地面三维激光扫描测量技术及其应用分析

地面三维激光扫描测量技术及其应用分析宋宏【摘要】三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术.目前许多发达国家已将这一先进技术用于空对地观测及工业测量系统，快速获取特定目标的主体模型,我国在863计划中也重点支持了这一研究方向.本文论述地面三维激光扫描技术的原理分类和应用现状，比较了相关技术方法之异同，评价了地面扫描仪优缺点,指出该技术面临的诸多挑战.【期刊名称】《测绘技术装备》【年(卷)，期】2008(010)002【总页数】4页(P40-43)【关键词】三维激光扫描技术;LIDAR激光雷达;地面激光扫描仪;近景摄影测量;三维建模【作者】宋宏【作者单位】武汉大学测绘学院，武汉,430079;中煤航测遥感局，西安,710054【正文语种】中文［中图分类】P2激光扫描系统平台分为机载和地面两大类型。地面三维激光扫描系统，与激光测距技术点对点的距离测量不同，激光扫描技术的发展为人们在空间信息获取方面提供了全新的技术手段，使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动获取批量数据，提高了量测的精度与速度。2.1三维激光扫描仪测量原理径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器，采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据。仪器要包括激光测足巨系统、扫描系统和支架系统，同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。典型的径向三维激光扫描仪有很多，如OptechILRIS-36D、LeicaHDS3000、MensiGXRD200+等。目前三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法（TimeofFlight），是一种高速激光测时测距技术，采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法，如式（1）所示。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测足距观测值S，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a和纵向扫描角度观测值成三维激光扫描测量—般使用仪器内部坐标系统，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。由此可得三维光脚点P坐标凶，Ys,Zs）的计算公式:2.2地面扫描仪技术指标1）典型的地面三维激光扫描仪毫米级精度仪器见表1。2）近距离的微米级仪器装备如KINICAMINOLTAVIVID9i,扫描范围0.5~2.5m,以三角测量原理，由激光扫描物体，CCD接受物体表面的反射光。物体形状的测量通过三角测量，转换为3D网格图而获得，同时采集表面形态和颜色数据，有可变换的望远、中焦、广角镜头，适用大小不同的物体，可获850pm的测量精度。FARO三维激光扫描测量臂（LaserScanArm）,1.2m长度测量臂可获25pm~50pm的测量精度。通常用于如彩俑头、佛头、青铜器、御玺等国宝进行微米级精细扫描及建模。3.1近景摄影测量航空摄影测量与遥感［1］,近景摄影测量［2］，低空摄影测量（系留气球、无人机等）[3],在20世纪80年代曾在文博部门的应用中异军突起，引起考古工作者广泛关注。近景摄影测量利用对300m以内目标所获取的图像来确定其形态，几何位置和大小。近景测量中的古建筑摄影测量是古建筑和文物立体图、平面图、等值线图、影像图的测绘，以及古建筑主要结构数据测定，资料具有档案价值[4]。和航测一样，近景摄影测量也经历了模拟、解析与数字阶段。目前在数字近景摄影测量领域，有基于LIDAR技术的地面三维扫描系统，还有基于数码相机与全站仪集成的多基线影像匹配系统Lensphoto[5],它们能生成一样的成果——被摄（被扫描）对象密集的点云DSM和三维立体景观，可用于煤堆，矿堆及各工种挖填方精确快速计算和制图。3.2传统测量技术以古建筑测绘为例，传统测绘技术用钢尺、角尺、小平板仪、光学经纬仪、水准仪、红外测距仪和数码相机等，偶尔才用到激光经纬仪和全站仪。这种状况会继续存在。地面三维扫描仪与全站仪的作业方法基本雷同，如果只进行离散点测量，地面扫描仪有着全站仪一样的测量精度，可用于传统的导线测量和后方交会测量；还可对地形外观进行扫描，获得高精度的点云数据，测制大比例尺数字地图。传统的离散点测量数据很难重建目标原态的三维模型，三维激光扫描技术实现了目标原形从三维到三维的直接转化，成为后端技术基础数据平台或起点。