激光三维测绘

1、2014年春季学期研究生课程考核（读书报告）考核科目：光学生所在院（系）：学生所在学科：学生姓名：学号：学生类别：学图像数字化处理航天学院2 1系物理电子学陈毅强1 3 S 1 2 1 0 1 3非委培考核结果阅卷人第1页（共页）激光三维测绘技术引言随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们 对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备 和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS 可以全天候、一天24小时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。随着传感器、电子、光学、计算

2、机等技术的发展，基于计算机视觉 理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换 为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三 维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用 的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一 问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技 术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代，随着三维激光 扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格 的逐步下降，它在测绘领域成为研究的

3、热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取 空间实体三维模型的主要方式之一。激光三维扫描技术目前已被应用于工程测量领域， 与传统测绘方法相比，其数据具有立体、精准、高密度的特点，同时测量过程高效、 安全，测绘数据经处理后可导入BIM工程设计软件。因此可预见对具有一定复杂度或 对其测量具有一定危险性的既有建筑，在改造前使用激光三维扫描技术对其进行测量， 将成为工程行业的趋势。激光三维扫描技术简述1.1测量原理激光三维扫描仪的工作原理是通过扫描仪自带的旋转激光发射头向被测物发射连 续的激光束，光束接触到物体后被反射，扫描仪记录每束被反射激光的反射距离，并 自动计算和记录反射的方位角度，从而获得被测物

4、上每一个点的定位坐标。最终的测 量成果是一组数量庞大的立体数字化点阵（又称“点云”），该点阵可通过与扫描仪配 套的专门软件进行编辑和输出。目前的激光三维扫描仪可同时拍摄连续的彩色照片， 并将照片色彩赋予点云。假如对涂有彩绘的中国古建筑进行测量，可通过该技术获取 能直接量取尺寸的彩色点云数据。一般应用激光三维扫描仪测量建筑时，要进行多个站点的测量，各站点的测量全 部完成后再利用配套软件合成为建筑的全景点云。每个站点的测量一般仅需十几分钟， 但如何设站需要操作者事先计划，要做到每个站点视角合理，确保测量工作高效并尽 量避免测量死角的出现。1.2测量设备1.2.1扫描仪国外对激光三维扫描技术的研发起

5、步于上世纪60年代，推出了较多相应设备，最 有名的是瑞士 Leica公司激光三维扫描仪，其他还有美国3DDIGITAL公司和Polhemus 公司、加拿大OPtech公司、奥地利RJGEL公司等。国内虽然相关研究和应用起步较晚， 但近年来有关产品也相继问世，如武汉大学自主研制的LD激光自动扫描测量系统，以 及在市场中颇受青睐的北京天远三维科技有限公司的天远三维扫描仪。1.2.2配套设备三脚架:属测量仪配套产品，具有找平功能，确保测量仪能够架设于各种凹凸不平 的地面。标靶:多个站点的扫描数据在进行拼接时，每两站数据之间需要选取三个公共点作 为拼接约束。为确保公共点定位精准，在进行每站扫描前，需要

6、在场景中设置特质标 靶，常用标靶分为金属、纸质两种。金属质标靶有磁性底盘，可吸附在被测建筑物的 金属构件上或放置于建筑近旁的地面上，其靶心可任意角度旋转以满足不同扫描角度 的需要;纸质标靶通过电子文件打印，使用时一次性茹贴于被测建筑上或其近旁的物体 上。GPS定位仪:附设在扫描仪上，属于使用者的选配仪器，可获取扫描仪所在的大地 坐标，从而准确确定被测建筑物的定位坐标。较高配置的电脑:双核或多核电脑，用于进行数据处理和拼接。图2金属标靶图3纸债标靶图1探卡激光扫描仪及脚架1.3测量步骤1.3.1制订测量方案:事先进行现场踏勘，选取不同的分站测量点和标靶设置点，情况 复杂时需要绘制设站草图。1.3

7、.2进行现场分站测量1.3.3数据导出和拼接:扫描仪自带存储器，对扫描数据进行时时储存，全部扫描结束 后使用数据线将其导入电脑，并使用配套软件进行多站数据的拼接。1.3.4清理多余点云数据进:建筑物周边的树木、行人等点云信息往往占据了较大的数 据空间。1.3.5点云的编辑:使用配套软件或导入其它CAD, B工M软件对建筑物进行三维建模 或绘制平、立、剖面图。三维激光测绘技术的特点三维激光测绘技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接 获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将 现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高

8、、主 动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输 出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前，生产三维激光扫描仪的公司 有很多，它们各自的产品在测距精度、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 光扫描仪产品。三维激光测绘技术的应用一一在激光雷达方向上的发展3.1激光雷达激光雷达（Light Detection and Ranging，简称LIDAR）是利用激光测距原理确 定目标空间位置的新型测量仪器，通

9、过逐点测定激光器发射信号与目标反射信号的相 位（时间）差来获取激光器到目标的直线距离，再根据发射激光信号的方向和激光器 的空间位置来获得目标点的空间位置。通过激光器对物体表面的密集扫描，可获得物 体的三维表面模型。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维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

