三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用論文

1、三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用摘要：三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測(cè)繪技術(shù)，被稱為“實(shí)景復(fù)制”技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS開發(fā)之后后又一項(xiàng)技術(shù)革命，通過和傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)的比較，介紹了三維激光掃描儀的基本原理，技術(shù)特點(diǎn)，及其與傳統(tǒng)測(cè)量比較的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效，快捷，精確，簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于測(cè)繪行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。本文探討了三維激光掃描技術(shù)在土地復(fù)墾領(lǐng)域的應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)，并且就瑞士Leica三維激光掃描儀及其數(shù)據(jù)處理軟件Cyclone的操作流程進(jìn)行探討研究。本文主要介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、主要應(yīng)用和發(fā)展方向等幾方面的狀況，重點(diǎn)介紹三維激光掃描技術(shù)在工程測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)

2、用。關(guān)鍵詞：三維激光掃描定義，工作原理，技術(shù)特點(diǎn)，主要應(yīng)用，現(xiàn)狀發(fā)展趨勢(shì)引言：近些年來，隨著測(cè)量服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓寬以及三維設(shè)計(jì)制造對(duì)測(cè)量精度的要求，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器如全站儀、斷面儀等已不能滿足高精度的三維坐標(biāo)采集和逆向工程的需要相比這些傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效、快捷、精確、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域三維激光掃描技術(shù)。主題三維激光掃描技術(shù)是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，是測(cè)繪領(lǐng)域GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。它是從傳統(tǒng)測(cè)繪計(jì)量技術(shù)并經(jīng)過精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展的，是對(duì)多種傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的概括及一體化。三維激光掃描系

3、統(tǒng)一般由掃描儀、控制器（計(jì)算機(jī)）和電源供應(yīng)系統(tǒng)三部分構(gòu)成，激光掃描儀本身主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。1 .工作原理三維激光掃描測(cè)繪技術(shù)的測(cè)量?jī)?nèi)容是高精度測(cè)量目標(biāo)的整體三維結(jié)構(gòu)及空間三維特性，并為所有基于三維模型的技術(shù)應(yīng)用而服務(wù)：傳統(tǒng)三維測(cè)量技術(shù)的測(cè)量?jī)?nèi)容是高精度測(cè)量目標(biāo)的某一個(gè)或多個(gè)離散定位點(diǎn)的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)及該點(diǎn)三維特性。前者可以重建目標(biāo)模型及分析結(jié)構(gòu)特性，并且進(jìn)行全面的后處理測(cè)繪及測(cè)繪目標(biāo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何內(nèi)容。如：幾何尺寸、長(zhǎng)度、距離、體積、面積、重心、結(jié)構(gòu)形變，結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系、復(fù)制、分析各種結(jié)構(gòu)特性等；而后者僅能測(cè)量定位點(diǎn)數(shù)據(jù)并且測(cè)繪不同

4、定位點(diǎn)間的簡(jiǎn)單幾何尺寸，如：長(zhǎng)度、距離、點(diǎn)位形變、點(diǎn)位移等。三維激光掃描測(cè)量原理：每一個(gè)掃描云點(diǎn)的測(cè)量都是基于三角測(cè)量原理進(jìn)行的，并且根據(jù)激光掃描的傳感驅(qū)動(dòng)進(jìn)行三維方向的自動(dòng)步進(jìn)測(cè)量。三角測(cè)量原理的實(shí)現(xiàn)是通過激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過反光鏡（三角形的第一個(gè)角點(diǎn)）發(fā)射到目標(biāo)上，形成反光點(diǎn)（三角形的第二個(gè)角點(diǎn)），然后通過CCD（三角形的第三個(gè)角點(diǎn)）接受目標(biāo)上的反光點(diǎn)，最后，基于兩個(gè)角度及一個(gè)三角底邊計(jì)算出目標(biāo)的景深距離（丫坐標(biāo)），再經(jīng)過激光束移動(dòng)的反光點(diǎn)的位移角度差及丫坐標(biāo)等計(jì)算出Z,X坐標(biāo)。參見圖4。反光鏡的作用在于將激光束進(jìn)行水平偏轉(zhuǎn)，以便實(shí)現(xiàn)激光水平方向的掃描測(cè)繪功能。掃描儀主體本身的周向自

5、旋轉(zhuǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)縱向的掃描，每當(dāng)水平掃描一個(gè)周期后，掃描儀主題將步進(jìn)一次，以便進(jìn)行第二次水平掃描，如此同步下去,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)所有空間的掃描過程。每掃描一個(gè)云點(diǎn)后，CCD將云點(diǎn)信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號(hào)并直接傳送給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)而得到被測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。掃描儀采用自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的、自適應(yīng)的激光束聚焦技術(shù)（在不同的視距中）,以保證每個(gè)掃描云點(diǎn)的測(cè)距精度及位置精度足夠高。它可以工作在非常廣域的照度下及各種復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行操作。根據(jù)目標(biāo)大小及精度要求，彳來卡可以把不同視點(diǎn)采集的點(diǎn)云信息經(jīng)過拼接處理后合并到同一個(gè)坐標(biāo)系中，合并辦法是通過多個(gè)定標(biāo)球來完成的。操作員使用一個(gè)便攜計(jì)算機(jī)便可在現(xiàn)場(chǎng)遙控操作。傳感器

