三维激光扫描
9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用
三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距、和反射强度，自动存储并计算，或得点云数据。最远测量距离可达数千米，最高扫描频率可达每秒几十万，纵向扫描角θ接近90o，横向可绕仪器竖轴进行360o全圆扫描，扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机，外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。点云数据经过计算机处理后，结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。
目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美国的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech 公司等。它们各自产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。
一、地面三维激光扫描仪测量原理
无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。
地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。
1.测距原理
激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前，测距方法主要有脉冲法和相位法。
脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标反射后到达接收系统，
c?Δt，设测量距离为S，测得激光信号往返传播的时间差为Δt，则有：S=1
2
可以看出，影响距离精度的主要因素有c和Δt。
相位法测距使用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差，间接测定往返时间，并进一步计算出被测距离。相位型扫描仪可分为调幅型，调频型，相位变换型等。这种测距方式是一种间接测距方式，通过检测发射和接受信号之间的相位差，获得被测目标的距离。测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究，精度可达mm级。
脉冲法和相位法测距各有优缺点，脉冲测量的距离最长，但精度随距离的增加而降低。相位法适用于中程测量，具有较高的测量精度。
2.扫描和测角原理
三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。目前，扫描控制装置主要有摆动平面扫描镜和旋转正多面体扫描镜。
三维激光扫描仪的测角原理区别于电子经纬仪的度盘测角方式，激光扫描仪通过改变激光光路获得扫描角度。把两个步进电机和扫描棱镜安装在一起，分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制微电机，它可以实现对激光扫描仪的精确定位。
3.定向原理
三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。
二、地面三维激光扫描仪特点
1.非接触测量
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量无须反射棱镜对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标及人员难以达到的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
2.数据采样率高
目前采用脉冲激光的三维激光扫描仪采样点速率可达数十万点/秒，而采用
相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数百万点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。
3.高分辨率、高精度
三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进
行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。
