激光三維測繪

1、2014年春季學(xué)期研究生課程考核（讀書報(bào)告）考核科目：光學(xué)生所在院（系）：學(xué)生所在學(xué)科：學(xué)生姓名：學(xué)號：學(xué)生類別：學(xué)圖像數(shù)字化處理航天學(xué)院2 1系物理電子學(xué)陳毅強(qiáng)1 3 S 1 2 1 0 1 3非委培考核結(jié)果閱卷人第1頁（共頁）激光三維測繪技術(shù)引言隨著信息技術(shù)研究的深入及數(shù)字地球、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，人們 對空間三維信息的需求更加迫切。基于測距測角的傳統(tǒng)工程測量方法，在理論、設(shè)備 和應(yīng)用等諸多方面都已相當(dāng)成熟，新型的全站儀可以完成工業(yè)目標(biāo)的高精度測量，GPS 可以全天候、一天24小時(shí)精確定位全球任何位置的三維坐標(biāo)，但它們多用于稀疏目標(biāo) 點(diǎn)的高精度測量。隨著傳感器、電子、光學(xué)、計(jì)算

2、機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺 理論獲取物體表面三維信息的攝影測量與遙感技術(shù)成為主流，但它在由三維世界轉(zhuǎn)換 為二維影像的過程中，不可避免地會喪失部分幾何信息，所以從二維影像出發(fā)理解三 維客觀世界，存在自身的局限性。因此，上述獲取空間三維信息的手段難以滿足應(yīng)用 的需求，如何快速、有效地將現(xiàn)實(shí)世界的三維信息數(shù)字化并輸入計(jì)算機(jī)成為解決這一 問題的瓶頸。三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技 術(shù)手段，為信息數(shù)字化發(fā)展提供了必要的生存條件。20世紀(jì)90年代，隨著三維激光 掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升及價(jià)格 的逐步下降，它在測繪領(lǐng)域成為研究的

3、熱點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，逐步成為快速獲取 空間實(shí)體三維模型的主要方式之一。激光三維掃描技術(shù)目前已被應(yīng)用于工程測量領(lǐng)域， 與傳統(tǒng)測繪方法相比，其數(shù)據(jù)具有立體、精準(zhǔn)、高密度的特點(diǎn)，同時(shí)測量過程高效、 安全，測繪數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可導(dǎo)入BIM工程設(shè)計(jì)軟件。因此可預(yù)見對具有一定復(fù)雜度或 對其測量具有一定危險(xiǎn)性的既有建筑，在改造前使用激光三維掃描技術(shù)對其進(jìn)行測量， 將成為工程行業(yè)的趨勢。激光三維掃描技術(shù)簡述1.1測量原理激光三維掃描儀的工作原理是通過掃描儀自帶的旋轉(zhuǎn)激光發(fā)射頭向被測物發(fā)射連 續(xù)的激光束，光束接觸到物體后被反射，掃描儀記錄每束被反射激光的反射距離，并 自動計(jì)算和記錄反射的方位角度，從而獲得被測物

4、上每一個(gè)點(diǎn)的定位坐標(biāo)。最終的測 量成果是一組數(shù)量龐大的立體數(shù)字化點(diǎn)陣（又稱“點(diǎn)云”），該點(diǎn)陣可通過與掃描儀配 套的專門軟件進(jìn)行編輯和輸出。目前的激光三維掃描儀可同時(shí)拍攝連續(xù)的彩色照片， 并將照片色彩賦予點(diǎn)云。假如對涂有彩繪的中國古建筑進(jìn)行測量，可通過該技術(shù)獲取 能直接量取尺寸的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。一般應(yīng)用激光三維掃描儀測量建筑時(shí)，要進(jìn)行多個(gè)站點(diǎn)的測量，各站點(diǎn)的測量全 部完成后再利用配套軟件合成為建筑的全景點(diǎn)云。每個(gè)站點(diǎn)的測量一般僅需十幾分鐘， 但如何設(shè)站需要操作者事先計(jì)劃，要做到每個(gè)站點(diǎn)視角合理，確保測量工作高效并盡 量避免測量死角的出現(xiàn)。1.2測量設(shè)備1.2.1掃描儀國外對激光三維掃描技術(shù)的研發(fā)起

