三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用前景

張宏偉，賴百煉

（1.包頭市測繪院，內(nèi)蒙古包頭014030;2.中煤航測遙感局，陜西西安710054）

一、引 言

三維激光掃描儀可以快速高效地獲取測量目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)，作為一種新興的測繪技術(shù)在各個領(lǐng)域的運(yùn)用越來越深入，其快速，高精度，非接觸式獲取研究對象表面空間三維數(shù)據(jù)，其獨(dú)特的空間數(shù)據(jù)采集方式使其具有多方面的技術(shù)優(yōu)勢，其應(yīng)用領(lǐng)域日趨廣泛。

二、三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)

1)數(shù)據(jù)采樣率高。傳統(tǒng)的測繪儀器，如經(jīng)緯儀，全站儀等，很難采集高密度、高分辨率的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃面儀的脈沖激光在數(shù)秒內(nèi)可以采集上千個點(diǎn)，相位激光掃描儀可以采獲更大的信息量，每秒可以達(dá)到上萬點(diǎn)，突破了單點(diǎn)模式，可以獲得更多的物體空間信息［1］。

2)精確度高。傳統(tǒng)的攝影測量是根據(jù)像控點(diǎn)的坐標(biāo)來建立模型上個點(diǎn)的坐標(biāo)，因此點(diǎn)位測量精度和像控點(diǎn)的精度和位置密切相關(guān)。激光掃描測量獲得的測點(diǎn)精度不但高于攝影測量中解析點(diǎn)，而且精度分布均勻［2］，此外，激光掃描還可以避免表面近似誤差的問題。

3)受外界影響小。傳統(tǒng)攝影測量在夜晚無法進(jìn)行，因此只可在白天進(jìn)行作業(yè)操作，三維激光測量法通過自身發(fā)射的激光回波信號獲取所測目標(biāo)物的數(shù)據(jù)信息，因此不受空間和時間的約束，延長了測量時間和測量領(lǐng)域。此外，傳統(tǒng)測量對溫度也有較高的要求，使工作不能連續(xù)進(jìn)行。

4)非接觸測量。三維激光不需要反射棱鏡，可以直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)。這種非接觸掃描目標(biāo)的測量方法能夠完成危險目標(biāo)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，這是傳統(tǒng)測量方法無法完成的。

5)數(shù)字化采集，兼容性好。三維激光掃描技術(shù)直接采集具有全數(shù)字特征的數(shù)字信號，為后期的輸出以及處理提供了方便。用戶界面經(jīng)過后期處理可以使其與其他常用軟件實(shí)現(xiàn)互換和共享。

6)受約束低。傳統(tǒng)攝影測量要在適宜的角度和位置進(jìn)行測量，并且需要對影響照片的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后再生成立體模型，采用三維激光掃描則移動比較方便，相對靈活，完成對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接處理后，建立三維模型。

7)可與GPS系統(tǒng)、外置數(shù)碼相機(jī)配合使用。GPS定位系統(tǒng)擴(kuò)大了三維激光掃描的應(yīng)用領(lǐng)域，解決了更多工程上的難題，位置數(shù)碼相機(jī)加強(qiáng)了三維激光掃描儀的掃描功能，幫助獲得更全面的信息數(shù)據(jù)。

三維激光掃描儀作為新興技術(shù)在不斷完善的同時，也還存在一些不足之處:

1)地面掃描儀是個構(gòu)造復(fù)雜的集成系統(tǒng)，其難以檢校與維修;儀器昂貴，主流掃描儀售價在100萬人民幣以上，市場定位為高檔設(shè)備，其過高的價格限制了其技術(shù)的推廣。

2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)后處理費(fèi)時費(fèi)力，處理時間是數(shù)據(jù)采集時間的10倍。掃描易，處理難，而且對數(shù)據(jù)的合理利用還有待開發(fā)。

3)掃描后處理軟件技術(shù)不夠完善，各廠家自成一體，互不兼容。缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏實(shí)用而價格相對便宜的軟件。

