果，可以作为电子资料保存，可以提供可量测模型用来指导施工，同时也可以作为检测施工质量的凭据(见图2、图3)。

图1 桥梁测量

图2 工业设备测量

4)变形监测:三维激光扫描技术与其他的测量技术(GPS、全站仪)相较，其监测点精度均匀、密度高，可以发现变形体局部细节变化，同时也便于从整体上分析和评价变形体的稳定性。对高层建筑、滑坡、矿山塌陷、大坝、船闸、桥梁、工业设备等工程变形监测有很好的应用前景。

2.医学领域

三维激光扫描技术也成功应用在了医学方面，在这个领域扫描仪特点是测程短(＜4 m)、测距精度高(＜1 mm)，例如MinoltaVI900配置的长、中、广三种不同焦距的镜头，测距精度高于0.1 mm，测程为0.6～2.5 m。医学上扫描仪主要应用在外科整形、人体测量、矫正手术等。

3.建筑、文物保护领域

有名的建筑物或者文物一般以形状独特，结构复杂著称，想通过传统的测量方法以较少的测量点构建可以量测的立体图像具有很大的难度，且被测量对象在实施测量的过程中必须避免遭到损坏，所以必须采用主动测量方式。以前最主要的是借助摄影测量技术，随着三维激光扫描技术的发展，其应用领域开始涉及建筑、文物保护领域。该技术以高密度且融合了色彩影像信息的点云数据来反映建筑物、文物表面的精细表面结构［4］。

同时能构建其三维模型，当建筑物和文物等遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据。

4.逆向工程

逆向工程与传统的复制方法恰好相反，传统的方法是先制作1∶1的模具，再根据模具制造实体，而逆向工程则是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据构建三维几何模型，再根据数字模型反过来指导实体的生成。传统方法无法作任何外形修改，也无法量测工件尺寸大小，现在已慢慢被以三维激光扫描技术为代表的新型数字化逆向工程系统所取代。由于三维激光扫描仪能对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其轮廓的三维点云数据，配合建模软件进行曲面重构，并具备对重构的模型进行精度分析及评价构造效果等优点，三维激光扫描技术在逆向工程领域具备独特的优势。

5.应急服务

三维激光扫描的精确可量测性与非接触性使其在应急服务领域大有发展，如在失事飞机、汽车和火车事故现场，仅仅采用拍照的方式无法确认很多几何信息，而采用扫描方式可在短时间内作详细而精确的细节测量，为日后的事故鉴定提供准确的空间信息，也可以存档保存。

6.复杂工业设备的测量与建模

在现代企业厂房内工业设备众多，管线林立且相互交杂，通过摄影测量方法构建效果逼真的工业设备模型是具有相当难度的。然而利用三维激光扫描仪通过自由设站的方式可以对设备进行全方位的扫描，经过后续的处理就可以生成这些复杂设备的3D模型，此种方法大大提高了工作效率［5］;为工厂的规划和设备的制造提供了一定的参考资料(见图3)。