4.数字化采集，兼容性好
三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字化特征，易于后期处理及输出。
三、地面三维激光扫描仪的点云数据
点云数据是指通过3D 扫描仪获取的海量点数据。以点的形式记录，每一个
点包含有三维坐标，有些可能含有颜色信息或者反射强度信息。颜色信息通常是
通过相机获取彩色影像，然后将对应位置的像素的颜色信息赋予点云中对应的点。强度信息的获取是激光扫描仪接收装置采集到的回波强度，此强度信息与目标的表面材质、粗糙度、入射角方向以及仪器的发射能量、激光波长有关。
一般扫描仪采用内部坐标系统：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12-23所示。测量每个激光脉冲从发出经被测被测物体表面再返回仪器所经过的时间（或者相位差）来计算距离S ，同时内置精密时钟控制编码器，同步测量每个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，因此，任意一个被测点云P 的三维坐标为
{
x p =S ·cos θ·cos α
y p =S ·cos θ·sin αz p =S ·sin θ 全站仪或GPS RTK 地形测量都是单点采集，速度缓慢，加上必要的准备工作
和内业的数据处理，要完成一个地形区域的全部测量工作需要较长的作业工期。对于地貌的测绘也仅限于地貌特征点的数据采集，没有地形细节描述数据，因而无法了解测区地形的详细状况。
利用三维激光扫描技术制作的地形图精度优于全站仪或GPS RTK 地形测图，
且可大大缩短外业工作时间将大部分时间转为在软件中对扫描数据的内业处理。基于三维激光扫描的地形测绘成图技术的应用，改变了传统测绘的作业流程。是相关外业测绘流程大大简化，外业人员的劳动强度大大降低，内业处理的自动化
程度也显著提高。三维激光扫描技术还应用于测绘行业的其他方面，主要包括建筑测绘、道路测绘、矿山测绘、文物数字化保护、数字城市地形可视化等。
四、地面三维激光扫描仪用于等高线地形测量
由于地面三维激光扫描仪测距范围以及视角的限制，要完成大场景的地面完整的三维数据获取，需要布置多个测站，且需要多视点扫描来弥补点云空洞。地面三维激光扫描仪是以扫描中心为原点建立的独立局部扫描坐标系，为建立一个统一的测量坐标系，因此，需要先建立地面控制网，通过获取扫描仪中心与后视标靶坐标，将扫描仪坐标系转换到控制网坐标系，从而建立起统一的坐标系统。
1.数据采集
地面点云数据的采集主要分为包括踏勘、控制网布设、标靶布设、扫描作业等4个步骤。
（1）场地踏勘
场地踏勘的目的是根据扫描目标的范围、形态及需要获取的重点目标等，完成扫描作业方案的整体设计，其中主要是扫描仪设站位置的选择。扫描测站的设置应满足以下要求：
●相邻扫描站点之间有适度的重合区域
布设扫描站要考虑尽量减少其他物体的遮挡，且测站之间要有一定的重合区域，以保证获取点云的完整性及后续配准的可能性。
●扫描站点距离地面目标的应选择适当
根据所使用仪器的参数，扫描的目标应控制在扫描仪的一般测程之内以保证获得的点云数据的质量。
（2）控制网布设
对大场景可采用导线网和GPS控制网等，对扫描仪测站点与后视点可用GPS RTK进行测设。若采用闭合导线形式布设扫描控制网，控制点之间通视良好，各控制点的点间距大致相同，控制点选在有利于仪器安置，且受外界环境影响小的地方。平面控制可按二级导线技术要求进行测量，高程可按三等水准进行测量，经过平差后得到各控制点的三维坐标。
（3）靶标布设
扫描测站位置选定后，按照测站的分布情况进行靶标的布设。现有靶标主要
有平面靶标、球形靶标、自制靶标，如图12-24所示。平面靶标与自制靶标属于单面靶标，当入射偏角较大时，容易产生较大的测量偏差或无反射信号，且容易产生畸变，不利于后续的靶标坐标提取，球形靶标具有独特的优点，因为它是一个球体，从四周任意角度扫描都不会产生变形，所以基于球形靶标提取的靶标坐标精度较高，配准误差较小。
通过靶标配准统一各测站点云坐标时，靶标的布设具有一定的要求，具体如下：
a.相邻两侧站之间至少需扫描3个或3个以上靶标位置信息，以作为不同测站点间点云配准转换的基准；
b.靶标应分散布设，不能放置在同一直线或同一高程平面上，防止配准过程中出现无解情况；
c.在条件许可的情况下，尽量选择利用球形标靶，这不仅可以克服扫描位置不同所引起的标靶畸变问题，同时也可提高配准精度。
（4）扫描作业
