地面三維激光掃描測量技術(shù)及其應(yīng)用分析

地面三維激光掃描測量技術(shù)及其應(yīng)用分析宋宏【摘要】三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項高新技術(shù).目前許多發(fā)達國家已將這一先進技術(shù)用于空對地觀測及工業(yè)測量系統(tǒng)，快速獲取特定目標(biāo)的主體模型,我國在863計劃中也重點支持了這一研究方向.本文論述地面三維激光掃描技術(shù)的原理分類和應(yīng)用現(xiàn)狀，比較了相關(guān)技術(shù)方法之異同，評價了地面掃描儀優(yōu)缺點,指出該技術(shù)面臨的諸多挑戰(zhàn).【期刊名稱】《測繪技術(shù)裝備》【年(卷)，期】2008(010)002【總頁數(shù)】4頁(P40-43)【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù);LIDAR激光雷達;地面激光掃描儀;近景攝影測量;三維建?！咀髡摺克魏辍咀髡邌挝弧课錆h大學(xué)測繪學(xué)院，武漢,430079;中煤航測遙感局，西安,710054【正文語種】中文［中圖分類】P2激光掃描系統(tǒng)平臺分為機載和地面兩大類型。地面三維激光掃描系統(tǒng)，與激光測距技術(shù)點對點的距離測量不同，激光掃描技術(shù)的發(fā)展為人們在空間信息獲取方面提供了全新的技術(shù)手段，使人們從傳統(tǒng)的人工單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動獲取批量數(shù)據(jù)，提高了量測的精度與速度。2.1三維激光掃描儀測量原理徑向三維激光掃描儀是一種集成了多種高新技術(shù)的新型三維坐標(biāo)測量儀器，采用非接觸式高速激光測量方式，以點云形式獲取地形及復(fù)雜物體表面的陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。儀器要包括激光測足巨系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)和支架系統(tǒng)，同時也集成CCD數(shù)字攝影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。典型的徑向三維激光掃描儀有很多，如OptechILRIS-36D、LeicaHDS3000、MensiGXRD200+等。目前三維激光掃描儀主要采用TOF脈沖測距法（TimeofFlight），是一種高速激光測時測距技術(shù)，采用脈沖測距法的三維激光點坐標(biāo)計算方法，如式（1）所示。三維激光掃描儀通過脈沖測距法獲得測足距觀測值S，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成三維激光掃描測量—般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。由此可得三維光腳點P坐標(biāo)兇，Ys,Zs）的計算公式:2.2地面掃描儀技術(shù)指標(biāo)1）典型的地面三維激光掃描儀毫米級精度儀器見表1。2）近距離的微米級儀器裝備如KINICAMINOLTAVIVID9i,掃描范圍0.5~2.5m,以三角測量原理，由激光掃描物體，CCD接受物體表面的反射光。物體形狀的測量通過三角測量，轉(zhuǎn)換為3D網(wǎng)格圖而獲得，同時采集表面形態(tài)和顏色數(shù)據(jù)，有可變換的望遠、中焦、廣角鏡頭，適用大小不同的物體，可獲850pm的測量精度。FARO三維激光掃描測量臂（LaserScanArm）,1.2m長度測量臂可獲25pm~50pm的測量精度。通常用于如彩俑頭、佛頭、青銅器、御璽等國寶進行微米級精細掃描及建模。3.1近景攝影測量航空攝影測量與遙感［1］,近景攝影測量［2］，低空攝影測量（系留氣球、無人機等）[3],在20世紀(jì)80年代曾在文博部門的應(yīng)用中異軍突起，引起考古工作者廣泛關(guān)注。近景攝影測量利用對300m以內(nèi)目標(biāo)所獲取的圖像來確定其形態(tài)，幾何位置和大小。近景測量中的古建筑攝影測量是古建筑和文物立體圖、平面圖、等值線圖、影像圖的測繪，以及古建筑主要結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)測定，資料具有檔案價值[4]。