三维激光扫描仪的原理及其应用

三维激光扫描仪

2.1三维激光扫描仪研究背景

自上个世纪60年代激光技术已经开始出现，激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展，实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球，数字城市等一系列概念的提出，我们可以看到：信息表达从二维到三维方向的转化，从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前，各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现，推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展，三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量，难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它可以采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。

其中，地面三维激光扫描技术的研究，已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。

2.2 三维激光扫描技术研究现状

2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍

随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大，生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司，美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。

图1-1 目前市场上几种三维激光扫描系统产品图

结合实际工程的需要，根据项目的需求进行综合考虑，选择最合适的扫描仪。Leica HDS2500，比较适用于视场角度小的扫描物体,最佳测量距离为50m-60m时，其点位精度可达到6mm, 观测范围是40°×40°。而Leica HDS3000择比较适用于建筑土木工程、施工监测、文物保护等项。因为，在50m处测距精度为 4mm，观测范围为360°×270°，扫描范围为300m(90%反射率)和134m(18%反射率)；还有Leica HDS4500可以测量到10万-50万个点，观测范围为360°×310°，最佳扫描范围为1m-25m,这样比较适合在短时间内获取大量高清晰测量数据的工程项目，如一些难以进入内部而且比较复杂的工作现场、隧道、工业仪器设备制造和文物修复还原工程应用等。Leica HDS6000每秒可以测量到50万个点，观测范围为360°×310°，扫描范围为79m(90%反射率)和50m(18%反射率)，运用当前的技术革新手段，采用合理的方法减少了测量过程中需要的控制点的点数，提高了野外作业的效率。Rigel公司根据不同的应用领域和技术研究的需求，生产的三维激光扫描仪有机载激光扫描仪LMS-Q560、地面三维激光扫描仪LMS-Z420i、工业激光扫描仪LMS-Q120等；Optech公司的ILRIS-3D,是一台具有完整、完全便携式的激光影像与数字化的测图系统的仪器，扫描范围在3m-1500m之间，可用于工程项目、商业策划、采矿和工业市场；MENSI公司的产品主要是短距离高精度的3D测量应用，能够达到0.25mm的精度，为工业工程项目的设计，设备加工和质量监测等领域提供了全新的测量手段；KonicaMinolta公司的VIVID9i是专为逆向工程而设计的，扫描范围仅10米以内，属于超短程三维激光扫描系统。

表1-1三维激光扫描系统分类

划分指标仪器类型

承载平台机载三维激光扫车载三维激光扫固定站式三维激手持三维激光扫

描系统描系统光扫描系统描仪

扫描距离远程，最远距离

300米

Optech ILRIS-3D 中程，最远距离

100m

Leica HDS3000

短程，最远距离

10m-25m

Leica HDS4500

超短程，最远距

离10m以内，faro

激光扫描测量臂

扫描现场矩形扫描系统环形扫描系统穹形扫描系统

扫描方式线扫描系统面扫描系统

测距原理脉冲飞行时间差测距相位差测距三角测量原理

2.2.2 激光雷达技术的一般流程

激光雷达技术包含从外业的数据采集到配准，数据的预处理到最后成果的输出和应用等系列过程。

（1）外业数据的获取

扫描前需要准备的工作主要包含两部分：一是控制网布设，二是扫描站点布设。而控制网的布设主要考虑到控制点之间的通视性和控制网的几何图形，同时要结合实地不同的情况需要进行合理的选点。在布设好的控制网基础上，可以设立站点，站点的设计既要保证能够完全采集所需要的对象的数据，还要能和控制网联立起来，以便整体距离影像配准及坐标转换。

外业数据扫描就是通过实际的扫描站点布设，根据特征合理的扫描点间距和范围，采集多个视角、多个位置的数据构成完整的目标对象。

（2）距离影像的配准

原始数据采集包含不同视点和位置的数据，这些数据需要统一到一个整体的位置，必须要在相邻站点中寻找控制点或类似的公共部分，通过这些特征条件来利用这些约束关系将距离影像配准，最终将所有距离影像统一到基准坐标系中。坐标系统也要根据具体情况而定，一般需要转换到测量坐标系或者是建筑坐标系，或者是空间对象的局部坐标系。

