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三維激光掃描儀技術原理
來源： 閱讀：434 發(fā)布時間：2023-03-02 11:10:00
三維激光掃描儀技術原理
三維激光掃描技術簡介：
地面三維激光掃描技術的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的誕生為代表，有人稱 “三維激光掃描系統(tǒng)”是繼 GPS (Global Position System) 技術以來測繪領域 的又一次技術革命。三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為 “實景復制技術”，是繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術革新，將使測繪數(shù)據(jù)的獲取方法、 服務能力與水平、數(shù)據(jù)處理方法等進入新的發(fā)展階段。 
傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法， GPS測量都是基于點的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點的結合。三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、適應性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用， 無需復雜的費時費力的數(shù)據(jù)后處理；且無需和被測物體接觸， 可以在很多復雜環(huán)境下應用；并且可以和 GPS等集合起來實現(xiàn)更強、 更多的應用。三維激光掃描技術作為目前發(fā)展迅猛的新技術，必定會在諸多領域得到更深入和廣泛的應用。
對空間信息進行可視化表達，即進行三維建模，通常有兩類方法： 基于圖像的方法和基于幾何的方法?；趫D像的方法是通過照片或圖片來建立模型， 其數(shù)據(jù)來源是數(shù)碼相機。而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數(shù)據(jù)來建立三維模型，這種方法含有被測場景比較準確的幾何信息。 
三維激光掃描儀的分類： 
三維激光掃描儀按照掃描平臺的不同可以分為：機載(或星載) 激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。 
三維激光掃描儀作為現(xiàn)今時效性較強的三維數(shù)據(jù)獲取工具可以劃分為不同的類型。通常情況下按照三維激光掃描儀的有效掃描距離進行分類，可分為： 
（1）短距離激光掃描儀：其max掃描距離不超過3m，一般較佳掃描距離為 0.6～1.2m，通常這類掃描儀適合用于小型模具的量測，不僅掃描速度快且精度較高，可以多達三十萬個點精度至± 0.018mm。
（2）中距離激光掃描儀：max掃描距離小于 120 m的三維激光掃描儀屬于中距離三維激光掃描儀，其多用于大型模具或室內空間的測量。
（3）長距離激光掃描儀 : 掃描距離大于 270m的三維激光掃描儀屬于長距離三維激光掃描儀，其主要應用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測量。
（4）超長測程激光掃描儀：max掃描距離通常大于  1 公里，并且需要配備準確的導航定位系統(tǒng)，其可用于大范圍地形的掃描測量。
之所以這樣進行分類， 是因為激光測量的有效距離是三維激光掃描儀應用范圍的重要條件，特別是針對大型地物或場景的觀測，或是無法接近的地物等等，這些都必須考慮到掃描儀的實際測量距離。此外，被測物距離越遠， 地物觀測的精度就相對較差。因此，要保證掃描數(shù)據(jù)的精度， 就必須在相應類型掃描儀所規(guī)定的標準范圍內使用。 
三維激光掃描儀工作原理： 
無論掃描儀的類型如何， 三維激光掃描儀的構造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構造是由一臺高速準確的激光測距儀， 配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光， 同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點與測站的空間相對坐標。 
如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。以徠卡某型號三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達轉動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點云數(shù)據(jù)。 
地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后， 沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器， 可以計算日標點 P 與掃描儀距離 S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值 α和縱向掃描角度觀測值 β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內， Y 軸在橫向掃描面內與 X 軸垂直，Z 軸與橫向掃描面垂直。獲得 P 的坐標。 
整個系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、 數(shù)碼相機、后處理軟件、 電源以附屬設備構成，它采用非接觸式高速激光測量方式， 獲取地形或者復雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型， 以多種不同的格式輸出， 滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應用的需要。 
目前階段，需要通過兩種類型的軟件才能使三維激光掃描儀發(fā)揮其功能： 一類是掃描儀的控制軟件；另一類是數(shù)據(jù)處理軟件。前者通常是掃描儀隨機附帶的操作軟件，既可以用于獲取數(shù)據(jù)， 也可以對數(shù)據(jù)進行相應處理， 如Leica掃描儀附帶的軟件 Cyclone；而后者也有一部分是第三方廠商提供， 主要用于數(shù)據(jù)處理。
三維激光掃描技術應用領域： 
最近幾年，三維激光掃描技術不斷發(fā)展并日漸成熟， 目前三維掃描設備也逐漸商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，  不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點云數(shù)據(jù)。這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為當前研究的熱點之一， 并在文物數(shù)字化保護、土木工程、工業(yè)測量、自然災害調查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領域有廣泛的應用。 
（1）測繪工程領域 ：大壩和電站基礎地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道地下工程結構、測量礦山及體積計算。
（2）結構測量方面：橋梁改擴建工程、橋梁結構測量、結構檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內部設備的測量；管道、線路測量、各類機械制造安裝。 
（3）建筑、古跡測量方面：建筑物內部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護測量、文物修復，古建筑測量、資料保存等古跡保護， 遺址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護性影像記錄。 
（4）緊急服務業(yè)：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監(jiān)視，移動偵察，災害估計，交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災監(jiān)控，滑坡泥石流預警，災害預警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。 
（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設計，為電影演員和場景進行的設計，  3D 游戲的開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游指導，人工成像，場景虛擬，現(xiàn)場虛擬。 
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