5、步于上世紀(jì)60年代，推出了較多相應(yīng)設(shè)備，最 有名的是瑞士 Leica公司激光三維掃描儀，其他還有美國3DDIGITAL公司和Polhemus 公司、加拿大OPtech公司、奧地利RJGEL公司等。國內(nèi)雖然相關(guān)研究和應(yīng)用起步較晚， 但近年來有關(guān)產(chǎn)品也相繼問世，如武漢大學(xué)自主研制的LD激光自動掃描測量系統(tǒng)，以 及在市場中頗受青睞的北京天遠(yuǎn)三維科技有限公司的天遠(yuǎn)三維掃描儀。1.2.2配套設(shè)備三腳架:屬測量儀配套產(chǎn)品，具有找平功能，確保測量儀能夠架設(shè)于各種凹凸不平 的地面。標(biāo)靶:多個(gè)站點(diǎn)的掃描數(shù)據(jù)在進(jìn)行拼接時(shí)，每兩站數(shù)據(jù)之間需要選取三個(gè)公共點(diǎn)作 為拼接約束。為確保公共點(diǎn)定位精準(zhǔn)，在進(jìn)行每站掃描前，需要

6、在場景中設(shè)置特質(zhì)標(biāo) 靶，常用標(biāo)靶分為金屬、紙質(zhì)兩種。金屬質(zhì)標(biāo)靶有磁性底盤，可吸附在被測建筑物的 金屬構(gòu)件上或放置于建筑近旁的地面上，其靶心可任意角度旋轉(zhuǎn)以滿足不同掃描角度 的需要;紙質(zhì)標(biāo)靶通過電子文件打印，使用時(shí)一次性茹貼于被測建筑上或其近旁的物體 上。GPS定位儀:附設(shè)在掃描儀上，屬于使用者的選配儀器，可獲取掃描儀所在的大地 坐標(biāo)，從而準(zhǔn)確確定被測建筑物的定位坐標(biāo)。較高配置的電腦:雙核或多核電腦，用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和拼接。圖2金屬標(biāo)靶圖3紙債標(biāo)靶圖1探卡激光掃描儀及腳架1.3測量步驟1.3.1制訂測量方案:事先進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，選取不同的分站測量點(diǎn)和標(biāo)靶設(shè)置點(diǎn)，情況 復(fù)雜時(shí)需要繪制設(shè)站草圖。1.3

7、.2進(jìn)行現(xiàn)場分站測量1.3.3數(shù)據(jù)導(dǎo)出和拼接:掃描儀自帶存儲器，對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)時(shí)儲存，全部掃描結(jié)束 后使用數(shù)據(jù)線將其導(dǎo)入電腦，并使用配套軟件進(jìn)行多站數(shù)據(jù)的拼接。1.3.4清理多余點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn):建筑物周邊的樹木、行人等點(diǎn)云信息往往占據(jù)了較大的數(shù) 據(jù)空間。1.3.5點(diǎn)云的編輯:使用配套軟件或?qū)肫渌麮AD, B工M軟件對建筑物進(jìn)行三維建模 或繪制平、立、剖面圖。三維激光測繪技術(shù)的特點(diǎn)三維激光測繪技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動測量方式直接 獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將 現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高

8、、主 動性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便，其輸 出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前，生產(chǎn)三維激光掃描儀的公司 有很多，它們各自的產(chǎn)品在測距精度、測距范圍、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、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(jìn)行綜合考慮之后，選用不同的三維激 光掃描儀產(chǎn)品。三維激光測繪技術(shù)的應(yīng)用一一在激光雷達(dá)方向上的發(fā)展3.1激光雷達(dá)激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡稱LIDAR）是利用激光測距原理確 定目標(biāo)空間位置的新型測量儀器，通

9、過逐點(diǎn)測定激光器發(fā)射信號與目標(biāo)反射信號的相 位（時(shí)間）差來獲取激光器到目標(biāo)的直線距離，再根據(jù)發(fā)射激光信號的方向和激光器 的空間位置來獲得目標(biāo)點(diǎn)的空間位置。通過激光器對物體表面的密集掃描，可獲得物 體的三維表面模型。三維激光掃描測繪技術(shù)的測量內(nèi)容是高精度測量目標(biāo)的整體三維 結(jié)構(gòu)及空間三維特性，并為所有基于三維模型的技術(shù)應(yīng)用而服務(wù)；傳統(tǒng)三維測量技術(shù) 的測量內(nèi)容是高精度測量目標(biāo)的某一個(gè)或多個(gè)離散定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及該點(diǎn)三維 特性。前者可以重建目標(biāo)模型及分析結(jié)構(gòu)特性，并且進(jìn)行全面的后處理測繪及測繪目 標(biāo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何內(nèi)容。如：幾何尺寸、長度、距離、體積、面積、重心、結(jié)構(gòu)形變， 結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系、復(fù)

