【摘要】三維激光掃描技術(shù)是一種先進的全自動高精度立體掃描技術(shù)。作為一項新的數(shù)據(jù)獲取手段，地面三維激光掃描儀可以快速、精確和高效地測量目標的三維影像數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)的測量和數(shù)據(jù)處理方法，贏得了全新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。本文簡單介紹了三維激光掃描技術(shù)的工作原理、技術(shù)特點、工程應(yīng)用和發(fā)展方向等幾方面的狀況。
　　【關(guān)鍵詞】三維激光掃描；特點；應(yīng)用
　　
　　0引言
　　隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了集成多種高新技術(shù)的新型測繪儀器—地面三維激光掃描儀，它采用非接觸式高速激光測量方式，在復雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的三維坐標、色彩信息和反射強度—點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后，結(jié)合CAD可快速重構(gòu)出被測物體的三維模型及線面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。這項技術(shù)可用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等領(lǐng)域,具有不需要合作目標、高精度、高密度、高效率、全數(shù)字特征等優(yōu)點。
　　1地面三維激光掃描儀測量原理
　　地面三維激光掃描系統(tǒng)主要有三部分組成，掃描儀、控制器(計算機)和電源供應(yīng)系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成ＣＣＤ和儀器內(nèi)部控制和校正等系統(tǒng)。在儀器內(nèi)，通過一個測量水平角的反射鏡和一個測量天頂距的反射鏡同步、快速而有序地旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測距模塊測量每個激光脈沖的空間距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的水平角和天頂距，最后按空間極坐標原理計算出掃描的激光點在被測物體上的三維坐標。掃描儀的內(nèi)部有一個固定的空間直角坐標系統(tǒng)。當在一個掃描站上不能測量物體全部而需要在不同位置進行測量時；或者需要將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到特定的工程坐標系中時，都要涉及到坐標轉(zhuǎn)換問題。為此，就需要測量一定數(shù)量的公共點，來計算坐標變換參數(shù)。為了保證轉(zhuǎn)換精度，公共點一般采用特制的球面標志和平面標志。點云數(shù)據(jù)以某種內(nèi)部格式存儲，因此用戶需要廠家專門的軟件來讀取和處理，OPTEC的ILRIS-3D軟件，Cyrax2500的Cyclone軟件、LMS-Z420的3D-RiSCAN軟件、MENSI的Realworks等都是功能強大的點云數(shù)據(jù)處理軟件，他們都具有三維影像點云數(shù)據(jù)編輯、掃描數(shù)據(jù)拼接與合并、影像數(shù)據(jù)點三維空間量測、點云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。三維激光掃描流程圖如圖1所示。
　　
　　
　　2掃描儀的分類
　　從目前來看，三維激光掃描儀主要有如下幾類：
　　1）超長測程掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)以機載或星載為代表，主要應(yīng)用：航測、遙感、淺海地形掃描或建模；電力線路監(jiān)測；月球表面三維掃描。
　　2）亞m或m級的三維激光掃描儀。應(yīng)用于機械零部件質(zhì)量檢測，與測繪關(guān)系較弱。
　　3）50m～4000m的中長測程的地面激光掃描系統(tǒng)（見圖2）。主要應(yīng)用：①古建筑物的保存與恢復；②事故現(xiàn)場的保存；③體積量測；④大型建筑監(jiān)管與建模；⑤監(jiān)測；⑥虛擬現(xiàn)實。
　　3地面三維激光掃描儀的工程應(yīng)用
　　三維激光掃描儀特別適合于對大面積的、表面復雜的物體進行精細測量。鑒于該特點，目前在許多工程領(lǐng)域中已經(jīng)得到了應(yīng)用。
　　3.1工程測量
　　(1)復雜工業(yè)設(shè)備的測量與建模：一些工廠管線林立，縱橫交錯，用傳統(tǒng)的測量方法效率低下。而利用激光掃描儀測量和數(shù)據(jù)處理后就可以生成這些復雜工業(yè)設(shè)備的3D模型，為設(shè)備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型，極大提高了工作效率，測量資料還可以用于工廠管理。
　　(2)帶狀和局部地形測量：帶狀地形圖測量主要對線路兩旁(鐵路、公路、河流兩岸等)的局部不規(guī)則帶狀地形進行測量；局部地形測量主要對危險的或者人員難以到達的地帶(如巖壁、開挖區(qū)、塌陷等)進行測量。這些地形測量工作較傳統(tǒng)的測量方法有更高地效率。
　　(3)路面測量：用于路面竣工后的質(zhì)量檢測；計算路面平整度；也可以為道路設(shè)計提供實地模型。
　　(4)大型土木工程形狀測量：包括對隧道、橋梁、地下坑道等在施工過程中和竣工后的形狀測量，既可以進行施工指導和質(zhì)量控制，又可以作為數(shù)字文檔資料。
　　(5)變形監(jiān)測：相對于傳統(tǒng)的測量方法與技術(shù)(GPS、全站儀)而言，其精度均勻、密度高，可以發(fā)現(xiàn)變形體局部細節(jié)變化，也便于從整體上分析和評價變形體的穩(wěn)定性。對滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁等工程變形監(jiān)測有很好的前景。
　　3.2建筑測量與文物保護
　　一些著名建筑物、文物、雕塑等，其形狀怪異、表面凸凹不平，不方便(也不允許)在其上粘貼測量標志，即要求無接觸測量。以前是以攝影測量為主，但現(xiàn)在可充分利用激光掃描儀的高密度和高精度點云數(shù)據(jù)，來獲取建筑物表面的精細結(jié)構(gòu)，隨時得到等值線、斷面、剖面等。當建筑物和文物等遭到破壞后能及時而準確地提供修復和恢復數(shù)據(jù)。
　　3.3逆向工程
　　逆向工程是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD模型的過程。傳統(tǒng)的復制方法是先做出一比一的模具，再進行生產(chǎn)。這種方法無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。由于三維激光掃描儀能對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進行曲面重構(gòu)，并對重構(gòu)的曲面進行精度分析、評價構(gòu)造效果。
　　4結(jié)束語
　　三維激光掃描技術(shù)是一項新興的技術(shù),其應(yīng)用范圍也越來越廣,利用三維激光掃描技術(shù)采集數(shù)據(jù)具有效率高,數(shù)據(jù)量大,速度快等諸多優(yōu)點,而且其數(shù)據(jù)本身具有較高的精度。三維激光掃描技術(shù)涉及到設(shè)站、點云拼接、三維建模及可視化等內(nèi)容。激光掃描技術(shù)正在逐步應(yīng)用到測量工作中,具有傳統(tǒng)測量手段無可比擬的優(yōu)勢,因此對激光掃描技術(shù)進行深入研究對測量工作有著重要的意義。
　　
　　參考文獻：
　　
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