三維激光掃描

1、9.3 三維激光掃描儀及其在地形測量中的應(yīng)用 三維激光掃描儀是無合作目標(biāo)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(fù)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(yuǎn)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9接近90o,橫向可繞儀器豎軸進行 3600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(jié)合CAD可快速重構(gòu)出被測 物體的三維模型及線、面、體、空間

2、等各種制圖數(shù)據(jù)。目前，生產(chǎn)三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(biāo)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(gòu)造原理都是相似的。 三維激光 掃

3、描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀， 配上一組可以引導(dǎo)激光并以 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(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)是已知的， 則可以求得每一個掃描點的三維坐標(biāo)。 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(shù)的關(guān)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

4、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得被測 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， 經(jīng)目標(biāo)反射后到達接收系統(tǒng)，設(shè)測量距離為S,測得激光信號往返傳播的時間差為 t，則有：一 ,可以看出，影響距離精度的主要因素有 c和厶t。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(biāo)的距離。測距精度

5、較高，主要應(yīng)用在精密測量和醫(yī)學(xué)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

6、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(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(shù)采用非接觸掃描目標(biāo)的方式進行測量無須反射棱鏡對掃 描目標(biāo)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(biāo)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(shù)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

7、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?？梢姴蓸铀俾?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(shù)可以快速、 高精度獲取海量點云數(shù)據(jù)， 可以對掃描目標(biāo)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(shù)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(biāo)， 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(yīng)位置的像素的顏色信息

8、賦予點云中對應(yīng)的點。 強度信息的獲取是激光掃描儀接收裝置采集到的回波強度， 此強度信息與目標(biāo)的 表面材質(zhì)、粗糙度、入射角方向以及儀器的發(fā)射能量、激光波長有關(guān)。一般掃描儀采用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，丫軸在橫向掃描面內(nèi) 與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖12-23所示。測量每個激光脈沖從發(fā) 出經(jīng)被測被測物體表面再返回儀器所經(jīng)過的時間（或者相位差）來計算距離S，同時內(nèi)置精密時鐘控制編碼器，同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值 a和 縱向掃描角度觀測值B,因此，任意一個被測點云P的三維坐標(biāo)為0a0a0全站儀或GPSRTK地形測量都是單點采集，速度緩慢，加上必要的準(zhǔn)備工作 和內(nèi)業(yè)的數(shù)據(jù)處

9、理，要完成一個地形區(qū)域的全部測量工作需要較長的作業(yè)工期。 對于地貌的測繪也僅限于地貌特征點的數(shù)據(jù)采集， 沒有地形細(xì)節(jié)描述數(shù)據(jù)， 因而 無法了解測區(qū)地形的詳細(xì)狀況。利用三維激光掃描技術(shù)制作的地形圖精度優(yōu)于全站儀或GPS RTK地形測圖，且可大大縮短外業(yè)工作時間將大部分時間轉(zhuǎn)為在軟件中對掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理。 基于三維激光掃描的地形測繪成圖技術(shù)的應(yīng)用， 改變了傳統(tǒng)測繪的作業(yè)流程。 是 相關(guān)外業(yè)測繪流程大大簡化， 外業(yè)人員的勞動強度大大降低， 內(nèi)業(yè)處理的自動化 程度也顯著提高。 三維激光掃描技術(shù)還應(yīng)用于測繪行業(yè)的其他方面， 主要包括建 筑測繪、道路測繪、礦山測繪、文物數(shù)字化保護、數(shù)字城市地形可視化等。

10、四、地面三維激光掃描儀用于等高線地形測量 由于地面三維激光掃描儀測距范圍以及視角的限制， 要完成大場景的地面完 整的三維數(shù)據(jù)獲取， 需要布置多個測站， 且需要多視點掃描來彌補點云空洞。 地 面三維激光掃描儀是以掃描中心為原點建立的獨立局部掃描坐標(biāo)系， 為建立一個 統(tǒng)一的測量坐標(biāo)系， 因此， 需要先建立地面控制網(wǎng)， 通過獲取掃描儀中心與后視 標(biāo)靶坐標(biāo)，將掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到控制網(wǎng)坐標(biāo)系，從而建立起統(tǒng)一的坐標(biāo)系統(tǒng)。1. 數(shù)據(jù)采集地面點云數(shù)據(jù)的采集主要分為包括踏勘、 控制網(wǎng)布設(shè)、 標(biāo)靶布設(shè)、 掃描作業(yè) 等 4 個步驟。（1）場地踏勘場地踏勘的目的是根據(jù)掃描目標(biāo)的范圍、 形態(tài)及需要獲取的重點目標(biāo)等， 完

