【摘　要】三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)。作為一項(xiàng)新的數(shù)據(jù)獲取手段，地面三維激光掃描儀可以快速、精確和高效地測量目標(biāo)的三維影像數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)的測量和數(shù)據(jù)處理方法，贏得了全新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。本文簡單介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、工程應(yīng)用和發(fā)展方向等幾方面的狀況。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描;特點(diǎn);應(yīng)用

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了集成多種高新技術(shù)的新型測繪儀器—地面三維激光掃描儀，它采用非接觸式高速激光測量方式，在復(fù)雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進(jìn)行快速掃描測量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的三維坐標(biāo)、色彩信息和反射強(qiáng)度—點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，結(jié)合CAD可快速重構(gòu)出被測物體的三維模型及線面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。這項(xiàng)技術(shù)可用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等領(lǐng)域,具有不需要合作目標(biāo)、高精度、高密度、高效率、全數(shù)字特征等優(yōu)點(diǎn)。

1 地面三維激光掃描儀測量原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要有三部分組成，掃描儀、控制器(計(jì)算機(jī))和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正等系統(tǒng)。在儀器內(nèi)，通過一個測量水平角的反射鏡和一個測量天頂距的反射鏡同步、快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測距模塊測量每個激光脈沖的空間距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的水平角和天頂距，最后按空間極坐標(biāo)原理計(jì)算出掃描的激光點(diǎn)在被測物體上的三維坐標(biāo)。掃描儀的內(nèi)部有一個固定的空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)在一個掃描站上不能測量物體全部而需要在不同位置進(jìn)行測量時;或者需要將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到特定的工程坐標(biāo)系中時，都要涉及到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。為此，就需要測量一定數(shù)量的公共點(diǎn)，來計(jì)算坐標(biāo)變換參數(shù)。為了保證轉(zhuǎn)換精度，公共點(diǎn)一般采用特制的球面標(biāo)志和平面標(biāo)志。點(diǎn)云數(shù)據(jù)以某種內(nèi)部格式存儲，因此用戶需要廠家專門的軟件來讀取和處理，OPTEC的ILRIS-3D軟件，Cyrax2500的Cyclone軟件、LMS-Z420的3D-RiSCAN軟件、MENSI的Realworks等都是功能強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件，他們都具有三維影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)編輯、掃描數(shù)據(jù)拼接與合并、影像數(shù)據(jù)點(diǎn)三維空間量測、點(diǎn)云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。三維激光掃描流程圖如圖1所示。

2 掃描儀的分類

從目前來看，三維激光掃描儀主要有如下幾類：

1)超長測程掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)以機(jī)載或星載為代表，主要應(yīng)用：航測、遙感、淺海地形掃描或建模;電力線路監(jiān)測;月球表面三維掃描。

2)亞m或m級的三維激光掃描儀。應(yīng)用于機(jī)械零部件質(zhì)量檢測，與測繪關(guān)系較弱。

3)50 m～4 000 m的中長測程的地面激光掃描系統(tǒng)(見圖2)。主要應(yīng)用：①古建筑物的保存與恢復(fù);②事故現(xiàn)場的保存;③體積量測;④大型建筑監(jiān)管與建模;⑤監(jiān)測;⑥虛擬現(xiàn)實(shí)。

3 地面三維激光掃描儀的工程應(yīng)用

三維激光掃描儀特別適合于對大面積的、表面復(fù)雜的物體進(jìn)行精細(xì)測量。鑒于該特點(diǎn)，目前在許多工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用。

3.1工程測量

(1)復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測量與建模：一些工廠管線林立，縱橫交錯，用傳統(tǒng)的測量方法效率低下。而利用激光掃描儀測量和數(shù)據(jù)處理后就可以生成這些復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的3D模型，為設(shè)備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型，極大提高了工作效率，測量資料還可以用于工廠管理。

(2)帶狀和局部地形測量：帶狀地形圖測量主要對線路兩旁(鐵路、公路、河流兩岸等)的局部不規(guī)則帶狀地形進(jìn)行測量;局部地形測量主要對危險的或者人員難以到達(dá)的地帶(如巖壁、開挖區(qū)、塌陷等)進(jìn)行測量。這些地形測量工作較傳統(tǒng)的測量方法有更高地效率。

(3)路面測量：用于路面竣工后的質(zhì)量檢測;計(jì)算路面平整度;也可以為道路設(shè)計(jì)提供實(shí)地模型。

(4)大型土木工程形狀測量：包括對隧道、橋梁、地下坑道等在施工過程中和竣工后的形狀測量，既可以進(jìn)行施工指導(dǎo)和質(zhì)量控制，又可以作為數(shù)字文檔資料。

(5)變形監(jiān)測：相對于傳統(tǒng)的測量方法與技術(shù)(GPS、全站儀)而言，其精度均勻、密度高，可以發(fā)現(xiàn)變形體局部細(xì)節(jié)變化，也便于從整體上分析和評價變形體的穩(wěn)定性。對滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁等工程變形監(jiān)測有很好的前景。

3.2 建筑測量與文物保護(hù)

一些著名建筑物、文物、雕塑等，其形狀怪異、表面凸凹不平，不方便(也不允許)在其上粘貼測量標(biāo)志，即要求無接觸測量。以前是以攝影測量為主，但現(xiàn)在可充分利用激光掃描儀的高密度和高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，來獲取建筑物表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，隨時得到等值線、斷面、剖面等。當(dāng)建筑物和文物等遭到破壞后能及時而準(zhǔn)確地提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。

3.3 逆向工程

逆向工程是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過程。傳統(tǒng)的復(fù)制方法是先做出一比一的模具，再進(jìn)行生產(chǎn)。這種方法無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。由于三維激光掃描儀能對已有的樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)，并對重構(gòu)的曲面進(jìn)行精度分析、評價構(gòu)造效果。

4　結(jié)束語

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù),其應(yīng)用范圍也越來越廣,利用三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)具有效率高,數(shù)據(jù)量大,速度快等諸多優(yōu)點(diǎn),而且其數(shù)據(jù)本身具有較高的精度。三維激光掃描技術(shù)涉及到設(shè)站、點(diǎn)云拼接、三維建模及可視化等內(nèi)容。激光掃描技術(shù)正在逐步應(yīng)用到測量工作中,具有傳統(tǒng)測量手段無可比擬的優(yōu)勢,因此對激光掃描技術(shù)進(jìn)行深入研究對測量工作有著重要的意義。

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