和航測一樣，近景攝影測量也經(jīng)歷了模擬、解析與數(shù)字階段。目前在數(shù)字近景攝影測量領(lǐng)域，有基于LIDAR技術(shù)的地面三維掃描系統(tǒng)，還有基于數(shù)碼相機與全站儀集成的多基線影像匹配系統(tǒng)Lensphoto[5],它們能生成一樣的成果——被攝（被掃描）對象密集的點云DSM和三維立體景觀，可用于煤堆，礦堆及各工種挖填方精確快速計算和制圖。3.2傳統(tǒng)測量技術(shù)以古建筑測繪為例，傳統(tǒng)測繪技術(shù)用鋼尺、角尺、小平板儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀、紅外測距儀和數(shù)碼相機等，偶爾才用到激光經(jīng)緯儀和全站儀。這種狀況會繼續(xù)存在。地面三維掃描儀與全站儀的作業(yè)方法基本雷同，如果只進行離散點測量，地面掃描儀有著全站儀一樣的測量精度，可用于傳統(tǒng)的導(dǎo)線測量和后方交會測量；還可對地形外觀進行掃描，獲得高精度的點云數(shù)據(jù)，測制大比例尺數(shù)字地圖。傳統(tǒng)的離散點測量數(shù)據(jù)很難重建目標(biāo)原態(tài)的三維模型，三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)了目標(biāo)原形從三維到三維的直接轉(zhuǎn)化，成為后端技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺或起點。三維激光掃描系統(tǒng)可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中，通過三維激光掃描直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，進而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維實體模型，同時，所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可將目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)用于各種后處理工作（如：測繪、計量、應(yīng)力分析、有限元分析、仿真分析、任務(wù)模擬、…等），它是各種正向工程工具（如：CATIA、UG、CAD、有限元、流體動力、PDMS、PDS、GIS、VR、3DSMAX、MAYA、ERP、...等）對稱應(yīng)用工具。這種逆向工程的數(shù)據(jù)獲取方式，目前在我國屬薄弱領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)所涉及的應(yīng)用，不是簡單的商業(yè)問題，而是深刻的應(yīng)用技術(shù)跨越。其領(lǐng)域包括：核電站、文物、考古、建筑業(yè)、航天、航空、船舶、制造、軍工、軍事、石化、醫(yī)學(xué)、水利、能源、電力、交通、機械、影視、教學(xué)、科研、汽車、公安、市政建設(shè)……。三維激光掃描系統(tǒng)在我國處于應(yīng)用初級階段，在建筑與文物保護，地面景觀形體測定，城市三維可視化模型的建立，變形監(jiān)測等領(lǐng)域均取得了應(yīng)用成果。下面分類加以介紹。4.1工業(yè)和礦山測量1）復(fù)雜的工業(yè)設(shè)施、廣場、車站測量化工廠、煉油廠、核電站、運輸站場等工礦企業(yè)，管線林立，錯綜復(fù)雜，用激光掃描儀分段掃描，獲得三維點云數(shù)據(jù)，用軟件將點云數(shù)據(jù)拼接、合并、建模，可生成三維可視化模型或圖件。下圖為煤航（香港）公司在香港最大的紅勘火車站站臺頂板測量項目中，應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的實況。如圖3、圖4所示。2）帶狀地形圖測量、地面景觀形狀測量、礦山測量分段掃描局部帶狀地區(qū)，拼接合并生成帶狀影像圖，轉(zhuǎn)換至國家或城市坐標(biāo)系中，生成帶狀地圖。主要用于線路兩旁（鐵路、公路、河流兩岸等）局部不規(guī)則帶狀圖測量。礦山測量?？捎糜诘V山開挖方面的應(yīng)用，如阜新露天礦爆破分析、土方計算、邊坡穩(wěn)定監(jiān)測、開挖洞口定位分析等地形、體積、塌陷等測量。