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浅析三维激光扫描仪的数据建模
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基于激光扫描技术的三维模型重建
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你可能喜欢三维地面激光扫描技术的应用进展
作者:刘昌军（中国水利水电科学研究院） 浏览量:4817人
&&& 20世纪中后期，随着光学、电子学的不断发展，激光雷达测量技术在全球范围内得到飞速发展，应用领域日益拓宽，在地形测绘、城市管理、灾害监测、遗产保护等方面发挥着越来越重要的作用，并产生了巨大的经济效益。
&&& 按照载荷平台的差异，激光雷达主要分为地面激光雷达、机载激光雷达和激光高度计三类。其中地面激光雷达通常被安置地面三角架上或者移动车上，机载激光雷达主要在飞机、热气球等移动搭载平台上进行应用。激光高度计主要利用激光的测距功能，已经广泛应用于月球或火星表面三维测绘等深空探测工程中。本文主要介绍地面激光雷达原理、方法和应用领域及前景等。
&&& 近年来国外对地面激光扫描技术研究相对成熟，我国激光雷达系统研究与应用相对落后。在上世纪90年底，我国激光雷达技术在不断的发展，对雷达系统研制、数据处理及应用研究正形成新的高潮。自2004年底我国从国外购买第一套机载雷达系统至今，多家单位先后引进国外机载雷达设备近20套，显示了我国对激光雷达技术的强烈需求。自2005年开始，科技部、中国科学院等资助了多家单位进行激光雷达硬件系统的研制，已经取得了较好的成绩；部分企业也开始了地面激光雷达的研发，且取得了较好的成绩。在数据处理和应用方面，已经不是简单利用单一的点云数据或构建地面数字模型，而是向多源数据融合以及更深入的应用发展。
地面激光雷达扫描设备及技术原理
&&& 三维激光扫描设备
&&& 目前国内外地面激光雷达设备生产厂家主要有主要有REIG、I-SiTE、Leica、OPETCH、Faro、Trimble等，国产设备厂商诸如南方测绘等也都在下大力度进行研制，目前已陆续突破核心技术。
&&& 三维激光扫描技术原理
&&& 三维地面激光扫描仪一般由激光测距仪和反射棱镜组成，激光测距仪一方面主动发射激光，另一方面同时接收被测问题反射的激光信号，根据光速和激光来回时间差进行测距。由设备中心点坐标、每个测点的斜距、水平垂直角方向角三个要素就可求得每个扫描点的空间坐标。
&&& 三维激光扫描仪扫描获得的基础数据是具有三维坐标的点云数据，这些离散点数据经过数据处理和加工后，即可得到满足生产应用的空间信息数据。对激光点云数据进行的后处理工作一般包括不同站点的点云数据的坐标转换和拼接，植被过滤和构网，点云合并和关键信息的提取、点云分割和建模等。
&&& 三维激光扫描系统一般是由计算机通过软件进行现场操控（新一代设备也可以直接在激光扫描仪上进行操控）。现场扫描可以根据被测物体的特点设置扫描精度、激光点云密度、扫描范围以及对被测物体进行精确扫描和粗扫描等。
&&& 三维激光扫描坐标系统及数据拼接
&&& 激光扫描获取的点云坐标是相对坐标，在实际应用中需要将各站获取的相对点云坐标转换成统一坐标系。另外还需要对不同站点的激光点云数据进行拼接。下面简单介绍激光扫描仪的坐标系统与海量激光点云数据的坐标拼接与转换方法。
&&& (1)三维激光测量坐标系统
&&& 激光扫描设备具有自身的坐标系统，其坐标原点为设备中心点位置，这个坐标系统成为扫描仪坐标系。为了将不同站点的相对坐标系转换为统一的坐标系统，三维激光设备一般会设立一个工程坐标系统。将各站点的坐标系统转换成统一坐标系统后，为了和其他测量成果兼容，还可以将工程坐标转换为大地坐标系。
&&& (2)不同坐标系统的坐标转换
&&& 为了将三维激光扫描数据的相对坐标系转换为工程坐标系或大地坐标系，需要利用不同坐标系统中的公共点坐标数据建立坐标转换矩阵。
&&& (3)不同站次拼接
&&& 由上节地面激光扫描仪测量原理可知，地面激光扫描仪获取的坐标是物体表面的相对坐标。对测量面积较大的区域，需要多站测量，并进行数据拼接。在工程应用中，往往需要转换为工程坐标系或大地坐标系。
&&& 三维激光测量的技术优势和缺点
&&& (1)三维激光扫描的技术优势：
&&&& *远距离非接触测量
&&& 三维激光扫描技术的最大特点就是远距离的非接触测量。三维地面激光扫描是直接利用发生激光器对物体进行测量，直接获取物体表面的三维激光点云坐标数据，不需要发射棱镜或人工到达现场进行测量。三维激光扫描系统获取的激光点云数据坐标真实可靠。可以用于危险地、人员难以到达等地方的远距离测量，比传统测量方法具有较大的优势。
&&&& * 数据密度大、速度快