扫描的目的是为了获取地形的三维坐标数据，建立精确的数字地面模型，提取等高线为工程应用等方面服务。扫描点云数据配准统一坐标时，每个测站至少需要3个靶标参与坐标转换，每次测站扫描的点云坐标通过靶标中心坐标进行转换，因此，多个测站点云数据的配准不产生累积误差。如图12-25所示，测站1与测站2附近分别放置4个球靶标，扫描仪同时扫描4个球靶标，通过球靶标上点云拟合出靶标中心坐标，然后采用全站仪观测球靶标中心在控制网中的坐标，通过两组公共坐标计算出坐标转换参数，将每个测站扫描的点云坐标转换为控制网的统一坐标。
根据场地实际情况确定扫描方案后，在设置好的每个扫描测站中，应采用不同的分辨率进行扫描，首先以非常低的分辨率（如1/20的分辨率）扫描整体场景，然后选择欲采集区域，按照正常分辨率（如1/4的分辨率）扫描该区域，这样一站扫描结束后分别保存区域点云文件。在提取扫描测站点与后视靶标坐标时，应确保提取精度，否则无法将各测站的点云转换到同一个坐标系统，图12-26为某山体扫描现场。
2.点云数据处理
三维激光扫描数据的处理是一项十分复杂的研究内容。从三维建模过程来看，激光扫描数据处理可分为以下三个步骤：点云数据的获取、点云数据的加工处理、建立空间三维模型。根据数据处理的研究主题可进一步细分为：点云数据获取、点云数据配准、点云数据分析、点云数据缩减、点云分层、等高线拟合、建立空间三维模型和纹理映射等方面，如图12-27为点云数据处理框图；图12-28为某山体的点云图及该山体的等高线地形图。
9.4 数字摄影地形测量
一、外业控制测量
摄影测量绘制地形图需要有相片控制点。相片控制点的测量分别为全野外布点测量和非全野外布点测量。全野外布点测量是指通过野外控制测量获得像片控制点而不需要内业加密，直接提供内业测图定向或纠正使用。非全野外布点是在野外测定少量控制点，然后在内业采用空中三角测量加密获得测图或纠正所需要的全部控制点。非全野外像片控制点的布设分航线网布点和区域网布点。航线网布点如图12-29所示，按航线分每段布设6个平高控制点。区域网布点，区域的航线数一般为4-6条。区域网布点，可沿周边布设平高控制点，内部可加布适当数量的平高控制点和高程控制点，区域网的航线数和控制点之间的基线数应满足有关规范要求。
像片平面控制点的点位目标应选择在影响清晰的明显地物上，宜选在交角良好的细小线状地物交点、明显地物折角顶点、影像小于0.2mm的点状地物中心。像片高程控制点的点位目标应选在高程变化较小的地方。像片控制点应选择影像最清晰的一张像片作为刺点片，刺点误差和刺孔直径不应大于0.1mm。
像片控制点的外业测量方法可根据测区实际情况，在已有控制点的基础上，平面控制测量采用导线测量、交会法测量以及卫星定位测量方法；高程控制测量采用水准测量、三角高程测量方法。
二、空中三角测量
空中三角测量是摄影测量加密控制点的一种方法。根据少量的野外控制点，在室内进行控制点加密，求得加密控制点的平面位置和高程的测量方法。其目的
是提供测图或纠正所需要的控制点。空中三角测量目前采用解析空中三角测量。它是根据像片上量测的像点坐标和少量地面控制点，用计算机解算待定点的平面位置和高程。
解析空中三角测量根据平差范围的大小，可分为单模型法、单航带法和区域网法。单模型法是在单个立体相对中加密控制点。单航带法是对一条航带进行处理。区域网法是对由多条航带连接成的区域进行整体平差，这样能尽量减少对地面控制点数量的要求。
三、外业像片调绘
像片调绘是以像片判读为基础，把像片上的影像所代表的地物识别和辨认出来，并按照规定的图式符号和注记方式表示在航摄像片上。像片调绘可采用先航测内业判读测图，然后到野外对航测内业所成线划图进行补测、调绘的方法；也可采用全野外像片调绘或室内相片判读与野外像片调绘相结合的方法。当采用先内业判读测图后野外调绘的方法时，应在野外对航测内业成图进行全面实地检查、修测、补测、地理名称调查注记、屋檐改正等工作。
像片调绘应采用放大片调绘，放大倍数视地物复杂程度而定，应配备一套像片以供立体观察。像片调绘的内容按地形测量规定的要素进行调查和注记。对于新增地物、内业漏绘或影像不清晰的地物，应采取实测坐标或距离交会的方法进行补测。
四、内业测图
航空摄影测量成图根据成图仪器和设备的不同，立体测图方法分为模拟法测图、解析法测图和数字法测图，目前已基本使用数字法测图。
数字摄影测量内业测图由数字摄影测量工作站来实现。数字摄影测量工作站硬件由计算机及其外部设备组成，软件由数字影像处理软件、模式识别软件、解析摄影测量软件等组成。工作站的主要功能有：影像数字化、特征提取和量测、相对定向和绝对定向、空中三角测量、影响匹配、建立数字地面模型、自动绘制等高线、制作正射影像图和数字测图等。