4)三維建模有一定的主觀性，非專業(yè)人士常受到虛擬動畫的視覺迷惑，忽視了三維模型的可量測性和科學(xué)性。

三、三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)對比及其適用范圍

在選擇掃描儀種類時，即使同一類型的產(chǎn)品由于生產(chǎn)廠家不一樣，技術(shù)性能也有很大區(qū)別，當(dāng)前掃描儀的主流產(chǎn)品包括:① 瑞士 Leica公司HDS3000、HDS6000、ScanStafion2;② 美國Trimble公司 MENSlSl0、GS 100、GX3D、VX 空間測站儀;③Faro公司產(chǎn)品 LS880、Photon80;④ 加拿大的Optech公司 ILRIS-36D、ILRIS-3D;⑤ 日本 Topcon公司產(chǎn)品GLS-1000;⑥ 奧地利Riegl公司PM-321、LMS-Z620、VZ-400等。表1是對上述掃描儀產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比對，得出不同廠家三維激光掃描儀的測程、精度和掃描速率等各項(xiàng)參數(shù)，用戶選擇儀器時能從此獲得一定的參考與指導(dǎo)。

表1 各類型掃描儀參數(shù)對比

目前，各廠家不同型號的三維激光掃描儀都有標(biāo)稱的掃描參數(shù)，但是具體實(shí)際參數(shù)值可能與標(biāo)稱值有差異，需要對儀器現(xiàn)場進(jìn)行必要的檢校與精度評定。表1中各類三維激光掃描儀己依照其最高掃描速率從小到大排列，通過比對其他參數(shù)可知:

1)掃描速率最慢的三角法測量儀器有效測量距離也最短，但其高點(diǎn)位測量精度使其在醫(yī)學(xué)和精密工業(yè)中有很好地應(yīng)用，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在外科整形、人體測量、矯正手術(shù)、在線加工、工業(yè)設(shè)計等方面。

2)脈沖式掃描儀掃描速率介于三角法和相位式儀器之間，角度測量精度高有效測量距離最長，但距離測量精度較低，其儀器特點(diǎn)使其主要應(yīng)用在地形測量、滑坡變形監(jiān)測、土木工程施工、事故現(xiàn)場恢復(fù)、古跡修復(fù)與保護(hù)等方面。

3)相位式有效測量距離介于上述兩者之間，擁有最快的掃描速率，但是角度測量精度較低。主要應(yīng)用在船體測量、改建及現(xiàn)場測繪工程、汽車在線加工、大型器件監(jiān)測、醫(yī)學(xué)研究、食品加工等方面［3］。

四、三維激光掃描技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

三維激光掃描儀特別適合于大面積的、表面復(fù)雜的物體精細(xì)測量。目前在許多領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用，下面分類介紹它的應(yīng)用領(lǐng)域。

1.工程測量領(lǐng)域

1)地形圖測量:主要包括測量人員難以抵達(dá)的或者危險地帶的地形測量和不規(guī)則帶狀地形圖(鐵路、公路、河流等現(xiàn)狀地形)的測量，與傳統(tǒng)的測圖方法相比較，具有高效性和優(yōu)質(zhì)性。

2)路面測量:用于路面竣工后的質(zhì)量檢測:計算路面平整度，也可以為道路設(shè)計提供實(shí)地模型。

3)土木工程測量:主要包括各種土木工程(隧道、路基、橋梁、地下坑道等)施工過程中和竣工后的測量，三維激光掃描儀掃描的成果，可以作為電子資料保存，可以提供可量測模型用來指導(dǎo)施工，同時也可以作為檢測施工質(zhì)量的憑據(jù)(見圖2、圖3)。

圖1 橋梁測量

圖2 工業(yè)設(shè)備測量

4)變形監(jiān)測:三維激光掃描技術(shù)與其他的測量技術(shù)(GPS、全站儀)相較，其監(jiān)測點(diǎn)精度均勻、密度高，可以發(fā)現(xiàn)變形體局部細(xì)節(jié)變化，同時也便于從整體上分析和評價變形體的穩(wěn)定性。對高層建筑、滑坡、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁、工業(yè)設(shè)備等工程變形監(jiān)測有很好的應(yīng)用前景。

2.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

三維激光掃描技術(shù)也成功應(yīng)用在了醫(yī)學(xué)方面，在這個領(lǐng)域掃描儀特點(diǎn)是測程短(＜4 m)、測距精度高(＜1 mm)，例如MinoltaVI900配置的長、中、廣三種不同焦距的鏡頭，測距精度高于0.1 mm，測程為0.6～2.5 m。醫(yī)學(xué)上掃描儀主要應(yīng)用在外科整形、人體測量、矯正手術(shù)等。

