三维激光扫描仪
2.1三维激光扫描仪研究背景
自上个世纪60年代激光技术已经开始出现，激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展，实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球，数字城市等一系列概念的提出，我们可以看到：信息表达从二维到三维方向的转化，从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前，各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现，推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展，三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量，难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它可以采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。
其中，地面三维激光扫描技术的研究，已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。
2.2 三维激光扫描技术研究现状
2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍
随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大，生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司，美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。
图1-1 目前市场上几种三维激光扫描系统产品图
结合实际工程的需要，根据项目的需求进行综合考虑，选择最合适的扫描仪。Leica HDS2500，比较适用于视场角度小的扫描物体,最佳测量距离为50m-60m时，其点位精度可达到6mm, 观测范围是40°×40°。而Leica HDS3000择比较适用于建筑土木工程、施工监测、文物保护等项。因为，在50m处测距精度为?4mm，观测范围为360°×270°，扫描范围为300m(90%反射率)和134m(18%反射率)；还有Leica HDS4500可以测量到10万-50万个点，观测范围为360°×310°，最佳扫描范围为1m-25m,这样比较适合在短时间内获取大量高清晰测量数据的工程项目，如一些难以进入内部而且比较复杂的工作现场、隧道、工业仪器设备制造和文物修复还原工程应用等。Leica HDS6000每秒可以测量到50万个点，观测范围为360°×310°，扫描范围为79m(90%反射率)和50m(18%反射率)，运用当前的技术革新手段，采用合理的方法减少了测量过程中需要的控制点的点数，提高了野外作业的效率。Rigel公司根据不同的应用领域和技术研究的需求，生产的三维激光扫描仪有机载激光扫描仪LMS-Q560、地面三维激光扫描仪LMS-Z420i、工业激光扫描仪LMS-Q120等；Optech公司的ILRIS-3D,是一台具有完整、完全便携式的激光影像与数字化的测图系统的仪器，扫描范围在3m-1500m之间，可用于工程项目、商业策划、采矿和工业市场；MENSI公司的产品主要是短距离高精度的3D测量应用，能够达到0.25mm的精度，为工业工程项目的设计，设备加工和质量监测等领域提供了全新的测量手段；KonicaMinolta公司的VIVID9i是专为逆向工程而设计的，扫描范围仅10米以内，属于超短程三维激光扫描系统。
表1-1三维激光扫描系统分类
划分指标 承载平台 机载三维激光扫仪 器 类 型 车载三维激光扫固定站式三维激手持三维激光扫描系统 扫描距离 远程，最远距离300米 描系统 中程，最远距离100m 光扫描系统 短程，最远距离 10m-25m Leica HDS4500 描仪 超短程，最远距离10m以内，faro激光扫描测量臂 穹形扫描系统 面扫描系统 Optech ILRIS-3D Leica HDS3000 扫描现场 扫描方式 测距原理 矩形扫描系统 线扫描系统 脉冲飞行时间差测距 环形扫描系统 相位差测距 三角测量原理 2.2.2 激光雷达技术的一般流程
激光雷达技术包含从外业的数据采集到配准，数据的预处理到最后成果的输出和应用等系列过程。
（1）外业数据的获取
扫描前需要准备的工作主要包含两部分：一是控制网布设，二是扫描站点布设。而控制网的布设主要考虑到控制点之间的通视性和控制网的几何图形，同时要结合实地不同的情况需要进行合理的选点。在布设好的控制网基础上，可以设立站点，站点的设计既要保证能够完全采集所需要的对象的数据，还要能和控制网联立起来，以便整体距离影像配准及坐标转换。
外业数据扫描就是通过实际的扫描站点布设，根据特征合理的扫描点间距和范围，采集多个视角、多个位置的数据构成完整的目标对象。
（2）距离影像的配准
原始数据采集包含不同视点和位置的数据，这些数据需要统一到一个整体的位置，必须要在相邻站点中寻找控制点或类似的公共部分，通过这些特征条件来利用这些约束关系将距离影像配准，最终将所有距离影像统一到基准坐标系中。坐标系统也要根据具体情况而定，一般需要转换到测量坐标系或者是建筑坐标系，或者是空间对象的局部坐标系。
(3)数据的预处理
数据预处理包含噪声削减与去除两部分。距离影像的原始数据噪声包含两部分，一部分是由于激光雷达本身在获取对象表面数据过程中，包含有外界不相干目标的遮挡而产生的距离影像数据本身存在的噪声。另一种噪声就是数据配准过程中存在误差产生，最常见的就是数据叠加产生的“厚度” [3]，在利用数据之间，需要对这些噪声做一定的处理工作，对于第一类数据噪声通常可以采用手工选择删除的方法，对于后者一般采用重叠区域的重采样或者其它削减的手段。
(4)成果制作与输出
激光雷达技术最直接的成果就是整体的距离影像模型和三维的重建模型，影像可制作的成果包含原始的模型、剖面、特征体和数据模型（包含三角网、Nurbs、简单几何模型等）。
(完整版)三维激光扫描仪的原理与其应用