10、制、分析各種結(jié)構(gòu)特性等；而后者僅能測量定位點(diǎn)數(shù)據(jù)并且 測不同定位點(diǎn)間的簡單幾何尺寸，如：長度、距離、點(diǎn)位形變、點(diǎn)位移等。按照空間位置分類，三維激光掃描設(shè)備可分為:機(jī)載類和地面類。3.2機(jī)載掃描激光雷達(dá)機(jī)載激光雷達(dá)簡稱LIDAR是指在飛機(jī)上搭載激光雷達(dá)、數(shù)字相機(jī)和定位定姿裝置， 以獲取具有影像真實(shí)感的高精度數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）的新型 測繪裝備。LIDAR系統(tǒng)通過掃描裝置，沿航線采集地面點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，通過特定方程解算處理成 適當(dāng)?shù)挠跋裰?，生成LIDAR數(shù)據(jù)影像和地面高程模型DEM。系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)航帶寬度， 使其與航攝寬度精確匹配。在不同的實(shí)地條件下，平面精度可以達(dá)到0.15

11、至1米， 高程精度可達(dá)到10厘米，間隔可達(dá)到2-12米。LIDAR是為綜合航攝影像和空中數(shù)據(jù) 定位而設(shè)計(jì)的，其獨(dú)特性在于能快速為數(shù)字制圖和GIS應(yīng)用提供精確的地面模型數(shù)據(jù)。 由于激光脈沖不易受陰影和太陽角度影響，從而大大提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。其高程 數(shù)據(jù)精度不受航高限制，比常規(guī)攝影測量更具優(yōu)越性。LIDAR應(yīng)用多光束返回采集高 程，數(shù)據(jù)密度可達(dá)到常規(guī)攝影測量的三倍，可提供理想的數(shù)字高程模型DEM，大大提 高了正射影像糾正精度。LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以直接與其它類型要素或影像數(shù)據(jù) 合并，生產(chǎn)內(nèi)容更為豐富的各類專題地圖。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與數(shù)字航攝儀、機(jī)載GP S及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）相結(jié)合，

12、使用大容量高速計(jì)算機(jī)，經(jīng)過專用軟件處理，可在空 中完成地面高程模型DEM及數(shù)字正射影像圖DOM的大規(guī)模生產(chǎn)，將大大提高航測成圖 的作業(yè)生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，提高成圖精度，提供更為豐富的地 理信息。3.2地面激光掃描雷達(dá)（激光掃描儀）地面激光掃描雷達(dá)也稱激光掃描儀，地面激光掃描雷達(dá)按照平臺分為地面、車載、 船載和手持等類型。地面激光雷達(dá)（Ground 一 Based Light Detection and Ranging, Ground-Based LIDAR）小型便捷、精確高效、安全穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)，能在幾分鐘內(nèi)對 所感興趣的區(qū)域建立詳盡準(zhǔn)確的三維立體影像，能提供準(zhǔn)確的定量分析

13、，可廣泛應(yīng)用 于各相關(guān)領(lǐng)域，如快速建立局部城市三維模型、古建筑測量與文物保護(hù)、逆向工程應(yīng) 用、復(fù)雜建筑物施工、地質(zhì)研究、建筑物形變監(jiān)測等領(lǐng)域。地面三維激光掃描是在地 面利用激光掃描裝置自動、系統(tǒng)、快速（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）獲取對象表面的三維坐標(biāo)的測量技術(shù)。 它是一種高精度的測量手段，中、長距離的地面激光掃描儀的單點(diǎn)定位精度在2毫米 至25毫米之間。激光掃描與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量（如全站儀、GPS測量）不同，可以獲取 被掃對象表面成千上萬個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，而且可以獲取對象表面的深度影像信息。目 前有瑞士 Leica，美國的Tremble等公司有商用產(chǎn)品，每臺在150萬元左右，作用距 離大多在100米以內(nèi)。國內(nèi)已經(jīng)有