&&& 无论是脉冲式激光扫描设备还是相位式激光扫描设备，激光扫描速度可达到数千点/秒甚至可以达到数十万点/秒。激光获取点云的扫描速度是传统方法不能比拟的。
&&& *自发激光
&&& 三维激光扫描设备通过激光发射器主动发射激光，利用回波信号得到被测物体的点坐标数据信息，现场测量时，不受外部环境的影响。
&&& *精度高
&&& 三维激光测量系统可以获取高密度和高精度的激光点云数据，采集到的激光点云数据分辨率也较高。
&&& *可与常规测量设备联合使用
&&& 三维激光扫描技术可以获取被测物体的多种信息，包括激光点云坐标、RGB信息和反射率信息等，这些信息大大扩展了三维激光扫描技术的应用范围，特别是和传统的全站仪、GPS等测量手段结合使用，进一步扩大了三维激光扫描技术的应用。
&&& (2)三维地面激光扫描技术的缺点
&&& 尽管地面三维激光扫描仪在众多行业中得到广泛应用，但地面三维扫描仪的使用受地形、天气和使用人员技术水平的限制，也存在众多不足，归纳如下：
&&& *精度难以校验。目前地面扫描设备多为封闭式系统，不同厂家使用的激光发射器不同，其测量精度也不同，再受到外部环境的影响，激光扫描精度通常难以检校。
&&& *后处理工作量大。由于激光获取了被测物体大量的信息数据，这些数据有些可用，有些不可用，对获取的点云数据的处理目前是影响该技术发展的一个重要因素。目前已有的后处理软件功能偏少（特别是专业应用功能）、数据处理量有限，且很多算法不够完善，造成了现场扫描容易，后期数据处理及应用较为困难。
&&& *操作规程和数据处理规范的缺乏。野外数据采集和数据处理受人员水平限制，精度和成果质量难以保证，需要对地面激光扫描进行测绘的标准化研究。
&&& *不同站次坐标拼接和植被过滤问题仍是地面三维激光扫描难以逾越的问题。
&&& *在一些特殊行业应用中，数据可重复性也受到一定的限制。
数据处理软件及存在问题
&&& 针对激光点云数据的数据管理和处理技术、不同行业应用的数据分析技术等技术难点，激光数据处理还存在设备精度标定、坐标拼接和转换、点云构网、植被分类、行业应用标准等问题。尽管国内外学者进行了大量的研究，取得了一定成果，但仍不能满足生产需要。
&&& 尽管三维激光扫描技术在各行业中得到广泛应用，但大多数都是直接应用国外成熟的软件进行数据采集和处理工作。目前国外成熟的地面激光扫描软件相对丰富。在国内，武汉大学率先开发了用于机载数据的处理软件，林业科学院针对林业的特点开发了用于林业方面的处理软件。中国水利水电科学研究院的刘昌军开发了海量激光点云数据处理软件和三维显示及测绘出图软件。
国内激光雷达的应用行业及应用前景
&&& 2007年以后三维激光扫描技术在各行业都有了广泛应用，主要包括以下几个领域：
&&& 第一，三维地面激光扫描技术在数字城市及三维建筑建模中应用。
&&& 三维激光扫描技术在数字城市和建筑中应用多为逆向工程建模，目的是重建实物的模型，获取相应的几何信息，通过对建筑物的建模，可真实的反映对象的纹理、尺度信息，并对模型的不同特征信息进行量测。
&&& 第二，三维激光扫描技术在文物保护中的应用研究。
&&& 三维激光扫描技术在文物保护方面的应用主要有文物信息留存、虚拟修复、文物变形监测、文物测量建模、石窟石刻文物保护测绘、馆藏文物保护与修复、大型文化遗产保护、文物体积计算、野外考古现场测量。三维扫描数字建模的意义是非常广泛和巨大的，具有较大的应用前景。
&&& 第三，三维激光扫描技术在市政道路、电力选线等方面的应用研究。
&&& 由于地面三维激光测量技术的扫描范围较小，不能大面积使用，目前在市政道路、电力选线方法应用主要使用的是机载雷达技术。不管机载还是地面激光扫描，其原理和获取的数据一样。
&&& 第四，三维激光扫描技术在地形勘测方面的应用研究。
&&& 三维激光扫描技术在岩土工程、水利工程方面有着广泛的应用，主要包括地形测量、高陡边坡滑坡监测、溃坝监测和堰塞湖调查、地质和危岩体调查、岩体结构面统计、复杂挖填方工程方量计算、坝体逆向工程建模等方面有着广泛应用。
&&& 第五，其他方面的应用研究。
&&& 三维激光测量技术在其它领域方面应用。对于短程扫描系统，其精度很高，适合许多高精度的测量，在医学和精密工业中有很好的应用，如外科整形、人体测量矫正手术、在线加工工业设计等。在改建及现场测绘工程，汽车在线加工，大型器件监测，船体测量，医学研究，食品，加工等方面有广泛的应用。三维激光扫描技术在林业也有着广泛的应用。
&&& 三维激光扫描技术无论从硬件和软件来说，都已具备一定的基础。随着三维激光扫描技术不断完善以及各行业的应用需求增大，特别是国产化设备和软件的突破和兴起，这种新技术的应用领域和范围也将会不断扩大，必将成为现代测绘领域中普遍使用的技术手段，具有重要的研究和社会价值。}