三維激光掃描

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1、9.3三維激光掃描儀及其在地形測量中的應用三維激光掃描儀是無合作目標激光測距儀與角度測量系統(tǒng)組合的自動化快速測量系統(tǒng)，在復雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距、和反射強度，自動存儲并計算，或得點云數(shù)據(jù)。最遠測量距離可達數(shù)千米，最高掃描頻率可達每秒幾十萬，縱向掃描角θ接近90o，橫向可繞儀器豎軸進行360o全圓掃描，掃描數(shù)據(jù)可通過TCP/IP協(xié)議自動傳輸?shù)接嬎銠C，外置數(shù)碼相機拍攝的場景圖像可通過USB數(shù)據(jù)線同時傳輸?shù)诫娔X中。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后，結合CAD可快速重構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)。目前，生產(chǎn)三

2、維激光掃描儀的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美國的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奧地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司等。它們各自產(chǎn)品的測距精度、測距范圍、數(shù)據(jù)采樣率、最小點間距、模型化點定位精度、激光點大小、掃描視場、激光等級、激光波長等指標會有所不同，可根據(jù)不同的情況如成本、模型的精度要求等因素進行綜合考慮之后，選用不同的三維激光掃描掃描儀產(chǎn)品。圖12-21是幾種不同型號的地面三維激光掃描儀。一、地面三維激光掃描儀測量原理無論掃描儀的類型如何，三維激光掃描儀的構造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光

3、并以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。如果測站的空間坐標是已知的，則可以求得每一個掃描點的三維坐標。地面三維激光掃描儀測量原理圖如圖12-22所示。地面三維激光掃描儀測量原理主要分為測距、掃描、測角和定向等4個方面。1.測距原理激光測距作為激光掃描技術的關鍵組成部分，對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。目前，測距方法主要有脈沖法和相位法。脈沖測距法是通過測量發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲

4、得被測目標的距離。激光發(fā)射器向目標發(fā)射一束脈沖信號，經(jīng)目標反射后到達接收系統(tǒng)，設測量距離為S，測得激光信號往返傳播的時間差為Δt，則有：S=12c*Δt，可以看出，影響距離精度的主要因素有c和Δt。相位法測距使用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制，通過測定調(diào)制光信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，間接測定往返時間，并進一步計算出被測距離。相位型掃描儀可分為調(diào)幅型，調(diào)頻型，相位變換型等。這種測距方式是一種間接測距方式，通過檢測發(fā)射和接受信號之間的相位差，獲得被測目標的距離。測距精度較高，主要應用在精密測量和醫(yī)學研究，精度可達mm級。脈沖法和相位法測距各有優(yōu)缺點，脈沖測量的距離最長，但精

5、度隨距離的增加而降低。相位法適用于中程測量，具有較高的測量精度。2.掃描和測角原理三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。目前，掃描控制裝置主要有擺動平面掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。三維激光掃描儀的測角原理區(qū)別于電子經(jīng)緯儀的度盤測角方式，激光掃描儀通過改變激光光路獲得掃描角度。把兩個步進電機和掃描棱鏡安裝在一起，分別實現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的控制微電機，它可以實現(xiàn)對激光掃描儀的精確定位。3.定向原理三維激光掃描儀掃描的點云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標系中，但是數(shù)據(jù)的

6、后處理要求是大地坐標系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標系下，這個過程就稱為三維激光掃描儀的定向。二、地面三維激光掃描儀特點1.非接觸測量三維激光掃描技術采用非接觸掃描目標的方式進行測量無須反射棱鏡對掃描目標物體不需進行任何表面處理，直接采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實可靠?？梢杂糜诮鉀Q危險目標及人員難以達到的情況，具有傳統(tǒng)測量方式難以完成的技術優(yōu)勢。2.數(shù)據(jù)采樣率高目前采用脈沖激光的三維激光掃描儀采樣點速率可達數(shù)十萬點/秒，而采用相位激光方法測量的三維激光掃描儀甚至可以達到數(shù)百萬點/秒。可見采樣速率是傳統(tǒng)測量方式難以比擬的。3.高分辨率、高精度三維激光掃描技術

7、可以快速、高精度獲取海量點云數(shù)據(jù)，可以對掃描目標進行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達到高分辨率的目的。4.數(shù)字化采集，兼容性好三維激光掃描技術所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號，具有全數(shù)字化特征，易于后期處理及輸出。三、地面三維激光掃描儀的點云數(shù)據(jù)點云數(shù)據(jù)是指通過3D掃描儀獲取的海量點數(shù)據(jù)。以點的形式記錄，每一個點包含有三維坐標，有些可能含有顏色信息或者反射強度信息。顏色信息通常是通過相機獲取彩色影像，然后將對應位