(3)数据的预处理

数据预处理包含噪声削减与去除两部分。距离影像的原始数据噪声包含两部分，一部分是由于激光雷达本身在获取对象表面数据过程中，包含有外界不相干目标的遮挡而产生的距离影像数据本身存在的噪声。另一种噪声就是数据配准过程中存在误差产生，最常见的就是数据叠加产生的“厚度”[3]，在利用数据之间，需要对这些噪声做一定的处理工作，对于第一类数据噪声通常可以采用手工选择删除的方法，对于后者一般采用重叠区域的重采样或者其它削减的手段。

(4)成果制作与输出

激光雷达技术最直接的成果就是整体的距离影像模型和三维的重建模型，影像可制作的成果包含原始的模型、剖面、特征体和数据模型（包含三角网、Nurbs、简单几何模型等）。

也可以制作彩色的模型，输出正射影像图和立体模型等。

2.3 三维激光扫描技术的应用现状

2.3.1 在文化遗产保护领域应用中的研究现状

在信息技术时代高度发展的今天，文化遗产的数字化发展程度已经成为评价一个国家信息基础设施的重要标志之一。用现代信息技术可使文化遗产数字化，具有重要的社会价值和经济意义。文化遗产数字化可以保存一份真实的、完整的数据记录，一旦出现意外破坏，可以根据这些真实的数据重新进行修复和完善；文化遗产数字化将为旅游业发展带来新的机遇，基于数字技术的旅游网络业，可以建立虚拟旅游景点，全面开发旅游文化资源，彻底改变旅游服务模式，成为网络经济中“异军突起”的一支力量，这样的“旅游活动”也与当代“素质教育”的基本主题产生了重大联系，它提高现代人的文化素质与涵养，还有助于人们形成现代文化的思想，从而对现代人的精神世界产生影响；文化遗产数字化将激发现代教育不断向前发展，在数字技术教育产品市场需求大量增加的情况下，大量可接触和不可接触的文化遗产正在转化为最有价值的产业资源，利用数字化信息技术在虚拟现实空间中再现真实的历史地理信息，能够与博物馆、图书馆、档案馆的文字资料、文物图像实现“链接”，甚至可辅以不同领域专家学者的咨询与解说，使得传统的课堂教育与广义的文化信息资源实现系统链接，从而将传统的应试教育与素质教育走向一个新的领域。

利用三维激光扫描技术，对文物实体和实景进行拍摄建模，对仅留残迹的古建筑、古遗址实施计算机三维图形模拟还原、再现本来的风貌；或利用计算机三维图形技术可以进行三维物体设计应用于文物的复仿制工艺中；或用于文物三维模型重建、保存数据、辅助修复等，从而将文物的展示、保护提高到一个崭新的阶段，推动文博行业更快地进入信息时代，实现文物展示和保护的现代化。

2.3.2 在空间信息技术领域应用研究现状

地球空间信息技术是当今世界各国研究的热点之一,信息的获取、处理及应用是其研究的三大主题。空间信息的快速获取与自动处理技术也是“数字地球”、“数字城市”急需解决的关键技术。传统的测距测角工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当的成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天侯精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量，对于目标点密集的物体及水下目标、目标点众多且处于运动状态的物体等，它们则显得无能为力了。

三维激光扫描测量技术的发展为人们获取丰富的空间信息提供了一种全新的技术手段。激光扫描技术与惯性导航系统（INS）、全球定位系统（GPS）、电荷耦合(CCD)等技术相结合，在大范围数字高程模型（DTM）的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强劲的优势, 成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。

当前,国内外很多科研院校正在加快三维激光影像扫描技术的基础理论和技术应用方面的研究。为促进激光扫描技术的发展和加强在这方面的交流，ISPRS WG III/3将研究的主体定为从激光扫描仪和其它传感器获取的点云数据处理，ISPRS WG V/3将研究的主体定为地面激光扫描仪。它们会定期举行会议，加大系统开发者、数据供应商和用户之间的交流，展示最近的研究成果，讨论以后的发展趋势和潜在的应用等。三维激光扫描技术在空间信息领域正如火如荼的进行着，并随着计算机图形学、光学、电学等相关技术的发展，以及从点云数据重建三维模型数据处理方法的日益完善，更好的服务于人类，满足人们的要求，提高人民的生活水平。