三维激光扫描系统可以深入到任何复杂的现场环境及空间中，通过三维激光扫描直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维实体模型，同时，所采集的三维激光点云数据还可将目标的完整数据用于各种后处理工作（如：测绘、计量、应力分析、有限元分析、仿真分析、任务模拟、…等），它是各种正向工程工具（如：CATIA、UG、CAD、有限元、流体动力、PDMS、PDS、GIS、VR、3DSMAX、MAYA、ERP、...等）对称应用工具。这种逆向工程的数据获取方式，目前在我国属薄弱领域。三维激光扫描技术所涉及的应用，不是简单的商业问题，而是深刻的应用技术跨越。其领域包括：核电站、文物、考古、建筑业、航天、航空、船舶、制造、军工、军事、石化、医学、水利、能源、电力、交通、机械、影视、教学、科研、汽车、公安、市政建设……。三维激光扫描系统在我国处于应用初级阶段，在建筑与文物保护，地面景观形体测定，城市三维可视化模型的建立，变形监测等领域均取得了应用成果。下面分类加以介绍。4.1工业和矿山测量1）复杂的工业设施、广场、车站测量化工厂、炼油厂、核电站、运输站场等工矿企业，管线林立，错综复杂，用激光扫描仪分段扫描，获得三维点云数据，用软件将点云数据拼接、合并、建模，可生成三维可视化模型或图件。下图为煤航（香港）公司在香港最大的红勘火车站站台顶板测量项目中，应用三维激光扫描技术的实况。如图3、图4所示。2）带状地形图测量、地面景观形状测量、矿山测量分段扫描局部带状地区，拼接合并生成带状影像图，转换至国家或城市坐标系中，生成带状地图。主要用于线路两旁（铁路、公路、河流两岸等）局部不规则带状图测量。矿山测量。可用于矿山开挖方面的应用，如阜新露天矿爆破分析、土方计算、边坡稳定监测、开挖洞口定位分析等地形、体积、塌陷等测量。4.2建筑与文物保护大型考古测量要综合利用空间遥感信息［6］，诸如航空摄影、卫星照片、多光谱卫星遥感影像、机载雷达影像等，对地面考古遗址开展无损探测和识别。同时结合地球物理探测技术和常规田野考古手段，勘探、发现考古遗址，进行考古测绘、文物保护、考古研究。三维激光扫描技术的发展为考古测量提供了崭新的手段。这方面较完整的应用有：馆藏大型遗址——秦兵马俑二号坑三维建模［7］，故宫太和殿古建筑保存及修缮测量，长城资源调查，以及鸟巢和国家体育馆测定等。图5为秦兵马俑二号坑三维建模工程。4.3生物医学测量该领域应用的扫描仪属近距离的微米级仪器装备。特点是测距短(<4m),测距精度高(<1mm),可达0.005mm~1.5mm的高精度值。应用于外科整形、人体测量、矫正手术及馆藏珍贵文物的高精度扫描建模。三维激光扫描技术是基于LIDAR激光探测与测足巨系统。本文重点论述的地面三维扫描仪，是置于三角架上的LIDAR系统，它是数字近景摄影测量领域新的技术手段，三维激光扫描技术所涉及的应用是深刻的技术跨越，该技术目前优缺点可归纳如下：•地面三维扫描仪的优点：速度快，现场节约时间，测量完整、精确，可多视角观察可视化三维点云模型。不需要接触被测物体，光线昏暗甚至黑夜均可作业，特别是表面复杂的物体外形测量，并能色彩还原。能标注和测量模型的相关数据，如距离、高差、体积、表面积、断面、截面、2D图等，或创建各种复杂几何形状，如弯头、锥形管等。能将3D模型转换到CAD系统或不同软件操作平台的数据格式，进行三维建模。•地面三维扫描仪的缺点：对地面三维扫描仪的使用，有专家列举考古遗址文件数据记录存在的不足，指出该技术正面临诸多挑战［8］，归纳如下：地面扫描仪是个黑箱系统，难以检校；仪器昂贵，主要仪器售价在100万人民币以上，市场定位为高档设备。扫描数据后处理时间可达数据采集所需时间的10倍，扫描易，处理难。扫描数据拼接软件不完善，各厂家自成一体，互不兼容；缺乏标准化思考，缺乏实用而价格相对便宜的软件；考古学家、文物保护人员、建筑学家较难进一步使用三维建模成果开展专业研究工作。三维建模有一定的主观性，非专业人士常受到虚拟动画的视觉迷惑，忽视了三维模型的可量测和科学性。综上所述在三维激光扫描技术应用中，必须面对测绘标准化课题[9]。要编制相应规范、规程，统一术语，制定精度要求数据规格，数据采集和后处理要求及成果精度评定方法等，推动测绘技术进步。宋德闻等.秦始皇陵园的摄影测量与遥感工程[J].测绘学报，1990,19(1)48~56宋德闻等.在文物考古部门开展的近景摄影测量工程[J].测绘通报，1986(6):13-20宋德闻等.西安半坡博物馆遗址图的测制——一次使用超低空垂直摄影技术的尝试[J].测绘通报，1987(5)GB/T12979~91近景摄影测量规范[S]张祖勋等.摄影全站仪系统一一数字摄影测量与全站仪的集成[J].测绘通报，2005(11):1-5宋宏.遥感考古聚焦秦始皇陵(国家863计划考古遥感与地球物理综合探测技术.课题编号2002AA130203)[J],煤航技术研究,2002,17(32)21-22宋德闻等.徕卡HDS应用于秦俑二号坑数字化工程[J]