三维激光扫描仪

产生背景

    三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次革命。

技术原理

    三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。按照载体的不同，三维激光扫描系统又可分为机载、车载、地面和手持型几类。

    应用扫描技术来测量工件的尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，工件三维测量，针对现有三维实物（样品或模型）在没有技术文档的情况下，可快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。

主要分类

    按测量方式

    可分为基于脉冲式；基于相位差；基于三角测距原理。

    按用途

    可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。一般基于相位差原理的三维激光扫描仪测程较短，只有百米左右。而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程较长，测程最远的可达6公里。

    按生产厂家不同：青岛恒准（中国），Z+F(德国)，Surphaser（美国），I-site (澳大利亚maptek)，Riegl（奥地利），徕卡（瑞士），天宝（美国），Optech（加拿大），拓普康（日本），Faro等产家。

基本功能

    三维测量

    传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的， 在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，因为其直观是二维无法表示的，三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。

    快速扫描

    快速扫描是扫描仪诞生产生的概念，在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（scanstation2）速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪速度已经达到120万点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。

    无臂式手持 3D 扫描系统和双摄像头传感器形成了一个独特的组合，确保在实验室和工作场所能生成最精确的测量值。 这一完备且功能强大的检测方案提高了测量过程的可靠性、速度和多功能性。 在铰接臂方面与其他 3D 扫描仪相比较，光学 3D 扫描系统可以完全自由移动，显着提高了工作效率和质量！

应用领域

    作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、飞机船舶制造、公路铁路建设、隧道工程、桥梁改建等领域里应用。三维激光扫描仪，其扫描结果直接显示为点云（pointcloud 意思为无数的点以测量的规则在计算机里呈现物体的结果），利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的 。

    三维激光扫描技术应用领域：

    最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

    （1）测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。

    （2）结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量；管道、线路测量、各类机械制造安装。

    （3）建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹（古建筑、雕像等）的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。

    （4）紧急服务业：反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，灾害预警和现场监测，核泄露监测。

    （5）娱乐业：用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行的设计，3D游戏的开发，虚拟博物馆，虚拟旅游指导，人工成像，场景虚拟，现场虚拟。

    （6）采矿业：在露天矿及金属矿井下作业，以及一些危险区域人员不方便到达的区域。例如：塌陷区域、溶洞、悬崖边等进行三维扫描。

发展方向

    近些年来，三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展，代表性的就是车载三维激光扫描仪和机载三维激光雷达。

    车载三维激光扫描仪

    车载三维激光扫描仪的系统传感器部分集成在一个可稳固连接在普通车顶行李架或定制部件的过渡板上。支架可以分别调整激光传感器头、数码相机、IMU与 GPS天线的姿态或位置。高强度的结构足以保证传感器头与导航设备间的相对姿态和位置关系稳定不变。

    道路和高速公路方面的应用 ：

    1.公路测量，维护和勘察

    2.公路资产清查（交通标志，隔音障，护栏，下水道口，排水沟等）

    3.公路检测（车辙，道路表面，道路变形）

    4.公路几何模型（横向和纵向的剖面分析）

    5.结构分析（立交桥）

    6.淹水评估分析

    7.在 GIS系统中的叠加分析

    8.滑坡分析，危害评估（滑坡变形测量与危害分析，滑石和流水分析）

    9.交通流量分析，安全评估和环境污染评估

    10.土石方量分析

    11.驾驶视野和安全分析

    机载激光三维雷达系统

    机载激光三维雷达系统（Light Detection And Ranging，简称LiDAR）是一种集激光扫描仪（Scanner）、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)以及高分辨率数码相机等技术于一身的光机电一体化集成系统，用于获得激光点云数据并生成精确的数字高程模型（DEM）、DSM（数字表面模型），同时获取物体DOM（数字正射影像）信息，通过对激光点云数据的处理，可得到真实的三维场景图。

    2、3代三维扫描仪各有什么特征？[1]

    第1代的特点是逐点扫描，速度慢。如三坐标测量机CMM. 该类扫描仪发展最早，精度微米级。

    第2代的特点是逐线扫描，速度仍然较慢，如激光线扫描仪 该类扫描仪发展于上世纪90年代，精度丝级。

    第3代的特点是面扫描，速度非常快, 该类扫描仪发展于20年代.精度0.1mm

    第3代三维扫描仪，3DSS的主要特点是什么？

    · 一次测量一个面，扫描速度极快，数秒内可得到100多万点

    · 便携，可搬到现场进行测量

    · 工件或测量头可随意调节成便于测量的姿势

    · 大景深（可达300~500mm)

    · 测量范围大

    · 精度低: 0.1mm

    · 测量点分布非常规则

    · 大型物体分块测量、自动拼合