11、 成掃描作業(yè)方案的整體設(shè)計， 其中主要是掃描儀設(shè)站位置的選擇。 掃描測站的設(shè) 置應(yīng)滿足以下要求：相鄰掃描站點之間有適度的重合區(qū)域 布設(shè)掃描站要考慮盡量減少其他物體的遮擋， 且測站之間要有一定的重合區(qū) 域，以保證獲取點云的完整性及后續(xù)配準(zhǔn)的可能性。掃描站點距離地面目標(biāo)的應(yīng)選擇適當(dāng)根據(jù)所使用儀器的參數(shù)， 掃描的目標(biāo)應(yīng)控制在掃描儀的一般測程之內(nèi)以保證 獲得的點云數(shù)據(jù)的質(zhì)量。（2）控制網(wǎng)布設(shè)對大場景可采用導(dǎo)線網(wǎng)和GPS空制網(wǎng)等，對掃描儀測站點與后視點可用 GPS RTK進行測設(shè)。若采用閉合導(dǎo)線形式布設(shè)掃描控制網(wǎng)，控制點之間通視良好，各 控制點的點間距大致相同， 控制點選在有利于儀器安置， 且受外界環(huán)境

12、影響小的 地方。平面控制可按二級導(dǎo)線技術(shù)要求進行測量，高程可按三等水準(zhǔn)進行測量， 經(jīng)過平差后得到各控制點的三維坐標(biāo)。（3）靶標(biāo)布設(shè)掃描測站位置選定后， 按照測站的分布情況進行靶標(biāo)的布設(shè)。 現(xiàn)有靶標(biāo)主要 有平面靶標(biāo)、球形靶標(biāo)、自制靶標(biāo)，如圖 12-24 所示。平面靶標(biāo)與自制靶標(biāo)屬于 單面靶標(biāo)， 當(dāng)入射偏角較大時， 容易產(chǎn)生較大的測量偏差或無反射信號， 且容易 產(chǎn)生畸變， 不利于后續(xù)的靶標(biāo)坐標(biāo)提取， 球形靶標(biāo)具有獨特的優(yōu)點， 因為它是一 個球體，從四周任意角度掃描都不會產(chǎn)生變形， 所以基于球形靶標(biāo)提取的靶標(biāo)坐 標(biāo)精度較高，配準(zhǔn)誤差較小。通過靶標(biāo)配準(zhǔn)統(tǒng)一各測站點云坐標(biāo)時， 靶標(biāo)的布設(shè)具有一定的要求，

13、 具體如 下：a. 相鄰兩側(cè)站之間至少需掃描3個或3個以上靶標(biāo)位置信息，以作為不同 測站點間點云配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)；b. 靶標(biāo)應(yīng)分散布設(shè)， 不能放置在同一直線或同一高程平面上， 防止配準(zhǔn)過程 中出現(xiàn)無解情況；c. 在條件許可的情況下， 盡量選擇利用球形標(biāo)靶， 這不僅可以克服掃描位置 不同所引起的標(biāo)靶畸變問題，同時也可提高配準(zhǔn)精度。（4）掃描作業(yè)掃描的目的是為了獲取地形的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 建立精確的數(shù)字地面模型， 提 取等高線為工程應(yīng)用等方面服務(wù)。 掃描點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)統(tǒng)一坐標(biāo)時， 每個測站至少 需要 3 個靶標(biāo)參與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 每次測站掃描的點云坐標(biāo)通過靶標(biāo)中心坐標(biāo)進行轉(zhuǎn) 換，因此，多個測站點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)

14、不產(chǎn)生累積誤差。如圖 12-25 所示，測站 1 與測站 2 附近分別放置 4 個球靶標(biāo)， 掃描儀同時掃描 4個球靶標(biāo)， 通過球靶標(biāo)上 點云擬合出靶標(biāo)中心坐標(biāo)，然后采用全站儀觀測球靶標(biāo)中心在控制網(wǎng)中的坐標(biāo)， 通過兩組公共坐標(biāo)計算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)， 將每個測站掃描的點云坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為控制 網(wǎng)的統(tǒng)一坐標(biāo)。根據(jù)場地實際情況確定掃描方案后， 在設(shè)置好的每個掃描測站中， 應(yīng)采用不 同的分辨率進行掃描，首先以非常低的分辨率（如 1/20 的分辨率）掃描整體場 景，然后選擇欲采集區(qū)域，按照正常分辨率（如 1/4 的分辨率）掃描該區(qū)域，這 樣一站掃描結(jié)束后分別保存區(qū)域點云文件。在提取 掃描測站點與后視靶標(biāo)坐標(biāo) 時，