2.3.3 在其他领域应用研究现状

随着三维激光扫描技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。

在制造业中，基于三维激光扫描仪数据的快速原型法为产品模型设计开发提供了另一种思路，缩短了设计和制造周期、降低开发费用，极大地满足了工业生产的需求，它与虚拟制造技术（Virtual Manufacturing）一起，被称为未来制造业的两大支柱技术，目前已成为各国制造科学研究的前沿学科和研究焦点。在牙齿矫正和颅骨修复等医疗领域利用三维激光扫描技术进行三维数据重构和造型[4]。基于三维激光扫描仪重建的三维模型，可直接应用到国防单位、法律执行机关及政府机构等安全辨认上。

在电脑游戏业方面，制作者尽量追求游戏的真实和画面的华丽，于是三维游戏应运而生，从人物到场景，利用三维激光扫描仪获取数据构建三维场景，不但具有很好的视觉效果和冲击力，而且人物设计及豪华的3D场景刻画极为精致细腻，对比以前比较呆板的2D游戏，其在真实性和吸引力上的优势是显而易见的。在电影特技制作方面，也有着广泛的应用。演员、道具等由扫描实物建立计算机三维模型后，许多危险的镜头只需要在计算机前操作鼠标就可以完成，而且制作速度快、效果好。最近几年，三维建模技术运用于电影制作取得了令人惊异的进展。三维激光扫描技术的介入促进了应用领域的发展，同时应用领域的大量需求成为研究的动力。

第2章点云数据配准算法的概述

2.1 配准的意义和概念

距离影像又称点云，由无数具有灰度或彩色信息的空间点阵构成。在影像合并拼接或配准过程中，这种阵列形式可能被打乱，这时候距离影像中的点阵就变成散乱的点。

由于被扫描物体或场景的复杂性和三维激光扫描仪的本身视场角扫描距离的限制，每次扫描只能获取物体或场景某一个部分的点云数据。为了获得完整的点云数据，就必须从不同

角度和不同位置对物体或场景进行扫描。但是由于每次扫描得到的点云数据中，每个点的三维坐标，都是相对于该扫描仪，是一个独立的坐标系。因此就需要通过配准算法，将几站处于不同坐标系下的点云数据转到统一的坐标系下，以得到完整的点云数据模型，这个过程就是配准。如下图：

激光雷达的影像数据结构包含极坐标系、球坐标系、柱坐标系等多种，根据扫描仪的不同得到的数据结构也有差别，但最后获取的距离影像都可以转换成空间直角坐标的形式表示。

单幅距离影像的初始状态一般都是以扫描仪中心为原点的独立坐标系，起始水平方向与仪器摆放的位置方向和仪器自身检测的定位方向有关，垂直方向则跟仪器摆放的水平程度有关。

2.2 点云数据配准的原理

配准是把多个不同站获取的数据拼合在一起，生成一个单一的坐标系统的过程。初始的坐标系统是由指定的其中某一个独立的基站位置和方向决定的。当拼接完成后，多个ScanWorld就被合并到一个新的ScanWorld中。

图2-2-1 配准原理示意图[22]

如图2-2-1所示，视点1和视点2 分别对同一实体P 进行扫描，每一站数据相应的坐标系为Scanworld1和Scanworld2，以这两站数据为参考进行配准。以Scanworld1作为基准，实际上就是求Scanworld2到Scanworld1的变换参数，反之亦然。即由三个角元素（Ω、σ、k ）组成的旋转矩阵R 和3个平移量（Z Y X ???,,）组成的平移向量T 。变换条件满足：

121212p p p p p p x x y R y T z z ????????????=+????????????????

