1、三維激光掃描技術(shù)摘要：三維激光掃描技術(shù)由于其掃描速度快、直接獲得數(shù)字信息、非接觸性、掃描 效率高、使用簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，使其在當(dāng)今工業(yè)生產(chǎn)、科技研究、生活等各方面的應(yīng)用越 來越廣泛。本文簡單介紹了三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，并從幾個(gè)方面介紹了三 維激光掃描技術(shù)的原理，以及三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)和現(xiàn)在應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：三維激光掃描 原理 特點(diǎn) 應(yīng)用1、三維激光掃描技術(shù)簡介三維激光掃描技術(shù)Three-Dimensional Laser Scan Technology，又稱實(shí)景復(fù) 制技術(shù)”。它通過高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的 三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。可以快速、大量的采集空

2、間點(diǎn)位信息，快速建立物體的三維影像模型的一 種技術(shù)手段。隨著科技的進(jìn)步和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，三維測(cè)量在應(yīng)用中越來越重要，三維激光掃描 技術(shù)是伴隨這激光掃描技術(shù)、三維測(cè)量技術(shù)以及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)產(chǎn)生和發(fā)展的。2、三維激光掃技術(shù)的優(yōu)勢(shì)（1）三維測(cè)量:傳統(tǒng)測(cè)量概念里，所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出 圖），在現(xiàn)在測(cè)量儀器里全站儀，GPS比重居多，但測(cè)量的數(shù)據(jù)都是二維形式的，在逐 步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，因?yàn)槠渲庇^是二維無法表示的，現(xiàn)在的三維 激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點(diǎn)的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時(shí) 還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人

3、一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺，是一 般測(cè)量手段無法做到的。（2）快速掃描:快速掃描是掃描儀誕生產(chǎn)生的概念，在常規(guī)測(cè)量手段里，每一點(diǎn)的測(cè) 量費(fèi)時(shí)都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時(shí)間對(duì)一點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，在數(shù)字化的 今天，這樣的測(cè)量速度已經(jīng)不能滿足測(cè)量的需求，三維激光掃描儀的誕生改變了這一現(xiàn)狀， 最初每秒1000點(diǎn)的測(cè)量速度已經(jīng)讓測(cè)量界大為驚嘆，而現(xiàn)在脈沖掃描儀(scanstation2) 最大速度已經(jīng)達(dá)到50000點(diǎn)每秒，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng) 達(dá)到120萬點(diǎn)每秒，這是三維激光掃描儀對(duì)物體詳細(xì)描述的基本保證，古文體，工廠管道， 隧道，地形等復(fù)雜的領(lǐng)域無法

4、測(cè)量已經(jīng)成為過去式。3、三維激光掃描技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外在這方面起步比較早，技術(shù)已比較成熟。1994年，M. Levovy和他的小組利用三角原理的激光掃描儀和高分辨率的彩色圖像 獲取并重建了 Michelangelo的主要雕塑品，并提出了一系列相關(guān)的技術(shù)。1997 年，加拿大 NRC (National Research Council)的 El-Halkim 構(gòu)建了自己的硬 件平臺(tái)，他們將激光掃描儀和CCD照相機(jī)固定在小車上，得到了一個(gè)數(shù)據(jù)采集和配準(zhǔn)系 統(tǒng)，并于1998年在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)室內(nèi)的三維建模系統(tǒng)。2001年，Y. YU等人在對(duì)室內(nèi)場(chǎng)景建模的同時(shí)，將場(chǎng)景的一些實(shí)現(xiàn)提取

5、出來，并對(duì) 物體的三維模型提供了編輯和一定功能。國內(nèi)對(duì)于三維激光掃描重建技術(shù)起步比較晚，但是也在部分領(lǐng)域取得一定的成果。 自2000年起至今，北京大學(xué)的三位視覺與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室使用具有不同掃描特性的激光掃 描儀，全方位攝像系統(tǒng)與高分辨率照相機(jī)完成了建模對(duì)象集合于紋理采集并通過這些數(shù)據(jù) 的配準(zhǔn)與無縫拼接完成了三維物體模型的建立。2005年，首都師范大學(xué)三維空間信息獲取 與地學(xué)應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室給出了一種基于激光掃描數(shù)據(jù)的室外場(chǎng)景表面重建方法，該 方法可以完成建筑物單一表面的重建。目前國內(nèi)外對(duì)于三維激光掃描技術(shù)的研究均受到復(fù)雜場(chǎng)景的幾何結(jié)構(gòu)、未知物體表面 反射特性、變化的光照條件、復(fù)雜的地形以及不

