谈3D扫描仪在地形测量中的有效应用

2012-10-27殷德耀李健

中国科技信息 2012年11期

关键词：棱镜扫描仪物体

殷德耀李健

河南省有色金属地质矿产局第三地质大队 450016

谈3D扫描仪在地形测量中的有效应用

殷德耀李健

河南省有色金属地质矿产局第三地质大队 450016

随着科技的飞速发展，地形测量在工程建设中的作用也愈来愈大。而三维扫描仪高效、快捷的特点在地形测量中得到了广泛的应用。正是由于地形测量工作的重要性，也说明能否运用好三维扫描仪，将成为决定地形测量工作效果的关键因素。本文主要针对三维扫描仪的工作原理及数据处理方法、步骤进行了全面性的探讨。

3D激光扫描仪；地形测量；原理；方法

随着科技的飞速发展，地形测量在工程建设中的作用也愈来愈大。而三维扫描仪高效、快捷的特点在地形测量中得到了广泛的应用。正是由于地形测量工作的重要性，也说明能否运用好三维扫描仪，将成为决定地形测量工作效果的关键因素。

1 3D激光扫描仪的工作原理

3D激光扫描仪主要是在不运用反射棱镜的情况下，通过自身所有扫描棱镜进行快速的扫描测距，并能够使获得的数据达到较高精度，其获取信息的过程能够在最短的时间内完成[1]。主要优势为：一是仅为其提供一个检测点，该仪器即可在不接触检测物体的情况下，通过快速扫描取得被测物体的所需信息，并能够使获取的信息具备相当高的精度及密度，再通过特定的辅助软件即可获取该图形的空间信息；二是该仪器在进行测量的过程中，在无光源情况下，即黑暗条件下，亦可对被测物体展开测量，若有光源的条件下，还能够同时取得被测物体的色彩值，获得其三维影像，更加便于虚拟实境的建立。本文主要通过对LMS—X4203D激光扫描仪进行其结构和原理的分析。

1.1 结构解析为提高3D激光扫描仪的扫描速度，特在LMS—X4203D激光扫描仪中装入了为其特别设计的探测器；其线扫描主要是运用多面体来进行反射。在运行的过程中，通过控制多棱镜速度，使其在进行扫描时亦能够以不同速度进行，同时也可通过不同的角度来对物体进行扫描；按照光学中360度旋转原理，可对水平面展开全方位的扫面；在获得长度、角度等信息后，平行数据输出接口将通过与电脑连接，对其进行处理，获得所需数据。

1.2 工作原理 LMS—X4203D激光扫描仪主要是通过在一定距离条件下，运用激光技术获取LIDAR光传输时间来进行测量。简而言之，首先将激光脉冲二极管中发射出的信号通过棱镜，再经由棱镜调整到达目标物，其后反射回来的信息将经由探测器获取信息，并将其记录下来。（图1）

图1 LMS—X4203D激光扫描工作原理

图2 测量断面中激光扫描仪到建筑物的垂直距离图

2 3D数据处理的步骤及方法

经过激光扫描取得的数据主要是被测物体表面分布较为紧密的三维点云，若在进行测量时，被测物由于各种情况，致使扫面不能够一次性全部观测，这就需要通过此次检测来获得所需数据，后再将多次测量获得的点云进行整合来获得信息[2]。在实际操作中，大部分的测量均需通过模型化处理来整理点云数据，并以此来取得所测物体的信息。

2.1 点云联结

通过不同站点获得的点云有着各自的坐标系统，因此，点云联结就是将所获得的点云数据转换到同一坐标上来，抑或者通过对其参考坐标进行相对的转换[3]。就当前而言点云联结主要为测站后视棱镜法、曲面匹配法、磁性觇标控制点法和共轭面转换法四种方法。

2.2.1 共轭面转换法操作者通过人为与机器互动的操作，将所重叠的点云集中到平面上来，其后再找出3个或以上共轭面，注意该面均在不平行面上，再通过将共轭面上的坐标进行转换。该方法在观测的过程中，不需要通过其他任何步标或测量来开展，但在共同的观测范围内必须具备3个或以上共轭面，再进行转换。

2.2.2 磁性觇标控制点法通过在测站重叠的范围内，并放置觇标来作为测量的控制点，就可以通过觇标的特性进行反射并自动找到控制点。在获得三个或以上数量的控制点后，就可通过转换得到相连测站的数据。

2.2.3 测站后视棱镜法当激光扫描仪在经由棱镜时，会出现较强的反射情况，但还属于辨识范围内，为此需要建立起三维关系，将测站与棱镜两者连接起来。简而言之，在获得棱镜与测站的坐标数据时，通过将测量到的点云数据与地面坐标进行相互转换。在定位测量时，通常情况运用全站仪来进行，也会运用全球定位系统来进行测量。

2.2.4 曲面匹配法在观测表现起伏的物体时，可将重叠的点云数据，经过曲面匹配的方式取得信息。但由于目前的曲面匹配理论还没有能够完全实现自动化，因此，需要通人工对其进行近似匹配操作，才能使结果达到最理想的效果。

2.2 特征线的提取获取离散点挖掘过程中线性信息的方法非常多，线性回归、HOUGH交换等均属于方法之一。在对建筑物进行信息挖掘时，主要方法为：

2.2.1 对扫描仪测量的建筑物的数据进行计算（图2），扫描线能够与建筑物处在同一层面并形成了ΔOPiPj，该三角形的变长分别为Di、Dj，其已知夹角为B。图中所有形成的三角形均可通过计算得到其垂直距离，其简称为伪距。

在较为理想的情况下，若处在同一断面上，那么其伪距多数是相等的，并能够显示出扫描仪到建筑物这两者之间的距离，但在实际操作过程中，不可避免地存在一些差距，这就需要操作人员进行人为的判断，再通过计算获得垂足点。

2.2.2 纠正激光测量断面，使整体结果更加匹配。首先将获得的全部垂足点按照相应顺序进行连接，再运用曲线拟合的方法计算出曲线上的曲线点，其后通过探测曲线点，获得被测物体的形体特点，最后将特征点进行整合，通过直线拟合及形体信息挖掘，获得建筑物二维平面特征所需的点线。

2.2.3 通过重复以上步骤，将获取的所有数据信息进行分析处理。

2.2.4 在进行第二次重复计算时，主要针对存在疑问点进行处理，并取得最后的特征点。其后再通过将各特征点进行原始观测值的划分，并根据拟合得出的结果对原始观测点中的距离值进行完善。

2.3 三维数据的获取

在获得最终纠正信息后，再对原始数据进行重新采样，就可获取观测物的三维坐标。主要计算方法为：已知值为激光扫描仪与观测物之间的垂直距离，在获得已知值后按照二维平面信息，通过对原始数据重新进行整理计算。相较于坐标概算重采样主要注重建筑物整体特征，同时对测量数据也更加注重整体匹配和纠正，达到改善误差的效果[4]。

2.4 点云模型化

通过以上计算方法，最终能够获得三维重采样点，并将数据直接运用到三维建模中来。地形表面建模主要为基于点的建模方法、基于三角形的建模方法、基于格网的建模方法和将其中任意两种结合起来的混合建模方法四大方法。