浅论三维激光扫描技术的应用及前景

【摘　要】三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。作为一项新的数据获取手段，地面三维激光扫描仪可以快速、精确和高效地测量目标的三维影像数据，突破了传统的测量和数据处理方法，赢得了全新的研究和应用领域。本文简单介绍了三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、工程应用和发展方向等几方面的状况。

【关键词】三维激光扫描;特点;应用

0 引言

随着科学技术的不断发展，出现了集成多种高新技术的新型测绘仪器—地面三维激光扫描仪，它采用非接触式高速激光测量方式，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的三维坐标、色彩信息和反射强度—点云数据。点云数据经过计算机处理后，结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线面、体、空间等各种制图数据。这项技术可用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积测量等领域,具有不需要合作目标、高精度、高密度、高效率、全数字特征等优点。

1 地面三维激光扫描仪测量原理

地面三维激光扫描系统主要有三部分组成，扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD和仪器内部控制和校正等系统。在仪器内，通过一个测量水平角的反射镜和一个测量天顶距的反射镜同步、快速而有序地旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域，测距模块测量每个激光脉冲的空间距离，同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平角和天顶距，最后按空间极坐标原理计算出扫描的激光点在被测物体上的三维坐标。扫描仪的内部有一个固定的空间直角坐标系统。当在一个扫描站上不能测量物体全部而需要在不同位置进行测量时;或者需要将扫描数据转换到特定的工程坐标系中时，都要涉及到坐标转换问题。为此，就需要测量一定数量的公共点，来计算坐标变换参数。为了保证转换精度，公共点一般采用特制的球面标志和平面标志。点云数据以某种内部格式存储，因此用户需要厂家专门的软件来读取和处理，OPTEC的ILRIS-3D软件，Cyrax2500的Cyclone软件、LMS-Z420的3D-RiSCAN软件、MENSI的Realworks等都是功能强大的点云数据处理软件，他们都具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。三维激光扫描流程图如图1所示。
地面激光扫描仪系统

2 扫描仪的分类

从目前来看，三维激光扫描仪主要有如下几类：

1)超长测程扫描系统。该系统以机载或星载为代表，主要应用：航测、遥感、浅海地形扫描或建模;电力线路监测;月球表面三维扫描。

2)亚m或m级的三维激光扫描仪。应用于机械零部件质量检测，与测绘关系较弱。

3)50 m～4 000 m的中长测程的地面激光扫描系统(见图2)。主要应用：①古建筑物的保存与恢复;②事故现场的保存;③体积量测;④大型建筑监管与建模;⑤监测;⑥虚拟现实。

3 地面三维激光扫描仪的工程应用

三维激光扫描仪特别适合于对大面积的、表面复杂的物体进行精细测量。鉴于该特点，目前在许多工程领域中已经得到了应用。

3.1工程测量

(1)复杂工业设备的测量与建模：一些工厂管线林立，纵横交错，用传统的测量方法效率低下。而利用激光扫描仪测量和数据处理后就可以生成这些复杂工业设备的3D模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型，极大提高了工作效率，测量资料还可以用于工厂管理。

(2)带状和局部地形测量：带状地形图测量主要对线路两旁(铁路、公路、河流两岸等)的局部不规则带状地形进行测量;局部地形测量主要对危险的或者人员难以到达的地带(如岩壁、开挖区、塌陷等)进行测量。这些地形测量工作较传统的测量方法有更高地效率。

(3)路面测量：用于路面竣工后的质量检测;计算路面平整度;也可以为道路设计提供实地模型。

(4)大型土木工程形状测量：包括对隧道、桥梁、地下坑道等在施工过程中和竣工后的形状测量，既可以进行施工指导和质量控制，又可以作为数字文档资料。

(5)变形监测：相对于传统的测量方法与技术(GPS、全站仪)而言，其精度均匀、密度高，可以发现变形体局部细节变化，也便于从整体上分析和评价变形体的稳定性。对滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷、大坝、船闸、桥梁等工程变形监测有很好的前景。

3.2 建筑测量与文物保护

一些著名建筑物、文物、雕塑等，其形状怪异、表面凸凹不平，不方便(也不允许)在其上粘贴测量标志，即要求无接触测量。以前是以摄影测量为主，但现在可充分利用激光扫描仪的高密度和高精度点云数据，来获取建筑物表面的精细结构，随时得到等值线、断面、剖面等。当建筑物和文物等遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据。

3.3 逆向工程

逆向工程是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。传统的复制方法是先做出一比一的模具，再进行生产。这种方法无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。由于三维激光扫描仪能对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行精度分析、评价构造效果。

4　结束语

三维激光扫描技术是一项新兴的技术,其应用范围也越来越广,利用三维激光扫描技术采集数据具有效率高,数据量大,速度快等诸多优点,而且其数据本身具有较高的精度。三维激光扫描技术涉及到设站、点云拼接、三维建模及可视化等内容。激光扫描技术正在逐步应用到测量工作中,具有传统测量手段无可比拟的优势,因此对激光扫描技术进行深入研究对测量工作有着重要的意义。

参考文献：

[1]刘春,杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模[J].工程勘察,2006(4):49-53

[2]郑德华，雷伟刚.地面三维激光影像扫描测量技术[J].铁路航测，2003，(2)：26~28.

[3]毛方儒,王磊.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术,2005,25(2):1-6