10、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。按照空间位置分类，三维激光扫描设备可分为:机载类和地面类。3.2机载扫描激光雷达机载激光雷达简称LIDAR是指在飞机上搭载激光雷达、数字相机和定位定姿装置， 以获取具有影像真实感的高精度数字表面模型（DSM）和数字高程模型（DEM）的新型 测绘装备。LIDAR系统通过扫描装置，沿航线采集地面点三维数据，通过特定方程解算处理成 适当的影像值，生成LIDAR数据影像和地面高程模型DEM。系统可自动调节航带宽度， 使其与航摄宽度精确匹配。在不同的实地条件下，平面精度可以达到0.15

11、至1米， 高程精度可达到10厘米，间隔可达到2-12米。LIDAR是为综合航摄影像和空中数据 定位而设计的，其独特性在于能快速为数字制图和GIS应用提供精确的地面模型数据。 由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响，从而大大提高了数据采集的质量。其高程 数据精度不受航高限制，比常规摄影测量更具优越性。LIDAR应用多光束返回采集高 程，数据密度可达到常规摄影测量的三倍，可提供理想的数字高程模型DEM，大大提 高了正射影像纠正精度。LIDAR数据经过处理，可以直接与其它类型要素或影像数据 合并，生产内容更为丰富的各类专题地图。机载激光雷达系统与数字航摄仪、机载GP S及惯性导航系统（INS）相结合，

12、使用大容量高速计算机，经过专用软件处理，可在空 中完成地面高程模型DEM及数字正射影像图DOM的大规模生产，将大大提高航测成图 的作业生产效率，减少生产环节，缩短生产周期，提高成图精度，提供更为丰富的地 理信息。3.2地面激光扫描雷达（激光扫描仪）地面激光扫描雷达也称激光扫描仪，地面激光扫描雷达按照平台分为地面、车载、 船载和手持等类型。地面激光雷达（Ground 一 Based Light Detection and Ranging, Ground-Based LIDAR）小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强，能在几分钟内对 所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，能提供准确的定量分析

13、，可广泛应用 于各相关领域，如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应 用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等领域。地面三维激光扫描是在地 面利用激光扫描装置自动、系统、快速（准实时）获取对象表面的三维坐标的测量技术。 它是一种高精度的测量手段，中、长距离的地面激光扫描仪的单点定位精度在2毫米 至25毫米之间。激光扫描与传统的单点测量（如全站仪、GPS测量）不同，可以获取 被扫对象表面成千上万个点的三维坐标，而且可以获取对象表面的深度影像信息。目 前有瑞士 Leica，美国的Tremble等公司有商用产品，每台在150万元左右，作用距 离大多在100米以内。国内已经有

14、很成功的地面激光扫描仪，当前最大测距为200米， 成本是进口的一半，换装大功率激光器后可以增大测量距离，根据需要可以达到1000 米以上。三维激光测绘数据处理利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时，不同的应用对象、 不同点云数据的特性，三维激光测绘数据处理的过程和方法也不尽相同。概括地讲， 整个数据处理过程包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。数据采 集是模型重建的前提，数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重 建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。数据预处理阶段涉及的内容有点云数据 的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点

15、扫描数据的 配准及融合等；模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残 缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。实际应用中，应根据三维激光测绘数据的特 点及建模需求，选用相应的数据处理策略和方法。三维激光测绘应用的探讨随着三维激光测绘技术、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，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步 从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。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其研究的动力，三维激光扫描测量技术在 测绘领域有广泛的应用。激光扫描技术与惯性导航系统（INS）、全球定位系

16、统（GPS）、 电荷耦合（CCD）等技术相结合，在大范围数字高程模型的高精度实时获取、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大的优势，成为摄影测量与遥感技 术的一个重要补充。同时在工程、环境检测和城市建设等方面均有成功的应用实例， 如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、建立3D城市模型、复杂建筑物施 工、大型建筑的变形监测等。下面简要介绍一下主要应用：5.1立体模型的建立：此项功能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。5

17、.2借助机载和船载激光扫描设备可以完成水地和地面地形测量。5.3滑坡监测和确定滑坡区域：通过比较两次或多次扫描数据，从而进行分析和确定 滑坡区域和对滑坡区域检测，达到减灾防灾和对灾害造成范围的确定。5.4逆向工程中的应用，是针对一现有工件样品或模型，利用手持三维激光扫描仪准 确快速地将轮廓坐标测得，并加以建构曲面，编辑、修改后传输到CAD模型系统，再 由工路径送至加工机，制作所需模具或送到快速成型机将样品模型制作出来。6.结语三维激光测绘也技术快速获取三维空间信息的重要手段之一，特别对于测绘领域 来说，伴随三维激光技术的不断完善与发展，以及三维控制信息需求的增加，三维空 间技术将和现代经典测量技术相互融合，作为一种新的空间数据采集手段，三维激光 测绘技术将具有广阔的发展空间，成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段。激光 三维测绘技术相对于传统测量方式有着无可比拟的优势，通过它可以快速获取复杂目 标体的三维空间数据，使其在三维建模中能够发挥重要作用。从目前激光三维扫描技 术的发展现状看，其应用前景广阔，但同时对其也要有客观的认识，不可将其作用无 限放大，毕竟它只是一种先进的测量工具，对测量数据的处理和运用才是最终目的， 而这一步还是需要依靠人的智慧以及其它工程设计软件的支持。参考文献激光三维扫描技术用