三维激光扫描技术的发展及应用本科论文
三维激光扫描技术的发展及应用
摘要：三维激光扫描技术是一种新型的测绘技术，被称为“实景复制”技术，是测绘领域继GPS开发之后后又一项技术革命，通过和传统的测量技术的比较，介绍了三维激光扫描仪的基本原理，技术特点，及其与传统测量比较的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效，快捷，精确，简便等特点，被广泛的应用于测绘行业各个领域。本文探讨了三维激光扫描技术在土地复垦领域的应用的优缺点，并且就瑞士Leica三维激光扫描仪及其数据处理软件Cyclone的操作流程进行探讨研究。本文主要介绍了三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、主要应用和发展方向等几方面的状况，重点介绍三维激光扫描技术在工程测量领域的应用。
关键词：三维激光扫描定义，工作原理，技术特点，主要应用，现状发展趋势引言：
近些年来，随着测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和逆向工程的需要相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域三维激光扫描技术。
主题
三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域GPS 技术之后的又一次技术革命。它是从传统测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展的，是对多种传统测绘技术的概括及一体化。三维激光扫描系统一般由扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统三部分构成，激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。
1.工作原理
三维激光扫描测绘技术的测量内容是高精度测量目标的整体三维结构及空间三维特性，并为所有基于三维模型的技术应用而服务；传统三维测量技术的测量内容是高精度测量目标的某一个或多个离散定位点的三坐标数据及该点三维特性。前者可以重建目标模型及分析结构特性，并且进行全面的后处理测绘及测绘目标结构的复杂几何内容。如：几何尺寸、长度、距离、体积、面积、重心、结构形变，结构位移及变化关系、复制、分析各种结构特性等；而后者仅能测量定位点数据并且测绘不同定位点间的简单几何尺寸，如：长度、距离、点位形变、点位移等。
三维激光扫描测量原理：每一个扫描云点的测量都是基于三角测量原理进行的，并且根据激光扫描的传感驱动进行三维方向的自动步进测量。三角测量原理的实现是通过激光发射器发出的激光束经过反光镜（三角形的第一个角点）发射到目标上，形成反光点（三角形的第二个角点），然后通过CCD（三角形的第三个角点）接受目标上的反光点，最后，基于两个角度及一个三角底边计算出目标的景深距离（Y坐标），再经过激光束移动的反光点的位移角度差及Y坐标等计算出Z，X坐标。参见图4。
反光镜的作用在于将激光束进行水平偏转，以便实现激光水平方向的扫描测绘功能。扫描仪主体本身的周向自旋转功能可以实现纵向的扫描，每当水平扫描一个周期后，扫描仪主题将步进一次，以便进行第二次水平扫描，如此同步下去，最终实现对所有空间的扫描过程。
每扫描一个云点后，CCD将云点信息转化成数字电信号并直接传送给计算机系统进行计算。进而得到被测点的三维坐标数据。
扫描仪采用自动的、实时的、自适应的激光束聚焦技术（在不同的视距中），以保证每个扫描云点的测距精度及位置精度足够高。它可以工作在非常广域的照度下及各种复杂环境中进行操作。
根据目标大小及精度要求，徕卡可以把不同视点采集的点云信息经过拼接处理后合并到同一个坐标系中，合并办法是通过多个定标球来完成的。
操作员使用一个便携计算机便可在现场遥控操作。传感器中的视频微摄像机可以提供实时获取观测景象。
视频摄像可以实时监测并遥视扫描过程，还可用来捕捉所需要的目标图象，以便后处理时的校准工作。
完整重建目标，仅仅从一个观测点扫描测绘目标数据是不够的，还必须在不同观测点进行扫描测绘，并且在同一个空间坐标系中合并后才能生成，MENSI 技术提供了人工辅助的自动合并功能，只要在扫描目标前规划好扫描内容并且设置好定标球便可。如图2-1。
如图2-2，将不同观测点扫描的点云内容在同一个空间坐标系中进行合并，然后在后处理软件功能模块中剪裁掉无关的部分，便得到所需的目标三维重建内容，接下来的工作是对点云质量进行处理（如图2-3），进行平滑、去噪、精度筛选、方差均值处理等，这样便得到可以用于各种应用目地的的工作如：测绘、计量等，如果再经过三维建模处理后，就可以在需要三维实体模型为基础的各种工作中扮演角色，如：可以转化给各种CAD软件进行处理、可转化给有限元分析软件进行各种应力分析处理、可转化给流体动力分析软件进行处理、可转化给检测软件进行结构分析检测用、可转化到三维设计软件中进行还原处理及逆设计逆向工程工作、可转化到虚拟现实软件进行三维可视化处理…，总之，基于点云及三维模型进行后处理加工的内容非常丰富，而且是目前很多领域的不可缺少的内容。