15、應(yīng)確保提取精度， 否則無法將各測站的點云轉(zhuǎn)換到同一個坐標(biāo)系統(tǒng)， 圖 12-26 為某山體掃描現(xiàn)場。2. 點云數(shù)據(jù)處理三維激光掃描數(shù)據(jù)的處理是一項十分復(fù)雜的研究內(nèi)容。 從三維建模過程來看， 激光掃描數(shù)據(jù)處理可分為以下三個步驟： 點云數(shù)據(jù)的獲取、 點云數(shù)據(jù)的加工處理、 建立空間三維模型。根據(jù)數(shù)據(jù)處理的研究主題可進一步細(xì)分為：點云數(shù)據(jù)獲取、 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、點云數(shù)據(jù)分析、點云數(shù)據(jù)縮減、點云分層、等高線擬合、建立空 間三維模型和紋理映射等方面， 如圖 12-27 為點云數(shù)據(jù)處理框圖； 圖 12-28 為某 山體的點云圖及該山體的等高線地形圖。9.4 數(shù)字?jǐn)z影地形測量一、外業(yè)控制測量攝影測量繪制地形圖需要

16、有相片控制點。 相片控制點的測量分別為全野外布 點測量和非全野外布點測量。 全野外布點測量是指通過野外控制測量獲得像片控 制點而不需要內(nèi)業(yè)加密， 直接提供內(nèi)業(yè)測圖定向或糾正使用。 非全野外布點是在 野外測定少量控制點， 然后在內(nèi)業(yè)采用空中三角測量加密獲得測圖或糾正所需要 的全部控制點。 非全野外像片控制點的布設(shè)分航線網(wǎng)布點和區(qū)域網(wǎng)布點。 航線網(wǎng) 布點如圖 12-29 所示，按航線分每段布設(shè) 6個平高控制點。 區(qū)域網(wǎng)布點，區(qū)域的 航線數(shù)一般為 4-6 條。區(qū)域網(wǎng)布點， 可沿周邊布設(shè)平高控制點， 內(nèi)部可加布適當(dāng) 數(shù)量的平高控制點和高程控制點， 區(qū)域網(wǎng)的航線數(shù)和控制點之間的基線數(shù)應(yīng)滿足 有關(guān)規(guī)范要求

17、。像片平面控制點的點位目標(biāo)應(yīng)選擇在影響清晰的明顯地物上， 宜選在交角良 好的細(xì)小線狀地物交點、明顯地物折角頂點、影像小于0.2m m的點狀地物中心。像片高程控制點的點位目標(biāo)應(yīng)選在高程變化較小的地方。 像片控制點應(yīng)選擇影像 最清晰的一張像片作為刺點片，刺點誤差和刺孔直徑不應(yīng)大于0.1mm。像片控制點的外業(yè)測量方法可根據(jù)測區(qū)實際情況，在已有控制點的基礎(chǔ)上， 平面控制測量采用導(dǎo)線測量、 交會法測量以及衛(wèi)星定位測量方法； 高程控制測量 采用水準(zhǔn)測量、三角高程測量方法。二、空中三角測量 空中三角測量是攝影測量加密控制點的一種方法。根據(jù)少量的野外控制點， 在室內(nèi)進行控制點加密， 求得加密控制點的平面位置和

18、高程的測量方法。 其目的 是提供測圖或糾正所需要的控制點。空中三角測量目前采用解析空中三角測量。 它是根據(jù)像片上量測的像點坐標(biāo)和少量地面控制點，用計算機解算待定點的平面 位置和高程。解析空中三角測量根據(jù)平差范圍的大小， 可分為單模型法、單航帶法和區(qū)域 網(wǎng)法。單模型法是在單個立體相對中加密控制點。 單航帶法是對一條航帶進行處 理。區(qū)域網(wǎng)法是對由多條航帶連接成的區(qū)域進行整體平差， 這樣能盡量減少對地 面控制點數(shù)量的要求。三、外業(yè)像片調(diào)繪像片調(diào)繪是以像片判讀為基礎(chǔ)，把像片上的影像所代表的地物識別和辨認(rèn)出 來，并按照規(guī)定的圖式符號和注記方式表示在航攝像片上。像片調(diào)繪可采用先航 測內(nèi)業(yè)判讀測圖，然后到野外對航測內(nèi)業(yè)所成線劃圖進行補測、調(diào)繪的方法；也可采用全野外像片調(diào)繪或室內(nèi)相片判讀與野外像片調(diào)繪相結(jié)合的方法。當(dāng)采用先內(nèi)業(yè)判讀測圖后野外調(diào)繪的方法時，應(yīng)在野外對航測內(nèi)業(yè)成圖進行全面實地檢查、 修測、補測、地理名稱調(diào)查注記、屋檐改正等工作。像片調(diào)繪應(yīng)采用放大片調(diào)繪，放大倍數(shù)視地物復(fù)雜程度而定，應(yīng)配備一套像 片以供立體觀察。像片調(diào)