三维激光扫描技术原理及应用探讨

摘要： 本文主要介绍了基于摄影测量原理的三维激光扫描系统，并对其原理和技术进行了简要的描述，着重讨论了三维激光扫描系统在空间数据获取和古建筑保护方面的应用及其理论，并简要分析了其中关键技术。

关键词： 摄影测量，三维激光扫描，三维定位，测量精度

Abstract: This paper described the photographic measurement principle in the three-dimensional laser scanning system, and its principles and techniques are briefly described. Then the paper focused on the three-dimensional laser scanning system in the spatial data access and protection of ancient buildings and the application of theory, briefly analyzed the key technologies.

Keywords: photogrammetry, three-dimensional laser scanning, three-dimensional positioning, measurement accuracy

中图分类号：E933.43文献标识码：A

1 引言

近年来，以激光阵列距离扫描仪(Laser Range Scanner ，又称为激光雷达) 为代表的高新技术将在多等级三维空间目标的实时获取方面产生重大突破。其中，机/星载系统结合其他定位（如INS ，GPS）及遥感等高新技术，可进行大范围数字地表模型（digital surface model，DSM）的高精度实时获取。这种系统可部分穿越树林遮挡，直接获取真实地表的高精度三维信息，这是传统的摄影测量方法无法取代的。其中，地面车载或移动系统可用于城市道路、堤坝、隧道及大型建筑物等复杂三维空间目标的实时监测与模型化，是建立三维城市GIS 最迫切需要的技术之一[1]。

在空间数据的测量中，获取三维数据是一个重要的工作，三维测量目标包括空间精细的物件，也可以是高大的建筑物或庞杂的地形地貌等现实世界的各种形体。如何准确、有效地从实物样件上采集复杂三维表面数据，进而能快速地变成高质量的计算机软件中的三维数学模型目前仍然存在很大的障碍。三维激光扫描技术可以应用于文物保护、城市测绘、GIS数据获取、工程测量、地形测量等各种测量领域，可发挥较大的经济和社会效益。

2 三维激光扫描技术原理

三维激光扫描技术属于非接触式测量方式，其主要特点是无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用，并且可以和GPS 等集合起来实现更强、更多的应用。三维激光扫描测量技术是迅速发展起来的一项高新技术，西方发达国家已将这一先进技术用于对地观测系统和快速获取特定目标的立体模型中。利用激光三维扫描仪对物体的表面进行扫描测量，就可以得到大量表面点的三维数据，这些数据是进行三维建模的依据。

三维激光扫描系统的工作过程是一个不断重复的数据采集和处理过程，它采用仪器坐标系下的三维空间点组成的点云图来表达对目标物体采样的结果。三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。通过测量扫描仪到目标点的距离值和激光束的水平方向值和竖直方向值计算激光脚点的三维坐标。

脉冲激光测距的原理是：扫描仪的发射器通过激光二极管向目标发射近红外波长的激光束。激光经目标物体的漫反射，部分反射信号被接收器接受。通过测量信号在仪器和目标物体表面的往返时间，计算仪器和点间的距离[2]。

三维激光扫描系统通过数据采集获得测距观测值S，激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统，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，如图1所示。由此可得到三维激光脚点坐标的计算公式：X = S*cosθcosα，Y = S*cosθsinα，Z = S*sinθ。

图1三维激光扫描系统测量原理

3 三维激光扫描系统的应用探讨

3.1 应用工作流程

三维激光扫描系统的工作流程分为:测站设计、扫描、控制标靶中心的获取、坐标配准、三维建模几个部分[2]。主要介绍如下：

1．测站设计

根据扫描目标的位置、大小、形态和需要获取的重点属性设计各扫描站和控制标靶的位置。要求每站之间至少有三个控制标靶重合，通过控制点的强制符合，以确定两个测站点云数据符合所需的7个自由度，使点云数据最终能够统一到一个仪器坐标系统下。

2．扫描

在选定的测站上架设扫描仪,调整好仪器的姿态。将扫描仪和笔记本使用网线连接，打开扫描仪的电源。启动Cy2clone软件，建立笔记本与扫描仪的通讯，扫描过程由Cy2clone软件控制，通过集成的数码相机拍摄扫描对象的影像，在影像上选取扫描区域。扫描仪根据软件环境中设置的参数（行、列数和扫描的分辨率等）自动进行扫描。

3．控制标靶中心的获取

每测站完成扫描后，均需要对控制标靶进行精细扫描。该扫描过程通过选取控制标靶区域内的点，为每个标靶设置唯一的标识，然后通过精细扫描该区域确定控制标靶的中心点，相同的控制标靶在不同测站中的标识必须相同。

4．坐标配准

坐标配准的基本方法有三种：配对方式、全局方式和绝对方式。前两种属于相对方式，它是以某一扫描站的坐标系为基准，其它各站的坐标系统都转换到该站的坐标系统下。

这两种方式的共同表现是：在实施扫描的过程中，所设置的控制点或标靶在扫描前其坐标均未知。而第三种方式，则在扫描前，控制点的坐标值已经被测定，在处理扫描数据时，各测站都需要转换到控制点所在的坐标系中。一般说来，前两种方式的处理，其相邻测站间往往需要部分重叠，而最后一种方式的处理，则不一定需要测站间的重叠。工程应用中常用的坐标配准方法为配对方式。