6、規(guī)則的未知遮擋物等限制，因此如何快速 而又精確的掃描出復(fù)雜的三維物體仍是研究該技術(shù)的關(guān)鍵。4、三維激光掃描技術(shù)的原理三維激光掃描儀則是對(duì)確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)據(jù)測(cè)量，這就意味 著激光測(cè)量單元必須進(jìn)行從左到右，從上到下的全自動(dòng)高精度步進(jìn)測(cè)量(即掃描測(cè)量)，進(jìn) 而得到完整的、全面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些密集而連續(xù)的點(diǎn)數(shù)據(jù)也叫 做/點(diǎn)云。這也就使三維激光掃描測(cè)量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，這個(gè)飛躍也意味著三維激光掃 描技術(shù)可以真實(shí)描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性，并通過掃描測(cè)量點(diǎn)云編織出的/外皮來 逼近目標(biāo)的完整原形及矢量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這里統(tǒng)稱為目標(biāo)的三維重建。如圖1所示，將O點(diǎn)作為

7、坐標(biāo)系原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，P(x,y,z)是空間內(nèi)任一點(diǎn)，從O點(diǎn) 發(fā)射出去的激光光束的水平方向與X軸的夾角a和垂直方向Z軸角度0，得到掃描點(diǎn) 到儀器的距離值S，就可以計(jì)算出P點(diǎn)空間點(diǎn)坐標(biāo)信息。三維激光掃描儀基于激光的單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重測(cè)量速 度和操作簡便的同時(shí)，保證了測(cè)量的綜合精度，其測(cè)量原理主要分為測(cè)距、測(cè)角、掃描、定向四個(gè)方面。Z圖1:三維激光掃描技相理圖4.1測(cè)距方法S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：三角法、脈沖法，相位法。（1）三角測(cè)距法k三角法測(cè)距是借助三角形幾何關(guān)系親得掃描

8、中心到掃描對(duì)象的距離。激光發(fā)射點(diǎn)和CCD 接收點(diǎn)位于長度為的高精度基線兩端，并與目標(biāo)反射點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)空間平面三角形。如圖2 所示：通過激光掃描儀角度傳感器可得到發(fā)射、入射光線與基線的夾角分別為Y、入，激光掃描儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度a，然后以激光發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，基線方向?yàn)閄軸正向，以 平面內(nèi)指向目標(biāo)且垂直于X軸的方向線為Y軸建立測(cè)站坐標(biāo)系。計(jì)算原理如公式（1）所 示： （1）圖2三角測(cè)距原理結(jié)合P的三維坐標(biāo)便可得被測(cè)目標(biāo)的距離S，在公式（1）中，由于基線長L較小，故決定 了三角法測(cè)量距離較短，適合于近距測(cè)量。（2）脈沖測(cè)距法脈沖測(cè)距法是通過測(cè)量發(fā)射和接收激光脈沖信號(hào)的時(shí)間差來間接獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。

9、如 圖3所示，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)漫反射后到達(dá)接收系統(tǒng)，設(shè)測(cè)量 距離為S，光速為c，測(cè)得激光信號(hào)往返傳播的時(shí)間差為則有：-（2）圖3脈沖激光測(cè)距原理影響距離精度的因素主要有c和而的精度主要由大氣折射率所決定，目前的精度 很高，對(duì)測(cè)距影響很小；的確定可通過前沿判別，高通容阻判別，恒比值判別或全波 形檢測(cè)技術(shù)等方法，保證測(cè)定精度。脈沖法的測(cè)量距離較遠(yuǎn)，但是其測(cè)距精度較低，現(xiàn)在 大多數(shù)三維激光掃描儀都使用這種測(cè)距方式，主要在地形測(cè)繪、文物保護(hù)、“數(shù)字城市”建設(shè)、土木工程等方面有較好的應(yīng)用。相位測(cè)距法相位法測(cè)距是用無線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制，通過測(cè)定調(diào)制光信號(hào)在被測(cè) 距