3.建筑、文物保護(hù)領(lǐng)域

有名的建筑物或者文物一般以形狀獨(dú)特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜著稱，想通過傳統(tǒng)的測量方法以較少的測量點(diǎn)構(gòu)建可以量測的立體圖像具有很大的難度，且被測量對象在實(shí)施測量的過程中必須避免遭到損壞，所以必須采用主動測量方式。以前最主要的是借助攝影測量技術(shù)，隨著三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域開始涉及建筑、文物保護(hù)領(lǐng)域。該技術(shù)以高密度且融合了色彩影像信息的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來反映建筑物、文物表面的精細(xì)表面結(jié)構(gòu)［4］。

同時能構(gòu)建其三維模型，當(dāng)建筑物和文物等遭到破壞后能及時而準(zhǔn)確地提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。

4.逆向工程

逆向工程與傳統(tǒng)的復(fù)制方法恰好相反，傳統(tǒng)的方法是先制作1∶1的模具，再根據(jù)模具制造實(shí)體，而逆向工程則是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)構(gòu)建三維幾何模型，再根據(jù)數(shù)字模型反過來指導(dǎo)實(shí)體的生成。傳統(tǒng)方法無法作任何外形修改，也無法量測工件尺寸大小，現(xiàn)在已慢慢被以三維激光掃描技術(shù)為代表的新型數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)所取代。由于三維激光掃描儀能對已有的樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到其輪廓的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，配合建模軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)，并具備對重構(gòu)的模型進(jìn)行精度分析及評價構(gòu)造效果等優(yōu)點(diǎn)，三維激光掃描技術(shù)在逆向工程領(lǐng)域具備獨(dú)特的優(yōu)勢。

5.應(yīng)急服務(wù)

三維激光掃描的精確可量測性與非接觸性使其在應(yīng)急服務(wù)領(lǐng)域大有發(fā)展，如在失事飛機(jī)、汽車和火車事故現(xiàn)場，僅僅采用拍照的方式無法確認(rèn)很多幾何信息，而采用掃描方式可在短時間內(nèi)作詳細(xì)而精確的細(xì)節(jié)測量，為日后的事故鑒定提供準(zhǔn)確的空間信息，也可以存檔保存。

6.復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測量與建模

在現(xiàn)代企業(yè)廠房內(nèi)工業(yè)設(shè)備眾多，管線林立且相互交雜，通過攝影測量方法構(gòu)建效果逼真的工業(yè)設(shè)備模型是具有相當(dāng)難度的。然而利用三維激光掃描儀通過自由設(shè)站的方式可以對設(shè)備進(jìn)行全方位的掃描，經(jīng)過后續(xù)的處理就可以生成這些復(fù)雜設(shè)備的3D模型，此種方法大大提高了工作效率［5］;為工廠的規(guī)劃和設(shè)備的制造提供了一定的參考資料(見圖3)。

圖3 三維設(shè)備建模

7.地質(zhì)災(zāi)害的變形監(jiān)測

三維激光掃描測量技術(shù)的一個顯著特點(diǎn)就是可以利用掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模而得知整個面域內(nèi)的情況，它是一種基于面的測量方式，而不像傳統(tǒng)的方法一樣是基于單個點(diǎn)的測量［6］。正因如此，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中，如滑坡、邊坡監(jiān)測等(見圖4)。

圖4 滑坡監(jiān)測

［1］ 徐曉雄，劉松林.三維激光掃描技術(shù)及在測繪中的應(yīng)用［J］.中國測繪，2009(2):63-65.

［2］ 陳靜.地面三維激光掃描測量系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.測繪工程，2011(1):49-52.

［3］ 逢永濤.自由曲面三維激光測量系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)［D］.北京:首都師范大學(xué)，2008.

［4］ 賈棋.建筑物模型重建的方法與實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2007.

［5］ 曾磊.三維激光掃描儀在汽油田中的應(yīng)用［J］.硅谷，2010(5):130.

［6］ 邢正全，鄧喀中.三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于開展沉陷監(jiān)測［J］.測繪信息工程，2011，36(3):13-15.