三维激光扫描技术原理和应用探析

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1、三维激光扫描技术原理和应用探析　　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:Thispaperdescribedthephotographicmeasurementprincipleinthethree-dimensionallaserscanningsystem,anditsprinciplesand

2、techniquesarebrieflydescribed.Thenthepaperfocusedonthethree-dimensionallaserscanningsysteminthespatialdataaccessandprotectionofancientbuildingsandtheapplicationoftheory,brieflyanalyzedthekeytechnologies.Keywords:photogrammetry,three-dimensionallaserscanning,t

3、hree-dimensionalpositioning,measurementaccuracy中图分类号：E933.43文献标识码：A1引言近年来，以激光阵列距离扫描仪(LaserRange9Scanner，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（digitalsurfacemodel，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

4、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

5、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GPS9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

6、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

7、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=9S*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

8、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