14、很成功的地面激光掃描儀，當(dāng)前最大測距為200米， 成本是進(jìn)口的一半，換裝大功率激光器后可以增大測量距離，根據(jù)需要可以達(dá)到1000 米以上。三維激光測繪數(shù)據(jù)處理利用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)體三維幾何模型時(shí)，不同的應(yīng)用對象、 不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性，三維激光測繪數(shù)據(jù)處理的過程和方法也不盡相同。概括地講， 整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建和模型可視化。數(shù)據(jù)采 集是模型重建的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重 建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的精確度和速度。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段涉及的內(nèi)容有點(diǎn)云數(shù)據(jù) 的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同站點(diǎn)

15、掃描數(shù)據(jù)的 配準(zhǔn)及融合等；模型重建階段涉及的內(nèi)容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘 缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡化和紋理映射等。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)三維激光測繪數(shù)據(jù)的特 點(diǎn)及建模需求，選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理策略和方法。三維激光測繪應(yīng)用的探討隨著三維激光測繪技術(shù)、三維建模的研究以及計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的不斷發(fā)展，其應(yīng) 用領(lǐng)域日益廣泛，如制造業(yè)、文物保護(hù)、逆向工程、電腦游戲業(yè)、電影特技等，逐步 從科學(xué)研究發(fā)展到進(jìn)入了人們?nèi)粘Ｉ畹念I(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)的介入促進(jìn)了應(yīng)用 領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的大量需求成為其研究的動力，三維激光掃描測量技術(shù)在 測繪領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。激光掃描技術(shù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球定位系

16、統(tǒng)（GPS）、 電荷耦合（CCD）等技術(shù)相結(jié)合，在大范圍數(shù)字高程模型的高精度實(shí)時(shí)獲取、城市三維模 型重建、局部區(qū)域的地理信息獲取等方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢，成為攝影測量與遙感技 術(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充。同時(shí)在工程、環(huán)境檢測和城市建設(shè)等方面均有成功的應(yīng)用實(shí)例， 如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災(zāi)害評估、建立3D城市模型、復(fù)雜建筑物施 工、大型建筑的變形監(jiān)測等。下面簡要介紹一下主要應(yīng)用：5.1立體模型的建立：此項(xiàng)功能是三維激光掃描技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)，主要用于物體立體模型 的建立（房屋、橋梁、城堡、廠區(qū)設(shè)備等）、考古與文物保護(hù)、工業(yè)設(shè)備計(jì)測、三維數(shù) 字地面模型建立、三維城市漫游建立，滿足未來3D數(shù)據(jù)采集等方面。5

17、.2借助機(jī)載和船載激光掃描設(shè)備可以完成水地和地面地形測量。5.3滑坡監(jiān)測和確定滑坡區(qū)域：通過比較兩次或多次掃描數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行分析和確定 滑坡區(qū)域和對滑坡區(qū)域檢測，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)和對災(zāi)害造成范圍的確定。5.4逆向工程中的應(yīng)用，是針對一現(xiàn)有工件樣品或模型，利用手持三維激光掃描儀準(zhǔn) 確快速地將輪廓坐標(biāo)測得，并加以建構(gòu)曲面，編輯、修改后傳輸?shù)紺AD模型系統(tǒng)，再 由工路徑送至加工機(jī)，制作所需模具或送到快速成型機(jī)將樣品模型制作出來。6.結(jié)語三維激光測繪也技術(shù)快速獲取三維空間信息的重要手段之一，特別對于測繪領(lǐng)域 來說，伴隨三維激光技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，以及三維控制信息需求的增加，三維空 間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測量技術(shù)相互融合，作為一種新的空間數(shù)據(jù)采集手段，三維激光 測繪技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展空間，成為一種普遍在測繪領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)手段。激光 三維測繪技術(shù)相對于傳統(tǒng)測量方式有著無可比擬的優(yōu)勢，通過它可以快速獲取復(fù)雜目 標(biāo)體的三維空間數(shù)據(jù)，使其在三維建模中能夠發(fā)揮重要作用。從目前激光三維掃描技 術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀看，其應(yīng)用前景廣闊，但同時(shí)對其也要有客觀的認(rèn)識，不可將其作用無 限放大，畢竟它只是一種先進(jìn)的測量工具，對測量數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)用才是最終目的， 而這一步還是需要依靠人的智慧以及其它工程設(shè)計(jì)軟件的支持。參考文獻(xiàn)激光三維掃描技術(shù)用