4.2建筑與文物保護大型考古測量要綜合利用空間遙感信息［6］，諸如航空攝影、衛(wèi)星照片、多光譜衛(wèi)星遙感影像、機載雷達影像等，對地面考古遺址開展無損探測和識別。同時結(jié)合地球物理探測技術(shù)和常規(guī)田野考古手段，勘探、發(fā)現(xiàn)考古遺址，進行考古測繪、文物保護、考古研究。三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展為考古測量提供了嶄新的手段。這方面較完整的應(yīng)用有：館藏大型遺址——秦兵馬俑二號坑三維建模［7］，故宮太和殿古建筑保存及修繕測量，長城資源調(diào)查，以及鳥巢和國家體育館測定等。圖5為秦兵馬俑二號坑三維建模工程。4.3生物醫(yī)學(xué)測量該領(lǐng)域應(yīng)用的掃描儀屬近距離的微米級儀器裝備。特點是測距短(<4m),測距精度高(<1mm),可達0.005mm~1.5mm的高精度值。應(yīng)用于外科整形、人體測量、矯正手術(shù)及館藏珍貴文物的高精度掃描建模。三維激光掃描技術(shù)是基于LIDAR激光探測與測足巨系統(tǒng)。本文重點論述的地面三維掃描儀，是置于三角架上的LIDAR系統(tǒng)，它是數(shù)字近景攝影測量領(lǐng)域新的技術(shù)手段，三維激光掃描技術(shù)所涉及的應(yīng)用是深刻的技術(shù)跨越，該技術(shù)目前優(yōu)缺點可歸納如下：?地面三維掃描儀的優(yōu)點：速度快，現(xiàn)場節(jié)約時間，測量完整、精確，可多視角觀察可視化三維點云模型。不需要接觸被測物體，光線昏暗甚至黑夜均可作業(yè)，特別是表面復(fù)雜的物體外形測量，并能色彩還原。能標(biāo)注和測量模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，如距離、高差、體積、表面積、斷面、截面、2D圖等，或創(chuàng)建各種復(fù)雜幾何形狀，如彎頭、錐形管等。能將3D模型轉(zhuǎn)換到CAD系統(tǒng)或不同軟件操作平臺的數(shù)據(jù)格式，進行三維建模。?地面三維掃描儀的缺點：對地面三維掃描儀的使用，有專家列舉考古遺址文件數(shù)據(jù)記錄存在的不足，指出該技術(shù)正面臨諸多挑戰(zhàn)［8］，歸納如下：地面掃描儀是個黑箱系統(tǒng)，難以檢校；儀器昂貴，主要儀器售價在100萬人民幣以上，市場定位為高檔設(shè)備。掃描數(shù)據(jù)后處理時間可達數(shù)據(jù)采集所需時間的10倍，掃描易，處理難。掃描數(shù)據(jù)拼接軟件不完善，各廠家自成一體，互不兼容；缺乏標(biāo)準(zhǔn)化思考，缺乏實用而價格相對便宜的軟件；考古學(xué)家、文物保護人員、建筑學(xué)家較難進一步使用三維建模成果開展專業(yè)研究工作。三維建模有一定的主觀性，非專業(yè)人士常受到虛擬動畫的視覺迷惑，忽視了三維模型的可量測和科學(xué)性。綜上所述在三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用中，必須面對測繪標(biāo)準(zhǔn)化課題[9]。要編制相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程，統(tǒng)一術(shù)語，制定精度要求數(shù)據(jù)規(guī)格，數(shù)據(jù)采集和后處理要求及成果精度評定方法等，推動測繪技術(shù)進步。宋德聞等.秦始皇陵園的攝影測量與遙感工程[J].測繪學(xué)報，1990,19(1)48~56宋德聞等.在文物考古部門開展的近景攝影測量工程[J].測繪通報，1986(6):13-20宋德聞等.西安半坡博物館遺址圖的測制——一次使用超低空垂直攝影技術(shù)的嘗試[J].測繪通報，1987(5)GB/T12979~91近景攝影測量規(guī)范[S]張祖勛等.攝影全站儀系統(tǒng)一一數(shù)字攝影測量與全站儀的集成[J].測繪通報，2005(11):1-5宋宏.遙感考古聚焦秦始皇陵(國家863計劃考古遙感與地球物理綜合探測技術(shù).課題編號2002AA130203)[J],煤航技術(shù)研究,2002,17(32)21-22宋德聞等.徠卡HDS應(yīng)用于秦俑二號坑數(shù)字化工程[J]