6、中的視頻微攝像機(jī)可以提供實(shí)時(shí)獲取觀測(cè)景象。視頻攝像可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并遙視掃描過程，還可用來捕捉所需要的目標(biāo)圖象，以便后處理時(shí)的校準(zhǔn)工作。完整重建目標(biāo)，僅僅從一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)掃描測(cè)繪目標(biāo)數(shù)據(jù)是不夠的，還必須在不同觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行掃描測(cè)繪，并且在同一個(gè)空間坐標(biāo)系中合并后才能生成，MENSI技術(shù)提供了人工輔助的自動(dòng)合并功能，只要在掃描目標(biāo)前規(guī)劃好掃描內(nèi)容并且設(shè)置好定標(biāo)球便可。如圖2-1。如圖2-2,將不同觀測(cè)點(diǎn)掃描的點(diǎn)云內(nèi)容在同一個(gè)空間坐標(biāo)系中進(jìn)行合并，然后在后處理軟件功能模塊中剪裁掉無關(guān)的部分，便得到所需的目標(biāo)三維重建內(nèi)容，接下來的工作是對(duì)點(diǎn)云質(zhì)量進(jìn)行處理（如圖2-3）,進(jìn)行平滑、去噪、精度篩選、方差均值處理等，

7、這樣便得到可以用于各種應(yīng)用目地的的工作如：測(cè)繪、計(jì)量等，如果再經(jīng)過三維建模處理后，就可以在需要三維實(shí)體模型為基礎(chǔ)的各種工作中扮演角色，如：可以轉(zhuǎn)化給各種CAD軟件進(jìn)行處理、可轉(zhuǎn)化給有限元分析軟件進(jìn)行各種應(yīng)力分析處理、可轉(zhuǎn)化給流體動(dòng)力分析軟件進(jìn)行處理、可轉(zhuǎn)化給檢測(cè)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析檢測(cè)用、可轉(zhuǎn)化到三維設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行還原處理及逆設(shè)計(jì)逆向工程工作、可轉(zhuǎn)化到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件進(jìn)行三維可視化處理，總之，基于點(diǎn)云及三維模型進(jìn)行后處理加工的內(nèi)容非常豐富，而且是目前很多領(lǐng)域的不可缺少的內(nèi)容。圖2-3點(diǎn)云是由三維激光掃描的無數(shù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成的，而每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。如圖2-4所示，處理技術(shù)在于它可以點(diǎn)云數(shù)據(jù)

8、進(jìn)行優(yōu)化處理，如:基于精度分布形態(tài)來過濾噪音點(diǎn)或劣質(zhì)點(diǎn)，從而提高重建目標(biāo)的整體精度及質(zhì)量。限界限界圖2-42 .三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)激光掃描技術(shù)發(fā)展的重大突破為獲取高分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段，可廣泛用于逆向工程、景觀三維可視化、數(shù)字城市、軍事偵察、測(cè)繪等領(lǐng)域的空間信息快速獲取。激光掃描測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比有無法取代的優(yōu)越性，如不受天氣限制和非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)等。激光掃描測(cè)量測(cè)量技術(shù)在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，為測(cè)繪行業(yè)帶來一場(chǎng)新的技術(shù)革命。(1)高數(shù)據(jù)采樣率。能高速獲取大面積目標(biāo)實(shí)體的空間信息。LeicaScanStation!脈沖式激光掃描儀掃描

9、速率50000點(diǎn)/秒,HDS6000相位式激光掃描儀掃描速率500000點(diǎn)/秒，應(yīng)用激光掃描測(cè)量技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)實(shí)體空間三維信息的獲取速度非?？欤梢詫?shí)時(shí)測(cè)定實(shí)體表面三維信息，進(jìn)而可以應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。(2)實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性、主動(dòng)性。地面三維激光掃描系統(tǒng)通過主動(dòng)發(fā)射激光信號(hào)，經(jīng)反射棱鏡發(fā)射和接收發(fā)射回來的激光信號(hào)來獲得目標(biāo)信息，不受外部光照、氣壓等條件的限制，能夠全天進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。(3)非接觸性。三維激光掃描系統(tǒng)是通過發(fā)射脈沖信號(hào)和接收被測(cè)物體反射回來的脈沖信號(hào)對(duì)目標(biāo)表面的形態(tài)信息進(jìn)行獲取和量測(cè)的。因而此過程中不需要人為的接觸到被測(cè)量的物體，這使得該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于危險(xiǎn)領(lǐng)域和測(cè)繪人員不可達(dá)到位

