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(cè)量中的應(yīng)用三維激光掃描儀是無(wú)合作目標(biāo)激光測(cè)距儀與角度測(cè)量系統(tǒng)組合的自動(dòng)化快速測(cè)量系統(tǒng)，在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)和空間對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行快速掃描測(cè)量，直接獲得激光點(diǎn)所接觸的物體表面的水平方向、天頂距、斜距、和反射強(qiáng)度，自動(dòng)存儲(chǔ)并計(jì)算，或得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最遠(yuǎn)測(cè)量距離可達(dá)數(shù)千米，最高掃描頻率可達(dá)每秒幾十萬(wàn)，縱向掃描角θ接近90o，橫向可繞儀器豎軸進(jìn)行360o全圓掃描，掃描數(shù)據(jù)可通過(guò)TCP/IP協(xié)議自動(dòng)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，外置數(shù)碼相機(jī)拍攝的場(chǎng)景圖像可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線同時(shí)傳輸?shù)诫娔X中。點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，結(jié)合CAD可快速重構(gòu)出被測(cè)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(guó)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(cè)距精度、測(cè)距范圍、數(shù)據(jù)采樣率、最小點(diǎn)間距、模型化點(diǎn)定位精度、激光點(diǎn)大小、掃描視場(chǎng)、激光等級(jí)、激光波長(zhǎng)等指標(biāo)會(huì)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(jìn)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(hào)的地面三維激光掃描儀。一、地面三維激光掃描儀測(cè)量原理無(wú)論掃描儀的類型如何，三維激光掃描儀的構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺(tái)高速精確的激光測(cè)距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光

3、并以均勻角速度掃描的反射棱鏡組成。激光測(cè)距儀主動(dòng)發(fā)射激光，同時(shí)接受由自然物表面反射的信號(hào)從而可以進(jìn)行測(cè)距，針對(duì)每一個(gè)掃描點(diǎn)可測(cè)得測(cè)站至掃描點(diǎn)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(diǎn)與測(cè)站的空間相對(duì)坐標(biāo)。如果測(cè)站的空間坐標(biāo)是已知的，則可以求得每一個(gè)掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。地面三維激光掃描儀測(cè)量原理圖如圖12-22所示。地面三維激光掃描儀測(cè)量原理主要分為測(cè)距、掃描、測(cè)角和定向等4個(gè)方面。1.測(cè)距原理激光測(cè)距作為激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，對(duì)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(cè)距方法主要有脈沖法和相位法。脈沖測(cè)距法是通過(guò)測(cè)量發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來(lái)間接獲

4、得被測(cè)目標(biāo)的距離。激光發(fā)射器向目標(biāo)發(fā)射一束脈沖信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)反射后到達(dá)接收系統(tǒng)，設(shè)測(cè)量距離為S，測(cè)得激光信號(hào)往返傳播的時(shí)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(cè)距使用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，通過(guò)測(cè)定調(diào)制光信號(hào)在被測(cè)距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，間接測(cè)定往返時(shí)間，并進(jìn)一步計(jì)算出被測(cè)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(cè)距方式是一種間接測(cè)距方式，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射和接受信號(hào)之間的相位差，獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。測(cè)距精度較高，主要應(yīng)用在精密測(cè)量和醫(yī)學(xué)研究，精度可達(dá)mm級(jí)。脈沖法和相位法測(cè)距各有優(yōu)缺點(diǎn)，脈沖測(cè)量的距離最長(zhǎng)，但精

5、度隨距離的增加而降低。相位法適用于中程測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度。2.掃描和測(cè)角原理三維激光掃描儀通過(guò)內(nèi)置伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)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(cè)角原理區(qū)別于電子經(jīng)緯儀的度盤(pán)測(cè)角方式，激光掃描儀通過(guò)改變激光光路獲得掃描角度。把兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和掃描棱鏡安裝在一起，分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的控制微電機(jī)，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標(biāo)系中，但是數(shù)據(jù)的

6、后處理要求是大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個(gè)過(guò)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(diǎn)1.非接觸測(cè)量三維激光掃描技術(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進(jìn)行測(cè)量無(wú)須反射棱鏡對(duì)掃描目標(biāo)物體不需進(jìn)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(shí)可靠?？梢杂糜诮鉀Q危險(xiǎn)目標(biāo)及人員難以達(dá)到的情況，具有傳統(tǒng)測(cè)量方式難以完成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)速率可達(dá)數(shù)十萬(wàn)點(diǎn)/秒，而采用相位激光方法測(cè)量的三維激光掃描儀甚至可以達(dá)到數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)/秒。可見(jiàn)采樣速率是傳統(tǒng)測(cè)量方式難以比擬的。3.高分辨率、高精度三維激光掃描技術(shù)

7、可以快速、高精度獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以對(duì)掃描目標(biāo)進(jìn)行高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)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(shù)所采集的數(shù)據(jù)是直接獲取的數(shù)字信號(hào)，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(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)是指通過(guò)3D掃描儀獲取的海量點(diǎn)數(shù)據(jù)。以點(diǎn)的形式記錄，每一個(gè)點(diǎn)包含有三維坐標(biāo)，有些可能含有顏色信息或者反射強(qiáng)度信息。顏色信息通常是通過(guò)相機(jī)獲取彩色影像，然后將對(duì)應(yīng)位