三维激光扫描仪关键技术应用与研究

[摘要]基于三维激光扫描仪的基本方法与基本原理，重点分析了其关键技术。通过外业数据采集以及内业数据处理，实现了三维立体模型的建立。

[关键词]三维激光扫描仪 点云 关键技术

[中图分类号] P228.5 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-175-1

1引言

随着测量技术的飞速发展，地理信息数据的采集方式也发生了革新。三维激光扫描技术，是近几年来发展起来的一种新的激光测量技术。三维激光扫描技术，主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行进一步的分析和数据处理。其应用范围与近景摄影测量大致相同，但激光扫描系统具有精度高、测量方式更加灵活、方便的特点。本文基于三维激光扫描仪内外业的基本原理，介绍了该技术的一般操作流程，重点分析了点云处理的一般步骤。

2三维激光扫描仪外业数据采集

采集点云的激光扫描仪通常有两种原理，一种根据三角形测距原理，得到的三维坐标非常精确，但只适合扫描比较小的区域；另一种时脉冲激光测距技术，扫描的区域比较广，精度比三角法稍低，适合大场景的三维建模。其一般操作流程如图1所示。

地面三维激光扫描精细地形测绘步骤：①外业数据采集；②点云数据配准；③地物的提取与绘制；④地貌数据获取（非地貌点云数据剔除）；⑤等高线生成（一般将剔除非地貌因素后的点云数据按地形测绘要求的密度进行抽稀，最后将数据导入到大比例尺数字测图软件中，自动生成等高线）；⑥地形图编辑。

3内业数据处理的关键技术

3.1点云数据配准

被扫描的物体通常比较复杂，而一次扫描只能得到被测物的一个面的三维数据，要得到整个物体的表面模型，必须从不同的视点（也就是不同的位置和方向）采集物体的三维模型，把得到的数据合并起来，得到物体完整的表面模型。

标靶：靶标按作用可分为拼接标靶和控制标靶，拼接标靶用来进行两站的点云数据配准，控制标靶用来纠正点云数据到真实坐标。拼接标靶和控制标靶均需采取较高分辨率的进行扫描，以便能准确地提取靶标中心点。控制标靶可采用平面靶标，并采用全站仪进行测量，以获取其在控制网坐标系下的坐标。为了防止靶标挪动和丢失，靶标测量在一站扫描结束后立即进行。拼接的方法：（1）直接法地理坐标转换（这种方法要求扫描仪具有对中、整平和定向的装置并能够获得仪器的高度，将这些数值输入软件便可以得到外部绝对坐标系的点云坐标）；（2）间接法的地理坐标转换（至少三个连接点来将相邻测站的有一定重叠的点云进行拼接，连接点可以使用专用的标靶）；（3）间接法的地理坐标转换，利用特征点（如窗户的边界、转角点等） 作为拼接时的连接点。

3.2点云数据处理阶段

主要是在地面激光三维扫描仪自带点云处理软件（如Leica ScanStation C10的Cyclone软件）或者第三方软件（如Geomagic软件）中根据点云数据建立相应的三维模型；点云数据处理一般包含下面几个步骤：噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构。当两片扫描得到的深度数据配准到同一坐标系后，其重合的部分必然会有两层数据，这就带来了数据的冗余和不一致。于是，就需要将这两片数据融合成一片。另外，由激光扫描得到的深度数据一般都是离散的点云，它们不能真实准确的表示实际物体和场景的表面。利用点云构建三角网格则是一种常用有效的方法。建网后的模型可以很好的逼近实物或场景的表面。

目前散落数据点集的三角划分方法主要有二维和三维两种。二维划分比较常见，将空间数据点向二维平面投影后进行，当处理空间单项投影有重叠的多值曲面的散落数据点时需要进行分片向合适的平面投影，分别进行三角划分。对平面上点的三角剖分常用Delaunay三角化方法，其中又有最小内角最大准则、圆准则、PLC准则等一些优化准则。在得到网格模型之后，网格上一般还有很多问题，如需要对因数据采集设备的限制以及数据配准和建网时带来的误差积累带来的噪声进行降噪处理。

另外由于模型自遮挡或者数据采集环境的限制，模型的有些部分可能会缺失，这就是模型上的空洞，通常要对有些空洞进行补洞操作。

3.3纹理映射

经过前面的过程可以得到场景的几何模型，它们已经具有了很好的几何准确性。但为了满足可视化的需要，我们还须对几何模型赋以颜色从而能够绘制成具有色彩真实感的三维模型。这就需要将拍到的场景的一系列彩色照片映射到几何模型上，也就是要解决一个由照片到几何的映射问题。在较通用的三维模型处理软件（如3ds Max）中进行纹理贴图和模型优化处理，包括拓扑错误检查、漏洞修补、模型平滑简化等，以便效果较好的模型导出至三维GIS平台（如Skyline和Uniscope等）。

4结语

三维激光扫描技术是一门新兴的技术，是继GPS技术之后出现的又一次技术革命，也是目前最先进的测绘技术之一。由于地面三维激光扫描技术能够高速度、高精度、高密度的获取物体表面的三维空间坐标，且无需接触被测物体，该技术已广泛应用于三维建模之中。本文介绍了三维激光扫描仪的基本原理以及关键技术，重点分析了内外业关键步骤，通过说明各个流程，提供了该项技术的一些参考依据。

参考文献

[1]张瑞菊，王晏民，李德仁.快速处理大数据量三维激光扫描数据的技术研究[J].测绘科学，2006，（5）：93-94.

[2]周源.基于三维激光扫描的近景摄影测量系统的研究[D].河南：中国人民信息工程大学.2004.