韓志剛

深圳市藍(lán)天鶴測繪有限公司 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，有效地解決了傳統(tǒng)測繪技術(shù)的缺陷，大大減輕了測繪外業(yè)工作量和勞動強(qiáng)度，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用范圍也越來越廣。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；測量；應(yīng)用

一、三維激光掃描技術(shù)主要特點簡介

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

1）速度快，節(jié)約大量的時間，測量完整和精確；

2）無接觸測量（無需反射棱鏡），昏暗和夜間都不影響外業(yè)測量；

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

4）數(shù)字化采集，便于計算機(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)。現(xiàn)在，主流的三維激光掃描主要有三種測距方式：脈沖式測距、相位式測距和光學(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。

脈沖式測距是通過測量激光在儀器到目標(biāo)物體來回傳送的時間來確定三維激光掃描儀到物體間的距離，原理非常簡單如下式所示：

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

脈沖式測距通過儀器內(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)的探測器接收并記錄發(fā)射到接收的時間，從而計算出距離。脈沖式測距的優(yōu)勢在于有效測程長，能達(dá)到幾百米甚至上千米，所以在測量地形，大型建筑，礦山等比較復(fù)雜的大型物體時會采用這種方式。但是，脈沖式三維激光掃描儀目前市場價格較高，而且相對相位式測距，脈沖式的掃描速度較慢。

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

式中為檢測的相位差，f為填充脈沖的頻率。

相位式測距由于一般功率較小，所以有效測程一般都在一百五十米到兩百米以內(nèi)。但是相位式測距的優(yōu)勢在于掃描速度較快，而且由于是利用光波長和相位差進(jìn)行距離計算，比單純計算時間的脈沖式測距精度高。所以采用相位式測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量儀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是由測距單元測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算目標(biāo)的坐標(biāo)了。

三維激光掃描儀還有一個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云數(shù)據(jù)是由成千上萬個空間點組成的，這此大量的點位數(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)行空間掃描的同時就不斷的記錄空間影像。這此影像對于點云數(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，在利用點云數(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Trimhle公司MEN SIO，GS100，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LPM-321，LMS-Z620，VZ-400等。表1是對上述掃描儀產(chǎn)品的各項技術(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)己廣泛應(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。

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)。