劉 濤

（貴州民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550025）

1 三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

現(xiàn)在，主流的三維激光掃描主要有兩種測(cè)距方式：脈沖式測(cè)距和相位式測(cè)距。

脈沖式測(cè)距是通過測(cè)量激光在儀器到目標(biāo)物體來回傳送的時(shí)間來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)距通過儀器內(nèi)部的激光發(fā)射裝置發(fā)射出激光經(jīng)過物體反射后，通過儀器內(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。

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)，以下介紹激光掃描系統(tǒng)各部分的原理和功能。

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φ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)，古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，θ和α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)是由成千上萬個(gè)空間點(diǎn)組成的，這些大量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)如果沒有相應(yīng)的影像數(shù)據(jù)作為支持，后期處理起來就非常麻煩。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。這些影像對(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。

2 三維激光掃描技術(shù)的誤差影響分析

誤差在我們的測(cè)量工作中是恒定存在的，誤差也是我們?cè)跍y(cè)量工作永遠(yuǎn)要對(duì)抗的敵人。三維激光掃描儀的誤差主要來自三個(gè)方面：

（1）三維激光掃描系統(tǒng)誤差。在進(jìn)行三維激光掃描儀安置的時(shí)候的對(duì)中，整平誤差，這個(gè)我們可以采用強(qiáng)制對(duì)中和電子氣泡來削弱誤差。還有就是儀器內(nèi)部的軸系誤差，這個(gè)就需要我們對(duì)儀器經(jīng)常進(jìn)行調(diào)校和檢定。而值得一提的是，我國一直都沒有出臺(tái)相應(yīng)的三維激光掃描儀的檢定標(biāo)準(zhǔn)，這使得目前的三維激光掃描儀市場(chǎng)上也沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，都是由各個(gè)廠家自行制定的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于應(yīng)用越來越廣泛的三維激光掃描儀，希望國家相關(guān)部門都能出臺(tái)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）外界條件影響所帶來的誤差。三維激光掃描儀發(fā)射出的激光經(jīng)過在空氣中傳輸后接觸物體反射回到儀器接收器，這一過程都會(huì)受到氣壓，溫度，濕度，灰塵等外界干擾因素的影響，從而影響到測(cè)距的精度。所以我們?cè)谶M(jìn)行三維激光掃描的時(shí)候一定要做各項(xiàng)氣壓，溫度，濕度等測(cè)距改正，減小誤差的影響。

（3）掃描目標(biāo)物體反射的影響。如果掃描物體表面過于粗糙，容易造成激光漫反射，就會(huì)導(dǎo)致激光無法正常反射回到儀器或者儀器接收的激光回波信號(hào)有多值性。再者，當(dāng)激光與物體反射面交角較小時(shí)，容易導(dǎo)致激光光斑放大，增大了激光反射點(diǎn)的不確定性，從而導(dǎo)致儀器與目標(biāo)物體的相對(duì)誤差增大。所以，我們?cè)龠x擇掃描物體時(shí)應(yīng)盡量選擇光滑表面進(jìn)行掃描，增大激光的回波效率，提高反射精度。同時(shí)要避免激光與反射面交角較小的情況發(fā)生，采用多次設(shè)站掃描，多角度掃描。

（4）點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理的影響。三維激光掃描得到的是大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)里面有我們需要的點(diǎn)，也有可能是灰塵等反射的我們不需要的點(diǎn)。這就要求在進(jìn)行點(diǎn)云后期數(shù)據(jù)處理的時(shí)候進(jìn)行除噪，識(shí)別有用的數(shù)據(jù)與噪聲，這就需要我們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別。一般情況下，一個(gè)物體的三維激光掃描都需要多站掃描才能完成。不同站之間的點(diǎn)云拼接精度也是點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理的主要問題。我們可以在進(jìn)行三維激光掃描的時(shí)候就指定好掃描的方案，確定點(diǎn)云拼接的共同點(diǎn)，在這些點(diǎn)上設(shè)置光標(biāo)來提高點(diǎn)云拼接的精度。

3 結(jié)語

三維激光掃描技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有幾年的時(shí)間，它最大的優(yōu)點(diǎn)就是突破了傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)采集處理方法，同時(shí)又不像GPS技術(shù)需要衛(wèi)星的支持，為測(cè)繪領(lǐng)域提供了一條新的研究方向。同時(shí)，我們還要看到作為新技術(shù)，三維激光掃描還不成熟，還需進(jìn)行很多深入研究才能更好的把這一技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。而且，國家一直都沒有頒布三維激光掃描技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)，這使得當(dāng)我們將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到工程領(lǐng)域的時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生困惑。雖然有這些不足，但不難看出三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊。

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