三维激光扫描分类及工作操作规范

一、地面激光扫描系统

1、概述

地面激光扫描仪系统类似于传统测量中的全站仪，它由一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机，以及软件控制系统组成。二者的不同之处在于激光扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是一系列的“点云”数据。这些点云数据可以直接用来进行三维建模，而数码相机的功能就是提供对应模型的纹理信息。

2、工作原理

三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，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β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。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。获得P的坐标。进而转

换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。

3、作业流程

整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。

（1）、数据获取

利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体和反射参照点进行扫描，尽可能多的获取实体相关信息。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息，点云的发射密度值，以及内置或外置相机获取的影像信息。这些原始数据一并存储在特定的工程文件中。其中选择的反射参照点都具有高反射特性，它的布设可以根据不同的应用目的和需要选择不同的数量和型号，通常两幅重叠扫描中应有四到五个反射参照点。

（2）、数据处理

1)数据预处理

数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。

2)数据拼接匹配

一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的，这需要我们在不同的位置对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。在扫描过程中，扫描仪的方向和位置都是随机、未知的，要实现两幅或多幅扫描的拼接，常规方法式是利用选择公共参照点的办法来

实现这个过程。这个过程也叫作间接的地理参照。选取特定的反射参照目标当作地面控制点，利用它的高对比度特性实现扫描影像的定位以及扫描和影像之间的匹配。扫描的同时，采用传统手段，如全站仪测量，获得每幅扫描中控制点的坐标和方位，再进行坐标转

换，计算就可以获得了实体点云数据在统一的绝对坐标系中的坐标。这一系列工作包含着人工参与和计算机的自动处理，是半自动化完成的。

（3）、建模

1)算法选择

在数据处理完成后，接下来的工作就是对实体进行建模，而建模的首要工作是数学算法的选择。这是一个几何图形反演的过程，算法选择的恰当与否决定最终模型的精度和和数据表达的正确性。

2)模型建立和纹理镶嵌

选择了合适的算法，可以通过计算机直接对实体进行自动建模。点云数据保证了表面模型的数据(DSM)，而影像数据保证了边缘(Edges)和角落(Comer)的信息完整和准确。通过自动化的软件平台，用获取的点云强度信息和相机获取的影像信息对模型进行纹理细节的描述。

3)数据的输出与评价

基于不同的应用目的，可以把数据输出为不同的形式，直接为空间数据库或工程应用提供数据源。然而数据的精度和质量如何呢，能否满足各种应用的要求对结果进行综合的评估分析仍是很重要的一步，评估的模型和评价标准要根据不同的应用目的来确定。

4、特点

（1）可以在较短的时间内获取关于目标对象的高精度、高密度点云数据

（2）自动化

（3）非接触测量，夜间测量

（4）数据信息丰富（三维坐标、强度信息、色彩信息）

（5）数据量大，设备贵，作业员要求高

5、应用

（1）地面景观形体测量：地面景观形体测量可为三维数字化设计、三位测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术提供服务，能够快速、高精度地完成复杂的古建筑测量、大型景观三维数字设计与模版制作。

（2）复杂工业设备的测量与建模：利用激光扫描仪分段扫描，获得各站上复杂工业设备的三维点云数据，再将不同站上的点云数据通过数据预处理以及粗差剔除、利用公共点进行拼接、合并和应用响应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考，极大的提高了工作效率。

（3）建筑与文物的保护：工作流程基本同（2），这样做成的电子文献，易于保存，能详细了解表面，随时方便地得到等值线、截面、剖面等。当建筑和文物遭到破坏后能及时准确而有效的提供修复和恢复数据。

（4）城市三维可视化模型的建立：在街道上对建筑物的内外进行三维激光扫描，扫描的点云数据经过数据处理，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。也适用于GIS 数据库更新，旅游向导和虚拟现实制作等。

（5）带状地形测图测量和矿山测量：

（6）森林和农业资源调查：应用激光扫描仪对森林里的树木进行扫描，可以非常准确的了解某时刻的森林现状。不同时间测量结果比较还能了解森林动态变化。

（7）变形监测：以均匀的精度高密度地测量，测量的数据可以获得更多的信息，特别是局部详细变形信息。

二、车载激光扫描系统

1、概述

车载激光扫描系统是集成了激光扫描仪，CCD相机以及数字彩色相机的数据采集和记录系统，GPS接收机，基于车载平台，由激光扫描仪和摄影测量获得原始数据作为三维建模的数据源。

2、作业流程

（1）数据采集

首先，利用GPS对载车进行定位，获得准确的测量原点大地坐标。再利用GPS和IMU对载车测绘基准的姿态进行测量，得到大地坐标系下三维激光扫描仪的高低角、偏航角以及滚动角。然后，利用三维激光扫描仪对测绘点进行逐点测量，得到测绘点相对于测绘基准的方向角、高低角以及距离。通过坐标换算的到测绘点的大地坐标。目标属性等信息通过CCD相机同步采集的照片进行辨识。（2）数据处理

高速视频摄像机的图像信息不参与三维真实场景建模，主要用于测量场景记录。在后续数据处理中，通过对高精度定位定向系统各传感器测量信息的处理得到车辆行驶的准确路线和姿态；通过对激光扫描仪的点云数据进行点、线、面特征的提取可确定测量物体的三维几何形状；利用高精度定位定向系统输出的位置和姿态信息、从点云数据中提取测量物体三维几何形状及从面线阵CCD

相机测量信息中提取的线性特征和纹理数据，实现二三维真实场景建模。

目前常见的三维数据采集系统中，使用的都是面阵相机进行纹理信息采集。数据处理包括数据预处、数据滤波、数据分类和建筑物特征提取。

1)数据预处理

目的就是将车载激光扫描乐统采集的GPS数据、三维激光扫描仪数据等联合解算得到数据后处理所用的点云数据。