关于三维激光扫描技术的运用

关于三维激光扫描技术的运用

韦骑达

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摘要：三维激光扫描技术具有精度高、信息完整、工作效率高等特点，有效地解决了传统测绘技术的缺陷，大大减轻了测绘外业工作量和劳动强度，三维激光扫描技术应用范围也越来越广。

关键词：三维激光扫描；测量；应用

1、三维激光扫描技术主要特点简介

三维激光扫描技术利用激光的独特优异性能用作扫描测量，该技术具有如下特点：1）速度快，节约大量的时间，测量完整和精确；2）无接触测量（无需反射棱镜），昏暗和夜间都不影响外业测量；3）扫描目标无需表面处理直接获取其三维点云数据；4）数字化采集，便于计算机处理；5）方便将3D模型转换到CAD系统中。

2、三维激光扫描系统的工作原理

目前，市面上比较完整的地面三维激光扫描系统主要包括：激光扫描系统、激光测距系统、集成的CCD摄像机和仪器内部控制与校正系统。现在，主流的三维激光扫描主要有三种测距方式：脉冲式测距、相位式测距和光学三角网法。以下介绍激光扫描系统各部分的原理和功能。脉冲式测距是通过测量激光在仪器到目标物体来回传送的时间来确定三维激光扫描仪到物体间的距离，原理非常简单如下式所示：

式中，S表示扫描仪到目标点的距离，c表示光束，t表示激光脉冲发射和技术的时间差。

脉冲式测距通过仪器内部的激光发射装置发射出激光经过物体反射后，通过仪器内的探测器接收并记录发射到接收的时间，从而计算出距离。脉冲式测距的优势在于有效测程长，能达到几百米甚至上千米，所以在测量地形，大型建筑，矿山等比较复杂的大型物体时会采用这种方式。但是，脉冲式三维激光扫描仪目前市场价格较高，而且相对相位式测距，脉冲式的扫描速度较慢。相位式测距的工作原理类似于GPS的载波相位测距，通过测定调制在激光束上的调整光的波长的相位延迟，利用波长和相位差来间接计算出仪器与反射物体之间的距离。计算原理如下式所示。

式中ф为检测的相位差，f为填充脉冲的频率。

相位式测距由于一般功率较小，所以有效测程一般都在一百五十米到两百米以内。但是相位式测距的优势在于扫描速度较快，而且由于是利用光波长和相位差进行距离计算，比单纯计算时间的脉冲式测距精度高。所以采用相位式测距的三维激光扫描仪一般主要是应用于文物保护，占建筑等需要比较精确的扫描方向。

三维激光扫描仪不仅仅是测量仪器到物体之间的距离，还要通过仪器内部的轴系系统得到仪器与目标物体的相对位置关系，从而利用已知的仪器坐标得到未知的物体空间位置信息。一般情况下，以三维激光扫描仪建立空间直角坐标系，如下图所示。

三维激光扫描仪还有一个非常重要的部分就是集成在仪器内部的CCD摄像机。由于三维激光扫描仪获取到的三维点云数据是由成千上万个空间点组成的，这此大量的点位数据如果没有相应的影像数据作为支持，后期处理起来就非常麻烦。集成在三维激光扫描仪内部的CCD摄像机在三维激光扫描仪进行空间扫描的同时就不断的记录空间影像。这此影像对于点云数据的后期处理、除噪、拼接等都是非常重要的原始资料。同时，在利用点云数据进行三维建模后，我们还可以利用这些影像数据进行贴图从而得到空间物体的真三维模型。

3、三维激光扫描技术的应用分析

3.1工程应用

（1）大型土木工程测量

三维激光扫描技术在大型土木工程测量方面的应用，主要是在道路、桥梁、地下坑道等施工工程现场，对施工之前的地形图进行扫描，提高准确的数据支持，建立施工后目标三维图形，对施工进行质量上的把控，并进行相关数据的记录。比如，在道路工程数据测控中，通过三维激光扫描技术，得到点云数据，进行处理后，经过测量、建模等步骤，在众多工程案例中，达到道路设计要求。

（2）复杂工业设备测量

三维激光扫描技术可以应用与较为复杂的工业设备测量中，工业设备一般管线林立，纵横交错，因此对工业设备进行规划、改造过程中，可以对三维激光扫描技术进行利用，生成高精度3D模型，为数据测量提供依据。

（3）地质应用

三维激光扫描技术也可以在地质方面的地质调查、编录、环境监测、安全监测以及裂缝研究中提供技术支持，以上应用中假如使用传统的、常规测量手段，一般效率和精确度都比较低，而三维激光扫描技术可以提供非接触、安全、高效的目标坐标，建立模型并分析处理。

（4）变形监测

常规变形监测一般选取的方法包括常规测量、GPS测量、传感测量等，这些测量方法首先需要进行监测点的布设，然而监测点的数量是有限制的，而且测量效率也不高，容易收到天气的影响，在雨天、雾天等天气下，能够得到的准确数据很有限，无法准确的体现出变形的情况。如果使用三维激光扫描技术，最主要的是得到精度均匀、密度高的数据，可以发现许多细节变化，数据中包含任意截取断面，能够对目标的整体稳定性分析。

3.2文物保护

三维激光扫描技术在文物保护方面的应用，主要是对文物的大小、形状、安全性等方面进行综合考虑，而且无法在目标物品上粘贴测量标志，也就是需要进行无接触测量，因此三维激光扫描技术是最为适当的测量方法。以往是采取全站仪、近景摄影测量系统的方法，尽管能够对文物进行数字化，

但是却无法详细表达其三维信息，三维激光扫描技术弥补了这个缺点，得到的数据精度和密度都比较高，可以建立精细表面模型，能够对文物上任何点进行测量，假如文物破损后可以及时提供修复数据，这些技术对于我国文物保护提供巨大帮助。

3.3事故现场模拟

三维激光扫描技术能够对交通事故现场、犯罪现场进行细节测量，按照事故现场建立三维模型，生成动画模拟效果，让事故现场的真实情景再现。

3.4其他应用

三维激光扫描技术还有一些应用，比如考古测量、数字城市建模、油气田设计以及沙丘监测等。

4、结语

总而言之，三维激光扫描技术是现阶段较为新颖的技术，具有高效、数据量大、速度快等诸多优点，因此在大型工程、文物保护、事故现场等方面得到广泛应用，本文对有关三维激光扫描技术及其应用进行分析和探讨，以期对于我国三维激光扫描技术的推广，起到一定的促进作用。

参考文献：

[1]周克勤，许志刚，宇文仲.三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用.工程勘察，2004（5）：43-46.

[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]张远智，胡广洋，刘玉彤，王庆洲.基于工程应用的3维激光扫描系统[J].测绘通报，2002（1）：34-36.