图 2-1
图 2-3
点云是由三维激光扫描的无数测量点数据构成的，而每个点坐标数据的质量都非常重要。如图2-4所示，处理技术在于它可以点云数据进行优化处理，如：基于精度分布形态来过滤噪音点或劣质点，从而提高重建目标的整体精度及质量。
图 2-4
2.三维激光扫描技术的特点
激光扫描技术发展的重大突破为获取高分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段，可广泛用于逆向工程、景观三维可视化、数字城市、军事侦察、
测绘等领域的空间信息快速获取{7}。激光扫描测量技术与传统测量技术相比有无法取代的优越性，如不受天气限制和非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据等。激光扫描测量测量技术在测绘领域应用的迅速发展，为测绘行业带来一场新的技术革命。
（1）高数据采样率。能高速获取大面积目标实体的空间信息。Leica Scan Station2脉冲式激光扫描仪扫描速率50000点/秒，HDS6000相位式激光扫描仪扫描速率500000点/秒，应用激光扫描测量技术进行目标实体空间三维信息的获取速度非常快，可以实时测定实体表面三维信息，进而可以应用于形变监测等领域。
（2）实时性、动态性、主动性。地面三维激光扫描系统通过主动发射激光信号，经反射棱镜发射和接收发射回来的激光信号来获得目标信息，不受外部光照、气压等条件的限制，能够全天进行实时观测。
（3）非接触性。三维激光扫描系统是通过发射脉冲信号和接收被测物体反射回来的脉冲信号对目标表面的形态信息进行获取和量测的。因而此过程中不需要人为的接触到被测量的物体，这使得该技术可以广泛应用于危险领域和测绘人员不可达到位置的测量等。
（4）穿透性。激光具有一定的穿透性，能穿透不太浓密的植被等到达目标实体的表面，瞬间获取目标实体的表面大量点云信息，这些点云信息能描述目标表面的不同层面的几何信息。
(5)具有精度高、密度大的特点。激光扫描测量技术能快速获取大面积的目标空间信息，通过对目标的直接扫描来描述目标特征，使用庞大的点阵和浓密的格网来获取目标信息，采样点之间的间距很小。
(6)激光扫描测量技术具有作业周期快，·易于更新，而且时效性强等特点，同时直接获取数字距离信号，全数字特征。
3.三维激光技术的应用
由于三维激光扫描仪技术特别适合于对大面积的表面复杂的物体进行精细测量，所以其应用范围极广。
文物修复：对受损的文物进行修复时，要求无接触测量，传统测量无法胜任，但现在可充分利用激光扫描仪的非接触测量特点以及高分辨率和高精度云点数据，获取建筑物表面的精细结构，提供修复数据，进行精细测量，对文物进行修
复。
边坡变形监测：三维激光扫描技术可以获取高密度，高精度的三维云点数据，因此，对边坡的变形监测能反映坡体的总体变形趋势和量级其操作过程是对边坡定期进行扫描，将前后两次扫描点云数据叠加在一起，然后由处理软件分析前后两次点云数据的差别，从而得出边坡的变形趋势和量级。
开采沉陷监测：由于三维激光扫描技术具有快捷高分辨率高精度等特点在进行开采沉陷监测是，可以对地表的移动进行观测可以快速获得整个目标区域的空间位置及垂直相对位置的变化从而确定整个地表移动区域的下沉情况。
城镇地籍测量：在以往的城镇地籍测量中，调查结果多为图件和报表形式，可用性差而三维激光扫描仪能够生成形象的三维图像，对获取的三维云点数据进行建模，方便在电脑上进行量测，精度也有了较大的提高当然，以上只是其部分应用由于其良好的技术优势，在逆向工程数字城市工业测量医学测量等不同领域均能得到很好的应用。
立体模型的建立：立体模型的建立是三维激光扫描技术的强项，主要用于物体立体模型的建立（房屋、桥梁、城堡、厂区设备等）、考古与文物保护、工业设备计测、三维数字地面模型建立、三维城市漫游建立，满足未来3D 数据采集等方面。
由于三维激光扫描技术具有良好的技术优势，已成为目前测绘领域的一个新的热点，虽然针对三维激光扫描系统的应用研究还处于初级阶段，但已在工程建设中得到了很好的应用随着研究的深入及与其他测量技术的结合，三维激光扫描技术的应用将更加广泛。
4.三维激光技术的发展趋势
激光三维探测技术作为光学探测技术的一个重要组成部分，己经在工业设计，工业制造，探测测量等方面取得了广泛的应用。它在不改变物体表面情况下对物体进行快速准确的测量，为工作人员提供了方便，具有很高的使用价值。但是当前一些专业的探测设备和技术都掌握在外国人的手中，我国这方面的研究还不够完善，也鲜见有国产的专业设备，因此在国内该课题的研究具有很光明的前景，很应该深入进行下去，并不断探讨一些新的方法，如相关立体法[f8)等。以后的激光三维探测技术必然向着高速，动态，通用，精确的方向发展。而设备将更
具智能化人工干预越来越少。同时由传统的单一线光源作探测为结构光，发展出其他多种形式(如光点阵列，彩色条纹等)，在更先进的硬件和算法软件的支持下，能适应更复杂多变的测量环境，甚至能远距离大规模的进行地形探测。因此该技术无论在民间，商业还是军事上都会有更广泛的应用。
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