三维激光扫描测量原理

1 / 7 9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用

三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距、和反射强度，自动存储并计算，或得点云数据。最远测量距离可达数千米，最高扫描频率可达每秒几十万，纵向扫描角θ接近90º，横向可绕仪器竖轴进行360º全圆扫描，扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机，外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。点云数据经过计算机处理后，结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。

目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美国的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司等。它们各自产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。

一、地面三维激光扫描仪测量原理

无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。

地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。

1.测距原理

三维激光扫描仪简介

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。

使用激光扫描仪进行三维测绘的原理和流程

在建筑设计、土地测量、城市规划等领域，精确获取三维地形数据是非常重要的。而使用激光扫描仪进行三维测绘，成为一种常用、高效的测绘方法。本文将介绍激光扫描仪的工作原理以及测绘流程。

一、激光扫描仪的工作原理

激光扫描仪是一种通过发射和接收激光束来获取地形数据的仪器。它通过发射激光束，经过地面反射后，再由接收器接收反射回来的激光束。通过分析接收到的激光束的特征，可以得到地面或物体的三维坐标信息。激光扫描仪的工作原理可以分为以下几个步骤：

1. 发射激光束：激光扫描仪通过激光器产生一束高强度的激光束，然后通过光学器件对激光束进行聚焦，使其能够准确照射到目标地面或物体上。

2. 接收反射信号：激光束照射到地面或物体上后，部分激光会被反射回来。激光扫描仪通过接收器接收反射回来的激光束，并将其转换成电信号。

3. 时刻测量：激光扫描仪在接收到反射信号后，会立即记录下反射时间。通过测量激光束发射和接收的时间差，并结合激光在空气中的传播速度，可以计算出地面或物体与激光扫描仪的距离。

4. 多方位扫描：为了获取更多的地形数据，激光扫描仪通常会进行多次扫描，从不同的角度照射同一地面或物体。通过记录不同扫描角度下的测量数据，可以进行三维重建。

二、激光扫描仪的测绘流程

使用激光扫描仪进行三维测绘，通常包括以下几个步骤： 1. 设计扫描路径：在实际操作之前，需要根据测绘需求和场地条件设计扫描路径。扫描路径的设计需要考虑地形的复杂程度和激光扫描仪的测量范围，以保证数据的完整性和准确性。

2. 安装设备：在进行测绘工作之前，需要正确安装和校准激光扫描仪。这包括调整激光束的水平和垂直方向以及设定测量参数。

3. 数据采集：激光扫描仪可以通过手持或安装在机械臂、航空器等载体上进行数据采集。数据采集过程中，激光扫描仪会按照预设的扫描路径进行操作，记录下每个点的位置和高度信息。

4. 数据处理：采集到的数据通常是海量的点云数据，需要进行处理和整理。首先，可以使用自动化算法对点云数据进行滤波和去噪，以消除采样误差和干扰点。然后，可以进行点云配准、曲面重建等步骤，最终得到三维地形数据。

三维激光扫描技术的发展现状

来源:

地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表的，有人称“三维激光扫描系统"是继GPS（Global Position）以来，测绘领域的又一次技术革命。经过近十年的迅猛发展，扫描仪硬件技术日趋成熟，绝大部分硬件技术问题已经得到了解决，市场上出现了不少商用三维激光扫描硬件系统，许多公司厂家都提供不同类型的扫描仪产品，其种类、功能和性能指标不尽相同，比如测程范围从1～1000m，测距精度从0.4,-,20mm，测量速度从100-400000点／等。由于各类激光扫描仪有不同的技术特性，因此仪器适应范围也千差万别，如有些扫描仪适合在室内或者中程距离测量（<100m），有些适合在室外长距离或者宽阔的场地使用，而有些具有很高精度的扫描仪最大测程只有几米，适应于医学领域的研究。国内的一些研究学者也曾对种类繁多的激光扫描仪进行了比较详细的分类，如马立广【l】，通常不同的思考角度会导致不同的分类结果，在分类中我们考虑了如下三种因素：1、仪器的扫描方式（如水平360度扫描、瞬时视场的大小、扫描断面等）；2、仪器的偏差系统（仪器的轴系旋转或者镜面旋转方式）；3、配套使用的设备类型（如内置或者外置的相机、GPS接收机等）。具体划分依据在此简单归纳总结如下：

按照扫描仪激光光束的发射方式不同划分为：1、灯泡式扫描仪，如图.1（a）；2、三角法扫描仪，它的用途有限，如三坐标测量机就是基于这种原理，见图1.1（b）；3、扇形扫描仪，此种类型的扫描仪扫描所得点云的精度和密度都很高，为大多数扫描仪所采用。2）按照扫描仪的扫描成像方式划分为：1、摄影扫描式。此类型的扫描仪扫描瞬时视场（FOW）有限，它与摄影测量的相机类似。Leica的和OPTECH的ILRIS 3D扫描仪均属于此类型。

它主要适应于窄外物体的扫描。尤其是对于长距离的扫描很有优势。2、全景扫描式。此类型扫描仪的视场局限于仪器的自身如三角架。它适片丁室内扫描，如数字化房屋和工业设备等。此类仪器有lmager 5003和等。3、混合型扫描式。它集成了上述两种方式的优点，水平方向的轴系旋转不受任何限制，m垂直方向上的轴系旋转受镜面的局限。GS200（MENSI）和LMS Z360（RIEOL）都是这种型号。该种分类情况按照扫描仪测距原理划分；地面三维激光扫描仪对目标进行扫描时，与无棱镜反射的电子全站仪类似，获得的是扫描仪中心与被扫捕物体的表面的两个央角和一个斜距。三维激光扫描仪常用测距原理包括：1、基于时间漂移原理（TH蚰e OfFlight）。大多数的扫描仪测距都是采片j这种原理，这种原理测距范围町以达到几百米，甚至突破千米（包括和RIEGL产品），但是在大范围的扫描测距时，精度相对较低。2、基于相位测量原理（Phase