（2-2-1）

由上式，就可以将Scanworld2转换到Scanworld1的坐标系中。

第3章 点云配准方法的应用研究

3.1 配准前的准备过程

距离影像文件：该文件来自Leica 公司的各系列扫描仪，我们主要使用的是Scanstaion2，它是全球扫描速度最快的脉冲式三维激光扫描仪，扫描速度50000点/s ，是全球第一个带有全站仪功能的三维激光扫描 ，其全方位视场角 360°×270° ，能够扫描建筑的天花板或顶棚、桥梁下底面、架空管道支撑架、高大物体的立面、柱状或塔式建筑物。全站仪的视场角没有限制， Scanstaion2的双轴补偿为±5'，比全站仪更加灵活和自由，可以根据测量控制点完成高精度的导线测量。

点云数据主要以.ptx 文件格式存储，该文件前两行分别表示点云的行数和列数，第四行表示为位移矩阵，第五行至第七行表示为3*3的旋转矩阵，第八行至十一行表示为4*4的变

换矩阵，从十二行开始至文件结尾，表示点的坐标值和灰度值。其中无效点坐标表示为（0 0 0 0.500000），整个文件可能被分成几块这样的部分。

使用WindowsXP操作系统，在CAD2006环境下安装Cyclone5.8软件，在按要求安装好cyclone 软件。cyclone 软件是采用点线面约束和点云约束的配准方法，结合点云配准与多站距离影像整体配准的原理实现的[9]。因此，为验证其各种方法的精度，可以采用Cyclone5.8软件得出实验结论。

双击运行一下sos_cyclone.exe即可。

1.运行cyclone 软件。

2.右键单击SERVERS打开Servers的ADD菜单，输入本地计算机名（Richard），点击add后创建完服务器，如下图：

；

同样步骤右击数据库Richard单击Database菜单的对话框里输入Database Name(Taihedian)和数据库存储路径；接着右击Taihedian导入数据菜单import….找到需导入的文件后选择Single,Merged Cloud项点击OK导入。可连续导入几个数据。

3.2 控制点配准法的操作过程

右击Taihedian菜单，新建配准窗口：Create->Registration后取名为“控制点配准”，双击该项目弹出配准操作窗口：Registration控制点配准。点击Add ScanWorld图标或点击ScanWorld菜单在级连菜单中选择Add ScanWorld项导入两站数据，一定要包括一个基站数据，其他各站数据均以基站的坐标系作为坐标基准，Set Home ScanWorld用来选定基站（点击Set Home ScanWorld图标或点击ScanWorld菜单在级连菜单中选择Set Home ScanWorld 项）。

接下来点击Auto-Add Constraint图标或点击Constraint菜单在级连菜单中选择Auto-Add Constraint项自动加入各个标靶控制点数据，接着点击Register图标按标靶点坐标配准，此时可以按根据已经配准的误差调整那些点需要与否。精度要求达到后锁定配准结果和创建一个已配准的ScanWorld,点击Create ScanWorld/Freeze Registration图标即完成此功能。最后从已配准好的ScanWorld中创建ModelSpasce即可。下图即为两站的配准结果：

按以上步骤加入其他各站数据配准后的结果如下图：

3.3特征面配准法的操作过程

按控制点配准法的操作步骤新建配准窗口后打开Cyclone-Navigator主导航窗口，打开需要拼接两站的ModelSpaces窗口，分别切取点云中较平整的平面点云，至少需要三对平面作为约束条件进行点云拼接，三对平面要求基本呈正交关系。

通过Polygonal Fence Mode（多边形栏选）或Rectangle Fence Mode（矩形栏选）图标在ModelSpaces窗口点云中选中相应的平面点云,单击右键点击级连菜单中的Copy Fenced To New ModelSpace项，将选中平面点云复制到新的ModelSpaces中以便操作。在New ModelSpace中修剪一下点云，祛除噪声点，操作步骤如下图：

准备好要拟合的点云后单击右键，Fit Fenced->Patch点击后即将点云拟合为平面。接下来按下图步骤将平面变为规则矩形平面：

单击快捷键i（information）弹出Patch Info拟合信息框，主要是要查看Fit Quality: Error Std Deviation = 0.033 m项，如果其值大于0.030m则要重新修剪点云重新拟合直至小于0.030m。拟合好平面之后将其标记定名，操作如图：

