三维激光扫描

9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用

三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距、和反射强度，自动存储并计算，或得点云数据。最远测量距离可达数千米，最高扫描频率可达每秒几十万，纵向扫描角θ接近90º，横向可绕仪器竖轴进行360º全圆扫描，扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机，外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。点云数据经过计算机处理后，结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。

目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美国的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech 公司等。它们各自产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。

一、地面三维激光扫描仪测量原理

无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。

地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。

1.测距原理

激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前，测距方法主要有脉冲法和相位法。

脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标反射后到达接收系统，

c∗Δt，设测量距离为S，测得激光信号往返传播的时间差为Δt，则有：S=1

2

可以看出，影响距离精度的主要因素有c和Δt。

相位法测距使用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差，间接测定往返时间，并进一步计算出被测距离。相位型扫描仪可分为调幅型，调频型，相位变换型等。这种测距方式是一种间接测距方式，通过检测发射和接受信号之间的相位差，获得被测目标的距离。测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究，精度可达mm级。

脉冲法和相位法测距各有优缺点，脉冲测量的距离最长，但精度随距离的增加而降低。相位法适用于中程测量，具有较高的测量精度。

2.扫描和测角原理

三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。目前，扫描控制装置主要有摆动平面扫描镜和旋转正多面体扫描镜。

三维激光扫描仪的测角原理区别于电子经纬仪的度盘测角方式，激光扫描仪通过改变激光光路获得扫描角度。把两个步进电机和扫描棱镜安装在一起，分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制微电机，它可以实现对激光扫描仪的精确定位。

3.定向原理

三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。

二、地面三维激光扫描仪特点

1.非接触测量

三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量无须反射棱镜对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标及人员难以达到的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。

2.数据采样率高

目前采用脉冲激光的三维激光扫描仪采样点速率可达数十万点/秒，而采用

相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数百万点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。

3.高分辨率、高精度

三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进

行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。

4.数字化采集，兼容性好

三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字化特征，易于后期处理及输出。

三、地面三维激光扫描仪的点云数据

点云数据是指通过3D 扫描仪获取的海量点数据。以点的形式记录，每一个

点包含有三维坐标，有些可能含有颜色信息或者反射强度信息。颜色信息通常是

通过相机获取彩色影像，然后将对应位置的像素的颜色信息赋予点云中对应的点。强度信息的获取是激光扫描仪接收装置采集到的回波强度，此强度信息与目标的表面材质、粗糙度、入射角方向以及仪器的发射能量、激光波长有关。

一般扫描仪采用内部坐标系统：X 轴在横向扫描面内，Y 轴在横向扫描面内

与X 轴垂直，Z 轴与横向扫描面垂直，如图12-23所示。测量每个激光脉冲从发出经被测被测物体表面再返回仪器所经过的时间（或者相位差）来计算距离S ，同时内置精密时钟控制编码器，同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和

纵向扫描角度观测值θ，因此，任意一个被测点云P 的三维坐标为

{

x p =S ·cos θ·cos α

y p =S ·cos θ·sin αz p =S ·sin θ 全站仪或GPS RTK 地形测量都是单点采集，速度缓慢，加上必要的准备工作

和内业的数据处理，要完成一个地形区域的全部测量工作需要较长的作业工期。对于地貌的测绘也仅限于地貌特征点的数据采集，没有地形细节描述数据，因而无法了解测区地形的详细状况。

利用三维激光扫描技术制作的地形图精度优于全站仪或GPS RTK 地形测图，

且可大大缩短外业工作时间将大部分时间转为在软件中对扫描数据的内业处理。基于三维激光扫描的地形测绘成图技术的应用，改变了传统测绘的作业流程。是相关外业测绘流程大大简化，外业人员的劳动强度大大降低，内业处理的自动化