三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用淺談

韓志剛

深圳市藍(lán)天鶴測(cè)繪有限公司 廣東深圳 518000

摘要：三維激光掃描技術(shù)具有精度高、信息完整、工作效率高等特點(diǎn)，有效地解決了傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的缺陷，大大減輕了測(cè)繪外業(yè)工作量和勞動(dòng)強(qiáng)度，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；測(cè)量；應(yīng)用

一、三維激光掃描技術(shù)主要特點(diǎn)簡(jiǎn)介

三維激光掃描技術(shù)利用激光的獨(dú)特優(yōu)異性能用作掃描測(cè)量，該技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

1）速度快，節(jié)約大量的時(shí)間，測(cè)量完整和精確；

2）無(wú)接觸測(cè)量（無(wú)需反射棱鏡），昏暗和夜間都不影響外業(yè)測(cè)量；

3）掃描目標(biāo)無(wú)需表面處理直接獲取其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

4）數(shù)字化采集，便于計(jì)算機(jī)處理；

5）方便將3D模型轉(zhuǎn)換到CAD系統(tǒng)中。

二、三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

目前，市面上比較完整的地面三維激光掃描系統(tǒng)主要包括：激光掃描系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、集成的CCD攝像機(jī)和儀器內(nèi)部控制與校正系統(tǒng)?，F(xiàn)在，主流的三維激光掃描主要有三種測(cè)距方式：脈沖式測(cè)距、相位式測(cè)距和光學(xué)三角網(wǎng)法。以下介紹激光掃描系統(tǒng)各部分的原理和功能。

脈沖式測(cè)距是通過(guò)測(cè)量激光在儀器到目標(biāo)物體來(lái)回傳送的時(shí)間來(lái)確定三維激光掃描儀到物體間的距離，原理非常簡(jiǎn)單如下式所示：

式中，S表示掃描儀到目標(biāo)點(diǎn)的距離，c表示光束，t表示激光脈沖發(fā)射和技術(shù)的時(shí)間差。

脈沖式測(cè)距通過(guò)儀器內(nèi)部的激光發(fā)射裝置發(fā)射出激光經(jīng)過(guò)物體反射后，通過(guò)儀器內(nèi)的探測(cè)器接收并記錄發(fā)射到接收的時(shí)間，從而計(jì)算出距離。脈沖式測(cè)距的優(yōu)勢(shì)在于有效測(cè)程長(zhǎng)，能達(dá)到幾百米甚至上千米，所以在測(cè)量地形，大型建筑，礦山等比較復(fù)雜的大型物體時(shí)會(huì)采用這種方式。但是，脈沖式三維激光掃描儀目前市場(chǎng)價(jià)格較高，而且相對(duì)相位式測(cè)距，脈沖式的掃描速度較慢。

相位式測(cè)距的工作原理類似于GPS的載波相位測(cè)距，通過(guò)測(cè)定調(diào)制在激光束上的調(diào)整光的波長(zhǎng)的相位延遲，利用波長(zhǎng)和相位差來(lái)間接計(jì)算出儀器與反射物體之間的距離。計(jì)算原理如下式所示。

式中為檢測(cè)的相位差，f為填充脈沖的頻率。

相位式測(cè)距由于一般功率較小，所以有效測(cè)程一般都在一百五十米到兩百米以內(nèi)。但是相位式測(cè)距的優(yōu)勢(shì)在于掃描速度較快，而且由于是利用光波長(zhǎng)和相位差進(jìn)行距離計(jì)算，比單純計(jì)算時(shí)間的脈沖式測(cè)距精度高。所以采用相位式測(cè)距的三維激光掃描儀一般主要是應(yīng)用于文物保護(hù)，占建筑等需要比較精確的掃描方向。

三維激光掃描儀不僅僅是測(cè)量?jī)x器到物體之間的距離，還要通過(guò)儀器內(nèi)部的軸系系統(tǒng)得到儀器與目標(biāo)物體的相對(duì)位置關(guān)系，從而利用已知的儀器坐標(biāo)得到未知的物體空間位置信息。一般情況下，以三維激光掃描儀建立空間直角坐標(biāo)系，如下圖所示。

S是由測(cè)距單元測(cè)量得到的掃描儀到目標(biāo)物體的距離，和a是由三維激光掃描儀內(nèi)部的軸系系統(tǒng)得到的角度，P是目標(biāo)位置、這樣由下式就可以計(jì)算目標(biāo)的坐標(biāo)了。

三維激光掃描儀還有一個(gè)非常重要的部分就是集成在儀器內(nèi)部的CCD攝像機(jī)。由于三維激光掃描儀獲取到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由成千上萬(wàn)個(gè)空間點(diǎn)組成的，這此大量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)如果沒(méi)有相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)作為支持，后期處理起來(lái)就非常麻煩。集成在三維激光掃描儀內(nèi)部的CCD攝像機(jī)在三維激光掃描儀進(jìn)行空間掃描的同時(shí)就不斷的記錄空間影像。這此影像對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后期處理、除噪、拼接等都是非常重要的原始資料。同時(shí)，在利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模后，我們還可以利用這些影像數(shù)據(jù)進(jìn)行貼圖從而得到空間物體的真三維模型。

三、三維激光掃描儀技術(shù)參數(shù)對(duì)比及其適用范圍

在選擇掃描儀種類時(shí)，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(guó)Trimhle公司MEN SIO，GS100，GX3D，VX空間測(cè)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LPM-321，LMS-Z620，VZ-400等。表1是對(duì)上述掃描儀產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，得出不同廠家三維激光掃描儀的測(cè)程、精度和掃描速率等各項(xiàng)參數(shù)，用戶選擇儀器時(shí)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(duì)比

目前，各廠家不同型號(hào)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(duì)儀器現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行必要的檢校與精度評(píng)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(guò)比對(duì)其他參數(shù)可知：

1）掃描速率最慢的三角法測(cè)量?jī)x器有效測(cè)量距離也最短，但其高點(diǎn)位測(cè)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)己廣泛應(yīng)用在外科整形、人體測(cè)量、矯正手術(shù)、在線加工、工業(yè)設(shè)計(jì)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(cè)量精度高，有效測(cè)量距離最長(zhǎng)，但距離測(cè)量精度較低，其儀器特點(diǎn)使其主要應(yīng)用在地形測(cè)量、滑坡變形監(jiān)測(cè)、土木工程施工、事故現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)、古跡修復(fù)與保護(hù)等方面。

3）相位式有效測(cè)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(cè)量精度較低。主要應(yīng)用在船體測(cè)量、改建及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪工程、汽車在線加工、大型器件監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)研究、食品加工等方面。

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(cè)量。目前在許多領(lǐng)域中己經(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(cè)量領(lǐng)域

1）地形圖測(cè)量：主要包括測(cè)量人員難以抵達(dá)的或者危險(xiǎn)地帶的地形測(cè)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(cè)量，與傳統(tǒng)的測(cè)圖方法相比較，具有高效性和優(yōu)質(zhì)性。

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

3）土木工程測(cè)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(guò)程中和竣工后的測(cè)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(cè)模型用來(lái)指導(dǎo)施工，同時(shí)也可以作為檢測(cè)施工質(zhì)量的憑據(jù)。