10、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。設(shè)激光信號(hào)往返傳播產(chǎn)生的相位差為準(zhǔn)， 脈沖的頻率為f，則所測(cè)距離S為：(3)由公式可知，這種測(cè)距方式是一種間接測(cè)距方式，通過檢測(cè)發(fā)射和接收信號(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)到毫米 級(jí)。表1 三種測(cè)距方法的比較飛行時(shí)間法調(diào)幅相位法三角法測(cè)量范圍幾十米到幾百千米幾米到上千米幾厘米到幾米測(cè)量精度厘米數(shù)量級(jí)毫米數(shù)量級(jí)微米數(shù)量級(jí)激光源脈沖連續(xù)連續(xù)探測(cè)方式點(diǎn)掃描點(diǎn)掃描點(diǎn)、線、面掃描適用領(lǐng)域中遠(yuǎn)距離測(cè)量，可用于地 面、機(jī)載、星載測(cè)距

11、中等距離測(cè)量，多用 于地面、機(jī)載測(cè)距近距離測(cè)量，適用于小 型目標(biāo)的高精度測(cè)量以上三種測(cè)距方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要集中在測(cè)程與精度的關(guān)系上，脈沖測(cè)量的距離最 長，但精度隨距離的增加而降低。相位法適合于中程測(cè)量，具有較高的測(cè)量精度，但是它 是通過兩個(gè)間接測(cè)量才得到距離值，所以應(yīng)用這種測(cè)距原理的三維激光掃描儀較少，主要 是美國的Faro公司，如LS880、Photon 80。三角測(cè)量測(cè)程最短，但是其精度最高，適合 近距離、室內(nèi)的測(cè)量。2.2測(cè)角方法角位移測(cè)量區(qū)別于常規(guī)儀器的度盤測(cè)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(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

12、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。在掃描儀工作的過程中，通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制技術(shù)，獲得穩(wěn)步、精確的步距角一(4)式中，Nr是電機(jī)的轉(zhuǎn)子齒數(shù),m是電機(jī)的相數(shù)，b是各種連接繞組的線路狀態(tài)數(shù)及運(yùn)行拍數(shù)。在得到8b的基礎(chǔ)上，可得掃描棱鏡轉(zhuǎn)過的角度值，再通過精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量， 便可得每個(gè)激光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測(cè)值為a、8。線位移測(cè)量激光掃描測(cè)角系統(tǒng)由激光發(fā)射器，直角棱鏡和CCD元件組成，激光束 入射到直角棱鏡上，經(jīng)棱鏡折射后射向被測(cè)目標(biāo)，當(dāng)三維激光掃描儀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，出射的激光 束將形成線性的掃描區(qū)域，CCD記錄線位移量，則可得掃描角度值。2.3掃描

13、方法三維激光掃描儀通過內(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)掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡，如圖4所示。圖4掃描控制裝置擺動(dòng)掃描鏡為平面反射鏡，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)往返振蕩，掃描速度較慢，適合高精度測(cè)量。旋轉(zhuǎn) 正多面體掃描鏡在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下繞自身對(duì)稱軸勻速旋轉(zhuǎn)，掃描速度快。2.4轉(zhuǎn)換方法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 程就稱為三維激光掃描儀的定向。在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，設(shè)立特制的定向識(shí)別標(biāo)

14、志，通過計(jì)算識(shí) 別標(biāo)志的中心坐標(biāo)，采用公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，包括平移參數(shù) AxAyAz和旋轉(zhuǎn)參數(shù)a、B、Y。圖5掃描儀定向原理每掃描一個(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)。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。5三維激光掃描系統(tǒng)組成技術(shù)、光機(jī)電自動(dòng)傳感裝置（包括:激光水平46b步進(jìn)傳感、同軸縱向320b步進(jìn)自旋轉(zhuǎn)、目 標(biāo)遙控捕捉及取景）等。三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理如圖6所示，首先由激光脈沖二極管 發(fā)射出激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)棱鏡，射向目標(biāo)，然后通過探測(cè)器，接收反

15、射回來的激光脈 沖信號(hào)，并由記錄器記錄，最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識(shí)別處理的數(shù)據(jù)信息,經(jīng)過軟件處理實(shí)現(xiàn)實(shí) 體建模輸出。圖6三維激光掃描系統(tǒng)目前市場(chǎng)上銷售的地面式三維激光掃描儀按掃描方式劃分有兩種：（1）基于時(shí)間- 飛行差，又稱脈沖式；（2） 基于相位差，又稱相位式。6、三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)三維激光掃描系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)在于它讓傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量轉(zhuǎn)變到可獲取海量點(diǎn)云數(shù)據(jù) 的面測(cè)量上，它讓測(cè)量過程的比較容易，特別是在一些復(fù)雜和危險(xiǎn)的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量并且 它還能直接將掃描得到的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)內(nèi)，用于掃描目標(biāo)的三維重建而 且還能通過重構(gòu)的模型快速獲取目標(biāo)的點(diǎn)，線，面,體等幾何數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的后期處