关闭New ModelSpace时合并平面到原始点云中去并删除现有平面，如图：

按此步骤重复拟合三对点云备用。

回到或打开“Registration: 特征面配准”窗口点击接下来点击Auto-Add Constraint图标或点击Constraint菜单在级连菜单中选择Auto-Add Constraint项自动加入三对拟合平面数据并从中delete掉控制点数据（右键单击控制点数据点delete即可），接着点击Register图标按三对平面数据配准，此时可以按根据已经配准的误差调整那些点需要与否（如果拟合多于三个平面的话）。精度要求达到后锁定配准结果和创建一个已配准的ScanWorld,点击Create ScanWorld/Freeze Registration图标即完成此功能。最后从已配准好的ScanWorld中创建ModelSpaces即可。下图即为两站的配准结果：

3.4公共点云配准法与混合配准法的操作过程

新建配准窗口后打开配准窗口，在基站上单击右键选择级连菜单Cloud Constraint->Cloud Constraint Wizard…即可将两站点云数据显示在下面的两个窗口中，分别在两站点云数据选出四对以上的对应点，其位置应该大致相同。选完后点击Constraint框的Add Constraint按纽即导入一组对应点，如下图。

（1）用公共点云配准法拼接的最终结果如图：

特征面和控制点混合配准法的配准结果如下图：

3.5配准方法的检验与应用成果

切割点云的本质是划分一片完整的点云为小的子集点云。这是划分点云为若干独立的子集点云的一种办法。切割的目标点云是用作拟合平面使用的，因为面的拟合是以法线作为约束条件的，所以选择的点云只要是能较好的反映面状物体就行。精确的切割点云最基本的原则是需要我们设置一个好的角度。可以从几个不同的视角中选择操作点云的选择。以免以外的删除掉前面或背后的有用的点云。检查点云拼接效果，在正直投影下，通过栏选工具切割细长的点云线，生成新的模型空间，观察三个方向的分层现象。为较好的检查拼接效果，点云上选择的区域，大小，形状应尽量相同，首先打开ModelSpace 视口Modeling Exercises View 1，在Pick Mode选择模式下, 通过栏选工具，选择你将要切割的点云. 然后在Fence Mode 选择模式下,在ModelSpace窗口，利用Create Object 命令，切割框选的点云。在框中的点云现在就成为一个与周围点云单独的子集点云。最后将切割后的点云，通过鼠标进行旋转，观测是否存在一个角度，使得点云在同一条线上。检验结果如图（4-5-1）所示：

图4-5-1 切割点云检验配准结果

利用点云数据配准和多站距离影像整体配准理论和方法，在实验系统的三维操作和显示环境中，进行了初步配准、精确配准、去冗和数据的入库出库，从效率和精度上都达到了具体工程项目中的要求。并在正直投影下，经过检查点云拼接效果，生成了新的模型空间，观察了三个方向均无分层现象。证明了算法的可行性和实验系统的实用性。实验成果如图（4-5-2）所示：

图4-5-2经实验完成的配准成果图

3.6本章小结

通过距离影像连接点配准法、特征面配准法、公共点配准法、混合法和控制点配准方法的比较分析，可以看出控制点配准法精度为2mm左右，公共点配准法精度为15mm左右，特征面配准法精度为8mm左右。如表（4-6-1）所示：

表4-6-1 逐幅配准距离影像的约束误差单位(m) Error Scan1 Scan2 Scan3 Scan4 Scan5 控制点配准0.002 0.002 0.002 0.002 特征面面配准0.005 0.007 0.015 0.007

公共点配准0.015 0.015 0.015 0.015

混合配准0.001 0.002 0.004 0.002

通过上面对具体距离影像的实际配准可以得出以下几点：

1、距离影像的配准对粗差很敏感，在实际配准中必须设定阈值将其剔除。

2、整体配准矫正了逐幅距离配准累积误差，使整体转换坐标精度提高。

3、控制点配准的方法较常规的逐幅影像配准具有更高的精度和可靠性，更好的提高了距离影像的整体配准质量。