三維激光掃描技術原理及應用探討

袁國志

摘要： 本文主要介紹了基于攝影測量原理的三維激光掃描系統(tǒng)，并對其原理和技術進行了簡要的描述，著重討論了三維激光掃描系統(tǒng)在空間數據獲取和古建筑保護方面的應用及其理論，并簡要分析了其中關鍵技術。

關鍵詞： 攝影測量，三維激光掃描，三維定位，測量精度

Abstract: This paper described the photographic measurement principle in the three-dimensional laser scanning system, and its principles and techniques are briefly described. Then the paper focused on the three-dimensional laser scanning system in the spatial data access and protection of ancient buildings and the application of theory, briefly analyzed the key technologies.

Keywords: photogrammetry, three-dimensional laser scanning, three-dimensional positioning, measurement accuracy

中圖分類號：E933.43文獻標識碼：A

1 引言

近年來，以激光陣列距離掃描儀(Laser Range Scanner ，又稱為激光雷達) 為代表的高新技術將在多等級三維空間目標的實時獲取方面產生重大突破。其中，機/星載系統(tǒng)結合其他定位（如INS ，GPS）及遙感等高新技術，可進行大范圍數字地表模型（digital surface model，DSM）的高精度實時獲取。這種系統(tǒng)可部分穿越樹林遮擋，直接獲取真實地表的高精度三維信息，這是傳統(tǒng)的攝影測量方法無法取代的。其中，地面車載或移動系統(tǒng)可用于城市道路、堤壩、隧道及大型建筑物等復雜三維空間目標的實時監(jiān)測與模型化，是建立三維城市GIS 最迫切需要的技術之一[1]。

在空間數據的測量中，獲取三維數據是一個重要的工作，三維測量目標包括空間精細的物件，也可以是高大的建筑物或龐雜的地形地貌等現實世界的各種形體。如何準確、有效地從實物樣件上采集復雜三維表面數據，進而能快速地變成高質量的計算機軟件中的三維數學模型目前仍然存在很大的障礙。三維激光掃描技術可以應用于文物保護、城市測繪、GIS數據獲取、工程測量、地形測量等各種測量領域，可發(fā)揮較大的經濟和社會效益。

2 三維激光掃描技術原理

三維激光掃描技術屬于非接觸式測量方式，其主要特點是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 等集合起來實現更強、更多的應用。三維激光掃描測量技術是迅速發(fā)展起來的一項高新技術，西方發(fā)達國家已將這一先進技術用于對地觀測系統(tǒng)和快速獲取特定目標的立體模型中。利用激光三維掃描儀對物體的表面進行掃描測量，就可以得到大量表面點的三維數據，這些數據是進行三維建模的依據。

三維激光掃描系統(tǒng)的工作過程是一個不斷重復的數據采集和處理過程，它采用儀器坐標系下的三維空間點組成的點云圖來表達對目標物體采樣的結果。三維激光掃描系統(tǒng)通過內置伺服驅動馬達系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉動，使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。通過測量掃描儀到目標點的距離值和激光束的水平方向值和豎直方向值計算激光腳點的三維坐標。

脈沖激光測距的原理是：掃描儀的發(fā)射器通過激光二極管向目標發(fā)射近紅外波長的激光束。激光經目標物體的漫反射，部分反射信號被接收器接受。通過測量信號在儀器和目標物體表面的往返時間，計算儀器和點間的距離[2]。

三維激光掃描系統(tǒng)通過數據采集獲得測距觀測值S，激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ。激光掃描三維測量一般使用儀器內部坐標系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內，Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖1所示。由此可得到三維激光腳點坐標的計算公式：X = S*cosθcosα，Y = S*cosθsinα，Z = S*sinθ。

圖1三維激光掃描系統(tǒng)測量原理

3 三維激光掃描系統(tǒng)的應用探討

3.1 應用工作流程

三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程分為:測站設計、掃描、控制標靶中心的獲取、坐標配準、三維建模幾個部分[2]。主要介紹如下：

1．測站設計

根據掃描目標的位置、大小、形態(tài)和需要獲取的重點屬性設計各掃描站和控制標靶的位置。要求每站之間至少有三個控制標靶重合，通過控制點的強制符合，以確定兩個測站點云數據符合所需的7個自由度，使點云數據最終能夠統(tǒng)一到一個儀器坐標系統(tǒng)下。

2．掃描

在選定的測站上架設掃描儀,調整好儀器的姿態(tài)。將掃描儀和筆記本使用網線連接，打開掃描儀的電源。啟動Cy2clone軟件，建立筆記本與掃描儀的通訊，掃描過程由Cy2clone軟件控制，通過集成的數碼相機拍攝掃描對象的影像，在影像上選取掃描區(qū)域。掃描儀根據軟件環(huán)境中設置的參數（行、列數和掃描的分辨率等）自動進行掃描。

3．控制標靶中心的獲取

每測站完成掃描后，均需要對控制標靶進行精細掃描。該掃描過程通過選取控制標靶區(qū)域內的點，為每個標靶設置唯一的標識，然后通過精細掃描該區(qū)域確定控制標靶的中心點，相同的控制標靶在不同測站中的標識必須相同。

4．坐標配準

坐標配準的基本方法有三種：配對方式、全局方式和絕對方式。前兩種屬于相對方式，它是以某一掃描站的坐標系為基準，其它各站的坐標系統(tǒng)都轉換到該站的坐標系統(tǒng)下。

這兩種方式的共同表現是：在實施掃描的過程中，所設置的控制點或標靶在掃描前其坐標均未知。而第三種方式，則在掃描前，控制點的坐標值已經被測定，在處理掃描數據時，各測站都需要轉換到控制點所在的坐標系中。一般說來，前兩種方式的處理，其相鄰測站間往往需要部分重疊，而最后一種方式的處理，則不一定需要測站間的重疊。工程應用中常用的坐標配準方法為配對方式。

5．三維建模

利用Cyclone軟件提供的豐富的點云數據處理功能，通過選取、截取、圍欄選定的點云數據匹配生成面和復雜形體表面的不規(guī)則三角網（TIN），建成三維模型。

3.2 古建筑保護方面的應用

古建筑數據的準確采集和處理是進行數字化文物保護的前提和基礎，地面三維激光掃描技術能快速完成實體表面數據點的掃描測量工作，獲得大量精確、密集的三維坐標點云數據，并將這些復雜、不規(guī)則的三維數據完整地采集到電腦中，進而構建出實體表面的三維模型。點云文件能以坐標測量、切片瀏覽、表面處理和三維建模四種使用方式滿足文保研究工作的需求，在古建筑測量方面得到了越來越廣泛的應用。

根據掃描需求，確定掃描總站數和掃描儀安放位置，依據掃描方案依次完成掃描。由其掃描所得的初步資料是一群密布點云的三維坐標群，這些點云需使用后處理軟件進行拼接與去噪才能得到適用的空間信息。點云數據采集與處理以后，要對數據進行坐標轉換[6]。由于大型復雜的建筑物是以分塊多測站的形式掃描的，而每個測站掃描后所得到的影像都是在以測站為坐標原點的獨立坐標系下的圖像，所以需將所有分站掃描得到的影像歸化到同一坐標系下，從而完成各測站的獨立坐標系向統(tǒng)一坐標系的轉換。進行坐標轉換以后的數據，是具有精確地理坐標的點云數據模型，可以被以任意方式進行剖切表現[7,8]。點云模型還可輸出導入到傳統(tǒng)的計算機輔助繪圖設計軟件和GIS 軟件中，如AutoCAD、ArcGIS等。