地面三维激光影像扫描测量技术

铁路航测２００３年第２期地面三维激光影像扫描测量技术

郑德华雷伟刚

（同济大学测量与国土信息工程系，上海２０００９２）

摘要主要介绍了目前先进的获取地面空间多目标三堆数据的激光影像扫描测量技术。详细地阐述了地面三雏激光影像扫描仪工作的基本原理及一些仪器的性能指标和特点，并对地面三雏激

光影像扫描仪的应用领域进行了分析。

关键词三雏激光影像扫描仪测量原理工程应用

７～ｚ侈

ＴｈｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＬａｎｄ３ＤＬａｓｅｒＳｃａｎｎｉｎｇａｎｄ

ＩｍａｇｉｎｇＳｕｒｖｅｙｉｎｇ

ＺｈｅｎｇＤｅｈｕａＬｅｉＷｅｉｇａｎｇ

（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｕｒｖｅｙｉｎｇａｎｄＣ．ｖｏｍａｆｉｃｓ，Ｔｏｌ画ｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｌａｎｄ３Ｄｌａｓｅｒｓｃａｎｎｉｎｇａｎｄｉｍａｇｉｎｇｓｕｒｖｅｙｉｎｇｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅ

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１概述

随着激光技术的快速发展，三维激光扫描技术的

应用也越来越广泛。三维激光扫描技术已经较为广泛

地应用于医学研究与临床诊断治疗、机器人三维可视

化等方面。在工业领域中主要用于：微细图形的测量，

如微米太小的集成电路元件；电子束刻划的０．０１Ⅱｍ

量级的电子器件中的元件；磁饱和记忆器等装置中的

亚微米线条；磁盘存储器中磁头的缝隙；磁盘磁记录介

质膜的厚度；光学元件表面上的镀膜；金属表面上蒸镀

和刻蚀的薄膜等。已经成熟的微观和短距离三维激光

收稿日期：２００２—１０—８

第一作者筒舟：郑德华（１卯２一），男，同济大学博士生，阿海大学土木工程学院讲师，主要从事精密工程器量教学科研工作。在《土术工程学报）、‘工程勘察）、‘铡绘工程）、‘测绘通报＇、‘江苏测绘＇发表７篇学术论文。扫描测量技术还用于工业产品的模具设计和制造。如纳米晶陶瓷材料和零件的快速成型工艺、汽车模型制造，手机模型设计等领域。微观和短距离三维激光扫描测量精度已经达到１／ａｎ，甚至更高。长距离激光测距技术用于工程建设和科学研究也相当成熟，如城市工程控制网距离测量、激光测卫技术。近几年来，由于长距离三维激光扫描技术在获得多目标空间点阵数据方面取得了新的突破，发达国家首先将这项技术应用于机载激光测高方面和城市兰维影像模型建立方面。目前，地面兰维激光影像扫描仪的应用。为人们获取丰富的空间信息提供了一种全新的技术手段，测绘人员从传统的单点采集数据变为连续自动获取数据，从而提高了测量的效率，拓宽了测绘技术的应用领域。当前，国内很多科研院校正在加快地面三维激光影像扫描技术的基础理论和技术应用方面的研究。

２三维激光影像扫描仪测量原理

地面三维激光影像扫描仪是一种集成了多种高新

地面三维激光影像扫描铡量技术：郑德华霄伟刚

技术的新型测绘仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成ＣＣＤ数字摄影和仪器内部校正等系统。

２．１激光测距系统

激光测距技术发展已经相当成熟。目前激光测距原理主要有脉冲法测距、干涉法测距和相位差法测距３种。在微观领域及短距离内的三维激光扫描仪主要采用相位差法或干涉法测距。目前，地面三维激光影像扫描仪主要采用的脉冲法测距是一种高速激光测时测距原理。测距过程主要分为４个环节：激光发射、激光探测、时延估计和时延测量。

（１）激光发射：一个激光脉冲发射体在触发脉冲的作用下，激光发出一个极窄高速激光脉冲，通过扫描镜的转动并反射向物体，同时，激光信号被取样而得到激光主波脉冲。

（２）激光探测：通过同一个扫描镜和望远镜收集经过物体反射回来的激光回波信号转换为电信号。

（３）时延估计：对不规则的激光回波信号进行相应相关处理，估计出对目标测距的时延，生成回波脉冲信号，该脉冲信号的前沿代表目标物体回波的时延。

（４）时间延迟测量：由精密原子钟控制的精密计数器通过距离计数方法测量出激光回波脉冲与激光发射主脉冲之间的时间间隔。

２．２激光扫描系统

对于激光扫描技术，目前用得最多的是光机扫描、电镜扫描、多棱镜扫描和全息光栅扫描技术。大范围的扫描幅度、高精度的小角度扫描间隔及高帧频成像技术是地面三维激光影像扫描测量技术的主要要求。地面三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描（觅图１）。

叠１地面三堆鼍光扫描器境２．３激光扫描三维测量原理

地面三维激光扫描仪通过数据采集获得测距观测值ｓ，精密时钟控制编码器同步泓量每个激光脉冲横向扫描角度观测值ａ和纵向扫描角度观测值口。地面激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统，ｊ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２所示）。由此可得到三维激

ｒＸ＝Ｓｅｏｓｏｅｏｅａ

旺篇８蛔。

圈２ｌｌＲ光扫措三堆爿量原理

３地面三雄激光影像扫描仪性能及特点

３。１３种典型地面三雏激光影像扫描仪技术指标

地面三维激光影像扫描仪经过近几年的发展，在测程范围、测匪糖度、浏量速度、测量采样密度、激光安全等方面取得较大的进步，测量数据处理软件功能方面也趋于完善。目前．国内正在对国外几种商用地面三维激光影像扫攒仪进行初步研究和应用。各种地面三维激光影像扫描仪具体性能具有一定差别（见表１）。

裹１３种典勰地面三肇激光影像扫描仪主要技术指标

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