三維激光掃描技術原理

近年來，隨著工程測量服務領域的不斷拓寬以及三維設計制造對測量精度的要求，傳統的測量儀器如全站儀、斷面儀等已不能滿足高精度的三維坐標采集和“逆向工程”的需要。相比這些傳統的測量技術，三維激光掃描技術具有極大的技術優勢，特別是在數據采集方面，具有高效、快捷、精確、簡便等特點，被廣泛的應用于各個領域。

三維激光掃描技術原理

隨著三維激光掃描儀在工程領域的廣泛應用，這項國際上近期發展的高新技術已經引起了廣大科研人員的關注。

這種技術采用非接觸式高速激光測量方式，來獲取地形或復雜物體的幾何圖形數據和影像數據，最終通過后處理軟件對采集的點云數據和影像數據進行處理分析，轉換成絕對坐標系中的三維空間位置坐標或者建立結構復雜、不規則場景的三維可視化模型，既省時又省力，同時點云還可輸出多種不同的數據格式，做為空間數據庫的數據源和滿足不同應用的需要。

三維激光掃描系統組成

整個系統通常由以下四部分組成：

1）三維激光掃描儀；2）數碼相機；3）后處理軟件4）電源以及附屬設備。如圖1：

三維激光掃描儀的分類

三維激光掃描儀按照掃描平臺可以分為：機載（或星載）激光掃描系統、地面型激光掃描系統、便攜式激光掃描系統。三維激光掃描儀作為現今時效性最強的三維數據獲取工具，按照其有效掃描距離可進行如下分類：

（1）短距離激光掃描儀：其最長掃描距離不超過3m，-般最佳掃描距離為0.6~1.2m，通常這類掃描儀適合用于小型模具的量測，掃描速度快且精度較高，可以多達三十萬個點，精度至土0.018mm。例如：美能達公司的VIVID 910，手持式三維數據掃描儀FastScan等，屬于此類。

（2）中距離激光掃描儀：最長掃描距離小于30m，其多用于大型模具或室內空間的測量。

（3）長距離激光掃描儀：掃描距離大于30m，其主要應用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測量。例如：奧地利Rieg|公司的LMS Z420i三維激光掃描儀和瑞士Leica公司的C10激光掃描儀等，屬于此類。

（4）航空激光掃描儀：最長掃描距離通常大于1公里，且需要配備精確的導航定位系統，其可用于大范圍地形的掃描測量。

之所以這樣分類，是因為激光測量的有效距離是三維激光掃描儀應用范圍的重要條件，特別是針對大型地物或場景的觀測，或是無法接近的地物等，都必須考慮到掃描儀的實際測量距離。此外，被測物距離越遠，地物觀測的精度就相對較差。因此，要保證掃描數據的精度，就必須在相應類型掃描儀所規定的標準范圍內使用。

三維激光掃描儀工作原理

無論掃描儀的類型如何，其構造原理基本是相似的。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，則可以求得每一個掃描點的三維坐標。

以LeicaC10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動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數據。地面型三維激光掃描系統工作原理（見圖2）：三維激光掃描儀發射器發出一個激光脈沖信號，經物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算目標點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a和縱向掃描角度觀測值B。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系，X軸在橫向3描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向3描面垂直。獲得目標點P的坐標原理見圖3。

維激光掃描技術的應用

維激光描儀技術的最大優勢就在于可以快速3描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的1描點云數據。這樣就可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現。因此，其已成為當前研究的熱點之一，并在文物數字化保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域有廣泛的應用。

（1）數字城市領域

大規模城市還原，城市模型重建，城市道路測量，管線規劃，設計規劃，城市設計變更，數字城管，公安監控，市政管理。

（2）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測、大壩的變形監測、隧道地下工程結構、測量礦山及體積計算。

（3）結構測量方面

橋梁改擴建工程、橋梁結構測量、結構檢測、監測、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、化工廠等大型工業企業內部設備的測量；管道、線路測量、各類機械制造安裝。

（4）建筑、古跡測量方面

建筑物內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，現場虛擬模型，現場保護性影像記錄。

（5）緊急服務業

反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監視，移動偵察，災害估計，交通事故正射圖，犯罪現場正射圖，森林火災監控，滑坡泥石流預警，災害預警和現場監測，核泄露監測。

（6）娛樂業

用于電影產品的設計，為電影演員和場景進行的設計，3D游戲的開發，虛擬博物館，虛擬旅游指導，人工成像，場景虛擬，現場虛擬。