黃凌瀟

摘 要：為了提高測量目標物的精度與便捷性，本文提出一種基于三維激光掃描技術的點云拼街與三維重構方法，對空間信息進行可視化表達，即進行三維建模，基于Leica C10三維激光掃描儀，對目標物進行三維掃描，分兩站掃描得到點云數(shù)據(jù)后，運用Cyclone進行點云拼接與重構，試驗顯示，可以極大提高測量精度與便捷性。

關鍵詞：三維激光掃面技術；點云拼接；三維重構

前言

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為“實景復制技術”，是繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術革新。傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法，GPS測量都是基于點的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點的結合。三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、適應性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復雜的費時費力的數(shù)據(jù)后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環(huán)境下應用；并且可以和GPS等集合起來實現(xiàn)更強、更多的應用。三維激光掃描技術作為目前發(fā)展迅猛的新技術，必定會在諸多領域得到更深入和廣泛的應用。

1、三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。以Leica C10三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)。

地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算日標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標。

三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、內(nèi)置數(shù)碼相機、處理軟件、電源以及附屬設備構成，它采用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或者復雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應用的需要。

2、點云拼接

經(jīng)過三維激光掃描儀共設立兩站進行掃描，數(shù)據(jù)導入電腦，通過專用軟件Cyclone處理可以在電腦上清晰顯示掃面結果，并利用標靶進行點云拼接。以下為Cyclone顯示效果和點云拼接效果圖：

3、三維激光掃描技術的應用

最近幾年，三維激光掃描技術不斷發(fā)展并日漸成熟，目前三維掃描設備也逐漸商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)。這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為當前研究的熱點之一，并在文物數(shù)字化保護、土木工程、工業(yè)測量、自然災害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領域有廣泛的應用。

（1）測繪工程領域：大壩和電站基礎地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道地下工程結構、測量礦山及體積計算。

（2）結構測量方面：橋梁改擴建工程、橋梁結構測量、結構檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設備的測量；管道、線路測量、各類機械制造安裝。

（3）建筑、古跡測量方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護測量、文物修復，古建筑測量、資料保存等古跡保護，遺址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護性影像。

（4）緊急服務業(yè)：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監(jiān)視，移動偵察，災害估計，交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災監(jiān)控，滑坡泥石流預警，災害預警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。

（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設計，為電影演員和場景進行的設計，3D游戲的開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游指導，人工成像，場景虛擬，現(xiàn)場虛擬。

4.小結

實驗表明，通過三維激光掃面技術可以極大提高目標物測量的精度與便捷性，同時避免直接接觸目標物，可以最大限度保護測量人員的安全，同時可以避免對目標物特別是文物古跡造成破壞，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進行三維重構，可避免二次測量，可以預見，三維激光掃面技術的具有巨大的應用空間。

參考文獻

[1]瑞士Leica Cyclone軟件使用手冊.

[2]戴升山，李田鳳.地面三維激光掃描技術的發(fā)展與應用前景[J].電子測量技術，2009，（4）：11-15.

[3]馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應用[J]. 地理空間信息2005，（3）：60-62.

[4]張瑞菊，王晏民，李德仁.快速處理大數(shù)據(jù)量三維激光掃描數(shù)據(jù)的技術研[J].測繪科學，2006，（5）：93-94.

[5]顧孝烈，鮑峰，程效軍.測量學[M].上海：同濟大學出版社，1990.

[6]徐進軍，余明輝，鄭炎兵.地面三維激光掃描儀應用綜述[J].工程勘察，2008，12：31-34.