5．三维建模

利用Cyclone软件提供的丰富的点云数据处理功能，通过选取、截取、围栏选定的点云数据匹配生成面和复杂形体表面的不规则三角网（TIN），建成三维模型。

3.2 古建筑保护方面的应用

古建筑数据的准确采集和处理是进行数字化文物保护的前提和基础，地面三维激光扫描技术能快速完成实体表面数据点的扫描测量工作，获得大量精确、密集的三维坐标点云数据，并将这些复杂、不规则的三维数据完整地采集到电脑中，进而构建出实体表面的三维模型。点云文件能以坐标测量、切片浏览、表面处理和三维建模四种使用方式满足文保研究工作的需求，在古建筑测量方面得到了越来越广泛的应用。

根据扫描需求，确定扫描总站数和扫描仪安放位置，依据扫描方案依次完成扫描。由其扫描所得的初步资料是一群密布点云的三维坐标群，这些点云需使用后处理软件进行拼接与去噪才能得到适用的空间信息。点云数据采集与处理以后，要对数据进行坐标转换[6]。由于大型复杂的建筑物是以分块多测站的形式扫描的，而每个测站扫描后所得到的影像都是在以测站为坐标原点的独立坐标系下的图像，所以需将所有分站扫描得到的影像归化到同一坐标系下，从而完成各测站的独立坐标系向统一坐标系的转换。进行坐标转换以后的数据，是具有精确地理坐标的点云数据模型，可以被以任意方式进行剖切表现[7,8]。点云模型还可输出导入到传统的计算机辅助绘图设计软件和GIS 软件中，如AutoCAD、ArcGIS等。

建筑物模型重建的主要目的是恢复建筑物屋顶的每一个面片的高度、形状、位置、方向，以及面片之间的关系。通过建筑物阶跃边缘特征和屋顶面片的检测处理，可以基本上提供建筑物模型重建所需的元素，然后需要将这些元素组合成为建筑物模型。阶跃边缘和屋脊线提供了建筑物的线特征，但是这些特征没有连接起来成为闭合的区域。屋顶面片提供了每一个屋顶的方向和大致的边界，但是，对于与具有规则几何形状的建筑物模型的目标之间，仍然有一定的距离[9]。

古建筑物扫描所得结果需要进行处理和保存，可以建立古建筑数据库组织和管理。该数据库应该是空间位置信息与属性信息的有机结合，即空间数据库和属性数据库，前者由栅格数据和矢量数据组成，后者可根据文物保护工作设计，如：建筑面积、材质、位置、历史文化信息等。

目前要解决的问题就是：如何利用这些特征线和屋顶面片的点，在保证面片之间邻接关系的前提下，恢复出每一个面片的边界。屋顶面片和特征线均通过自动处理获取，虽然前文采用多种手段进行处理以提高检测的效果，但总是或多或少地存在一定的问题，如：漏检测、坐标偏差，以及碎片等。也就是说，已有的数据是不完备的，需要从这些不完备的数据中恢复建筑物模型。分裂合并算法是解决这类问题的一种重要而有效的方法，武汉大学的黄先锋博士提出了利用已有的建筑物特征线，通过BSP树进行约束对屋顶面片进行分裂合并处理的建筑物模型重建方法[10]。

4 总结

三维激光扫描技术可以快速获得物体表面的三维坐标，对三维重建的质量有重要的意义，它的应用日益广泛。本文在对三维激光扫描系统原理和技术介绍的基础上，探讨了该系统在空间数据获取、古建筑物保护方面的应用，并分析了各种应用中的特点、原理和存在的主要问题。

参考文献

[1] 李清泉, 李必军, 陈静. 激光雷达测量技术及其应用研究[J]. 武汉测绘科技大学学报, 2000, 25(5)

[2] 范海英. 三维激光扫描系统的应用研究[J]. 辽宁科技学院学报, 2009 2(11)：34-35

[3] 王建文，李青. 对三维激光扫描系统的研究和改进[J]. 计算机工程与设计, 2009

[4] 吴险峰. 三维激光彩色扫描仪关键技术研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2004

[5] Rau, J.-Y. and L.-C. Chen. Robust Reconstruction of Building Models from Three-Dimensional Line Segments[J]. PE&RS 2003, 69(2)

[6] 邢昱，范张伟，吴莹. 基于GIS与三维激光扫描的古建筑保护研究[J]. 地理空间信息, 2009 7(1)：88-91

[7] 周波，李东辉，聂楠楠. 摄影测量中一种新的编码点识别和提取算法. 自动化与仪器仪表. 2009 2：75-77，99

[8] 孟放. 大型三维点云数据的交互绘制研究[D]. 北京: 北京大学, 2005

[9] Kang ying Cai, W. Wang, et al.(2003).A Single-pass Approach to Adaptive Simplification of Out-of-core Models[J]. International Journal of Image and Graphics 2003, 3(2)

[10] 黄先锋. 利用机载LIDAR数据重建3D建筑物模型的关键技术研究[D]. 武汉: 武汉大学, 2006