专题报告

新技术专题报告

学校：辽宁科技大学土木工程学院班级：测绘工程2010-1

姓名：王鑫

学号：120103705017

三维激光扫描仪测量方法与前景展望

[摘要] 首先详细论述了三维激光扫描仪测距、测角、扫描及定向的若干方法，然后通过三维激光扫描仪发展现状的介绍，及各项技术参数图表式对比、分析，得出了三维激光扫描仪测程、精度及扫描速率之间的关系。针对三维激光扫描仪的局限性，提出其会向精密定位、多功能集成、完全国产化、软件公用化等方向发展的趋势。

[关键词] 三维激光扫描仪；定向原理；坐标系转换；技术参数；发展趋势

随着信息科学技术的不断发展，三维模拟、实物虚拟现实等理论的相继提出，人们对事物的认重构、识已从平面二维空间，逐渐转向空间三维立体思维模式。三维激光扫描仪的出现解决了这一实际问题，通过三维激光扫描技术，“实景复制技术”以其非又称，扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、接触、全自动化、复杂环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标高精度三维数据，并实现三维可视化的重要手段。它极大地降低了测量成本，节约时间，使用方便，而且应用范围广，在工程测量、变形监测、文物保护、森林和农业，医学研究，战场仿真等领域都有很大的发展空间。

三维激光扫描仪测量原理

三维激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重测量速度和操作简便的同时，保证了测量的综合精度，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。

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：三角法、脉冲法，相位法。

1 三角测距法

）三角法测距是借助三角形几何关系，求得扫描中心到扫描对象的距离。激光发射点和CCD 接收点位于长度为的高精度基线两端，并与目标反射点构成一个空间平面三角形。如图 1 所示：在图1 中，通过激光扫描仪角度传感器可得到发射、入射光线与基线的夹角分别为γ、激光扫描仪λ，的轴向自旋转角度α，然后以激光发射点为坐标原点，基线方向为X 轴正向，以平面内指向目标且垂直于X 轴的方向线为Y 轴建立测站坐标系。通过计算x= cosγsinλL sin （γ+λ）y= sinγsinλcosa L sin （γ+λ）z= inγsin λsina L sin （γ+λ）（1 ）结合P 的三维坐标便可得被测目标的距离S，在公式）由于基线长L 较小，（1 中，故决定了三角法测量距离较短，适

合于近距测量。

2 脉冲测距法

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。如图 2 所示，激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标漫光速为c，测反射后到达接收系统，设测量距离为S，得激光信号往返传播的时间差为△t，则有：S= 1 c△t 2 （2 ）从式）（2 中可以看出，影响距离精度的因素主要有c 和△t，而的精度主要由大气折射率所决定，目前n 的精度很高，对测距影响很小；的确定可通过前△t 在得到θb 的基础上，可得扫描棱镜转过的角度值，再通过精密时钟控制编码器同步测量，便可得每纵向扫描角度观测值为α、θ。个激光脉冲横向、（2 线位移测量）激光扫描测角系统由激光发射器，直角棱镜和CCD 元件组成，激光束入射到直角棱镜上，经棱镜折射后射向被测目标，当三维激光扫描仪转动时，出射的激光束将形成线性的扫描区域，CCD 记录线位移沿判别，高通容阻判别，恒比值判别或全波形检测技术等方法，保证测定精度。脉冲法的测量距离较远，但是其测距精度较低，现在大多数三维激光扫描仪都使用这种测距方式，主要在地形测绘、文物保护、数字“城市”建设、土木工程等方面有较好的应用。

3 相位测距法

相位法测距是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。

扫描原理

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。

测角原理

区别鱼常规仪器的读盘测角方式，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。在扫描仪工作的过程中，通过步进电机的细分控制技术获得稳步精确步距角。

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。在坐标转换中，设立特制的定向识别标志，通过计算识别标志的中心坐标，采用公共点坐标转换，求得两坐标系之间的转换参数，包括平移参数△x、△z △y、和旋转参数α、γ。β、

应用领域

作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云（pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。

三维激光扫描技术应用领域：

最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

（1）测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。

（2）结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量；管道、线路测量、各类机械制造安装。

（3）建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹（古建筑、雕像等）的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。

（4）紧急服务业：反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，