三维激光扫描技术应用浅谈

韩志刚

深圳市蓝天鹤测绘有限公司 广东深圳 518000

摘要：三维激光扫描技术具有精度高、信息完整、工作效率高等特点，有效地解决了传统测绘技术的缺陷，大大减轻了测绘外业工作量和劳动强度，三维激光扫描技术应用范围也越来越广。

关键词：三维激光扫描；测量；应用

一、三维激光扫描技术主要特点简介

三维激光扫描技术利用激光的独特优异性能用作扫描测量，该技术具有如下特点：

1）速度快，节约大量的时间，测量完整和精确；

2）无接触测量（无需反射棱镜），昏暗和夜间都不影响外业测量；

3）扫描目标无需表面处理直接获取其三维点云数据；

4）数字化采集，便于计算机处理；

5）方便将3D模型转换到CAD系统中。

二、三维激光扫描系统的工作原理

目前，市面上比较完整的地面三维激光扫描系统主要包括：激光扫描系统、激光测距系统、集成的CCD摄像机和仪器内部控制与校正系统。现在，主流的三维激光扫描主要有三种测距方式：脉冲式测距、相位式测距和光学三角网法。以下介绍激光扫描系统各部分的原理和功能。

脉冲式测距是通过测量激光在仪器到目标物体来回传送的时间来确定三维激光扫描仪到物体间的距离，原理非常简单如下式所示：

式中，S表示扫描仪到目标点的距离，c表示光束，t表示激光脉冲发射和技术的时间差。

脉冲式测距通过仪器内部的激光发射装置发射出激光经过物体反射后，通过仪器内的探测器接收并记录发射到接收的时间，从而计算出距离。脉冲式测距的优势在于有效测程长，能达到几百米甚至上千米，所以在测量地形，大型建筑，矿山等比较复杂的大型物体时会采用这种方式。但是，脉冲式三维激光扫描仪目前市场价格较高，而且相对相位式测距，脉冲式的扫描速度较慢。

相位式测距的工作原理类似于GPS的载波相位测距，通过测定调制在激光束上的调整光的波长的相位延迟，利用波长和相位差来间接计算出仪器与反射物体之间的距离。计算原理如下式所示。

式中为检测的相位差，f为填充脉冲的频率。

相位式测距由于一般功率较小，所以有效测程一般都在一百五十米到两百米以内。但是相位式测距的优势在于扫描速度较快，而且由于是利用光波长和相位差进行距离计算，比单纯计算时间的脉冲式测距精度高。所以采用相位式测距的三维激光扫描仪一般主要是应用于文物保护，占建筑等需要比较精确的扫描方向。

三维激光扫描仪不仅仅是测量仪器到物体之间的距离，还要通过仪器内部的轴系系统得到仪器与目标物体的相对位置关系，从而利用已知的仪器坐标得到未知的物体空间位置信息。一般情况下，以三维激光扫描仪建立空间直角坐标系，如下图所示。

S是由测距单元测量得到的扫描仪到目标物体的距离，和a是由三维激光扫描仪内部的轴系系统得到的角度，P是目标位置、这样由下式就可以计算目标的坐标了。

三维激光扫描仪还有一个非常重要的部分就是集成在仪器内部的CCD摄像机。由于三维激光扫描仪获取到的三维点云数据是由成千上万个空间点组成的，这此大量的点位数据如果没有相应的影像数据作为支持，后期处理起来就非常麻烦。集成在三维激光扫描仪内部的CCD摄像机在三维激光扫描仪进行空间扫描的同时就不断的记录空间影像。这此影像对于点云数据的后期处理、除噪、拼接等都是非常重要的原始资料。同时，在利用点云数据进行三维建模后，我们还可以利用这些影像数据进行贴图从而得到空间物体的真三维模型。

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Trimhle公司MEN SIO，GS100，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LPM-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，现己广泛应用在外科整形、人体测量、矫正手術、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。

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。目前在许多领域中己经得到了应用，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。