10、置的測(cè)量等。(4)穿透性。激光具有一定的穿透性，能穿透不太濃密的植被等到達(dá)目標(biāo)實(shí)體的表面，瞬間獲取目標(biāo)實(shí)體的表面大量點(diǎn)云信息，這些點(diǎn)云信息能描述目標(biāo)表面的不同層面的幾何信息。(5)具有精度高、密度大的特點(diǎn)。激光掃描測(cè)量技術(shù)能快速獲取大面積的目標(biāo)空間信息，通過對(duì)目標(biāo)的直接掃描來描述目標(biāo)特征，使用龐大的點(diǎn)陣和濃密的格網(wǎng)來獲取目標(biāo)信息，采樣點(diǎn)之間的間距很小。(6)激光掃描測(cè)量技術(shù)具有作業(yè)周期快，易于更新，而且時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)直接獲取數(shù)字距離信號(hào)，全數(shù)字特征。3 .三維激光技術(shù)的應(yīng)用由于三維激光掃描儀技術(shù)特別適合于對(duì)大面積的表面復(fù)雜的物體進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，所以其應(yīng)用范圍極廣。文物修復(fù)：對(duì)受損的文物進(jìn)行

11、修復(fù)時(shí)，要求無接觸測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量無法勝任,但現(xiàn)在可充分利用激光掃描儀的非接觸測(cè)量特點(diǎn)以及高分辨率和高精度云點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲取建筑物表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提供修復(fù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，對(duì)文物進(jìn)行修復(fù)。邊坡變形監(jiān)測(cè)：三維激光掃描技術(shù)可以獲取高密度，高精度的三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)邊坡的變形監(jiān)測(cè)能反映坡體的總體變形趨勢(shì)和量級(jí)其操作過程是對(duì)邊坡定期進(jìn)行掃描，將前后兩次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起，然后由處理軟件分析前后兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的差別，從而得出邊坡的變形趨勢(shì)和量級(jí)。開采沉陷監(jiān)測(cè)：由于三維激光掃描技術(shù)具有快捷高分辨率高精度等特點(diǎn)在進(jìn)行開采沉陷監(jiān)測(cè)是，可以對(duì)地表的移動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)可以快速獲得整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的空間位置及垂直相對(duì)位置的

12、變化從而確定整個(gè)地表移動(dòng)區(qū)域的下沉情況。城鎮(zhèn)地籍測(cè)量：在以往的城鎮(zhèn)地籍測(cè)量中，調(diào)查結(jié)果多為圖件和報(bào)表形式，可用性差而三維激光掃描儀能夠生成形象的三維圖像，對(duì)獲取的三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，方便在電腦上進(jìn)行量測(cè)，精度也有了較大的提高當(dāng)然，以上只是其部分應(yīng)用由于其良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在逆向工程數(shù)字城市工業(yè)測(cè)量醫(yī)學(xué)測(cè)量等不同領(lǐng)域均能得到很好的應(yīng)用。立體模型的建立：立體模型的建立是三維激光掃描技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)，主要用于物體立體模型的建立（房屋、橋梁、城堡、廠區(qū)設(shè)備等）、考古與文物保護(hù)、工業(yè)設(shè)備計(jì)測(cè)、三維數(shù)字地面模型建立、三維城市漫游建立，滿足未來3D數(shù)據(jù)采集等方面。由于三維激光掃描技術(shù)具有良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為目前

13、測(cè)繪領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，雖然針對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段，但已在工程建設(shè)中得到了很好的應(yīng)用隨著研究的深入及與其他測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。4 .三維激光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)激光三維探測(cè)技術(shù)作為光學(xué)探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，己經(jīng)在工業(yè)設(shè)計(jì)，工業(yè)制造，探測(cè)測(cè)量等方面取得了廣泛的應(yīng)用。它在不改變物體表面情況下對(duì)物體進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)量，為工作人員提供了方便，具有很高的使用價(jià)值。但是當(dāng)前一些專業(yè)的探測(cè)設(shè)備和技術(shù)都掌握在外國(guó)人的手中，我國(guó)這方面的研究還不夠完善，也鮮見有國(guó)產(chǎn)的專業(yè)設(shè)備，因此在國(guó)內(nèi)該課題的研究具有很光明的前景，很應(yīng)該深入進(jìn)行下去，并不斷探討一些新的方法，如

14、相關(guān)立體法f8）等。以后的激光三維探測(cè)技術(shù)必然向著高速，動(dòng)態(tài)，通用，精確的方向發(fā)展。而設(shè)備將更具智能化人工干預(yù)越來越少。同時(shí)由傳統(tǒng)的單一線光源作探測(cè)為結(jié)構(gòu)光，發(fā)展出其他多種形式（如光點(diǎn)陣列，彩色條紋等），在更先進(jìn)的硬件和算法軟件的支持下,能適應(yīng)更復(fù)雜多變的測(cè)量環(huán)境，甚至能遠(yuǎn)距離大規(guī)模的進(jìn)行地形探測(cè)。因此該技術(shù)無論在民間，商業(yè)還是軍事上都會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1卞正富.我國(guó)煤礦區(qū)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究J.資源產(chǎn)業(yè)，2005,(04):18-24.2余忠.土地開發(fā)整理項(xiàng)目后評(píng)價(jià)研究D.云南：昆明理工大學(xué)，2007.3陳貽勝.坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法及其應(yīng)用J.上海地質(zhì)，2006,(2)：53-5

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