16、理工作。激光的各種優(yōu)越的特性使得三維激光測(cè)量技術(shù)也具有很多優(yōu)越的特點(diǎn)下面介紹一下 該技術(shù)的一些特點(diǎn)：（1）非接觸測(cè)量它采用的是不用接觸目標(biāo)物而進(jìn)行測(cè)量的方式,也不需要安置反射棱 鏡，掃描時(shí)目標(biāo)物的表面也不需進(jìn)行任何處理，直接獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維數(shù)據(jù),獲得的 數(shù)據(jù)也是高分辨率的數(shù)據(jù)是測(cè)量工作更容易進(jìn)行，避免了測(cè)量人員直接接觸一些復(fù)雜危 險(xiǎn)的目標(biāo)物，能確保測(cè)量工作進(jìn)行的安全性（2）數(shù)據(jù)采樣率高它的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測(cè)量的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，脈沖式激光掃描 方法的采樣點(diǎn)數(shù)可達(dá)到數(shù)千點(diǎn)/秒,而相位式的激光測(cè)量更可高達(dá)數(shù)十萬點(diǎn)/秒（3）主動(dòng)發(fā)射掃描光源三維激光掃描技術(shù)可以不受掃描環(huán)境的影響主動(dòng)發(fā)射激光，通

17、過自身發(fā)射的激光的回波信息來解得目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息（4）具有高分辨率!高精度的特點(diǎn)三維激光掃描可以快速的獲取高精度，高分辨率的 海量的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，就可以高效率的獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而達(dá)到高分辨率的目 的（5）數(shù)字化采集，兼容性好該技術(shù)是通過直接獲取數(shù)字信號(hào)采集數(shù)據(jù)的，所以具有全 數(shù)字特征，方便進(jìn)行后期處理和輸出，且它的后期處理軟件與其他軟件有很好的共享性7、激光掃描技術(shù)的應(yīng)用最近幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，目前三維掃描設(shè)備也逐漸商業(yè)化， 三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢(shì)就在于可以快速掃描被測(cè)物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高 精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這樣一來可以高效地對(duì)真實(shí)世界

18、進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此， 其已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害 調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。（1）測(cè)繪工程領(lǐng)域：大壩和電站基礎(chǔ)地形測(cè)量、公路測(cè)繪，鐵路測(cè)繪，河道測(cè)繪，橋 梁、建筑物地基等測(cè)繪、隧道的檢測(cè)及變形監(jiān)測(cè)、大壩的變形監(jiān)測(cè)、隧道地下工程結(jié)構(gòu)、 測(cè)量礦山及體積計(jì)算。（2）結(jié)構(gòu)測(cè)量方面：橋梁改擴(kuò)建工程、橋梁結(jié)構(gòu)測(cè)量、結(jié)構(gòu)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、幾何尺寸 測(cè)量、空間位置沖突測(cè)量、空間面積、體積測(cè)量、三維高保真建模、海上平臺(tái)、測(cè)量造船 廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的測(cè)量；管道、線路測(cè)量、各類機(jī)械制造安裝。（3）建筑、古跡測(cè)量

19、方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測(cè)量保真、古跡（古建筑、雕像等） 的保護(hù)測(cè)量、文物修復(fù)，古建筑測(cè)量、資料保存等古跡保護(hù)，遺址測(cè)繪，贗品成像，現(xiàn)場(chǎng) 虛擬模型，現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)性影像記錄。（4）緊急服務(wù)業(yè)：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測(cè)繪，監(jiān)視，移動(dòng)偵察，災(zāi)害估計(jì)， 交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場(chǎng)正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，滑坡泥石流預(yù)警，災(zāi)害預(yù)警和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān) 測(cè)，核泄露監(jiān)測(cè)。（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，為電影演員和場(chǎng)景進(jìn)行的設(shè)計(jì)，3D游戲的開發(fā)， 虛擬博物館，虛擬旅游指導(dǎo)，人工成像，場(chǎng)景虛擬，現(xiàn)場(chǎng)虛擬。采礦業(yè)：在露天礦及金屬礦井下作業(yè)，以及一些危險(xiǎn)區(qū)域人員不方便到達(dá)的區(qū) 域。例如：塌陷區(qū)域、溶洞、懸崖邊等進(jìn)行三維掃描。參考

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