三维激光扫描论文

三维激光扫描技术及其在建筑测绘中的应用研究背景:20世纪末，激光测量技术获得了较大的发展，主要体现在：一是激光测距技术从一维测距向二维、三维测距方向发展，并取得了较大的成果；二是实现了无合作目标高精确度测量；其次是实现了数据的自动和无限传输。同时计算机技术、通信技术、卫星控制技术、卫星定位技术、惯性导航技术和激光扫描技术共同使得卫星遥感、机载扫描系统、车载扫描系统等向高精度、高分辨率发展。三维扫描技术是近几年才逐步发展和应用起来的一项新技术，三维扫描技

术的出现，改变了已有的数据采集方式。面式数据采集替代传统的点式数据采集是测量技术发展史上的一次巨大变革。三维测量技术是近年来几何量测量技术中的重点研究领域［1］，该技术以获取被测物体三维轮廓数据为目的，主要包括数据测量与数据后续处理。伴随着光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟,数据测量与数据后续处理。伴随着光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟,维测量技术得到了不断丰富和发展，越来越广泛的应用对该技术的发展也提岀了更新的要求，同时催化了一些相关技术领域的发展，如摄像机标定技术，图像工程，数据补偿技术，颜色渲染技术，测量视角自动选择技术等等。［1］许智钦，孙长库，3D逆向工程技术，中国计量出版社，2002.4数据釆集的过程：三维激光扫描测量的原理是光学三角形法：利用具有规则几何形状的激光源投影到被测表面上，形成的漫反射图像在安置于空间某一位置的图像传感器上成像，按照三角形原理，即可测出被测点的空间坐标。三维扫描外业操作流程为：踏勘现场-编制扫描实施方案-扫描准备（设备、电源、拼接标）7安置扫描仪T选择扫描区域T设置扫描参数T模型拼接。在扫描工作实施前首先要到现场进行踏勘。踏勘过程中注意查看已有控制点的位置、保存情况和使用的可能性以及控制点联测的大概方案。根据扫描对象的空间分布、形态和扫描需要的精度以及分辨率确定扫描站点的位置。根据已有的大地测量条件和和扫描站点位置考虑扫描模型的拼接方式等，并绘制现场草图，对主要扫描对象拍照。扫描实施方案应该包括大地测量联测的方案、扫描站点的位置和扫描时的定向及定位方式、每个扫描站上扫描的目标和每个目标的扫描分辨率。 实施方案中还要包括扫描的工作流程、供给方案、人员配备及扫描施工组织。准备工作之后，即可进行扫描工作的实施。首先安置并启动仪器，在扫描前，需要对系统参数进行设置。系统参数包括取景选项（球的直径、快速扫描标靶的模式、自动拍照）、单位（包括角度单位和长度单位）、视频模式（场景为实时或者拍照模式）、系统语言（无中文）。然后是建立测站，建站分整平、建站、后视3步。当完成建站工作后就可以开始扫描测量，采集点数据和影像数据。你可以选择扫描仪器设定360°扫描场景（本测站仪器所能扫描到的全部范围），或者扫描360。扫描场景中的一部分。接下来就是设定或编辑扫描参数,当一个扫描目标选定后，在工作区间出现扫描参数设置工具栏。该工具栏包括“设置方式”、“格网值”和“测距次数”三部分，点击扫描后，进行目标扫描，该目标扫描完成后，检查是否完成，扫描参数设置是否正确等。无误后保存扫描结果，完成扫描后，重复上述步骤进行下一站的扫描工作。数据处理：扫描得到的“点云”成果是包含点的三维坐标及颜色属性的点集合，而建筑测绘需要得到成果是由“线”、“面”组成的二维线画图。如何将三维点云转化成二维线画图便是点云的处理和应用的关键。三维点云转化成二维线画图有下述几个途径：一是直接量测点云模型上建筑的相关数据，按照传统古建筑测绘的方法绘制成图；二是截取点云的一部分形成点云 “切片”，然后将“切片”导入相关软件经拟合后形成二维线画图；三是对建筑的某个面域制作相对于该面的正射投影“点云”图，对正射投影图匹配照片颜色信息后导入其他处理软件后进行“描摹”成二维线画图。除此之外，对于建筑组群需要制作连续正射影像图，对于特殊形体的建筑附属物可以通过等值线图来体现。点云数据处理的完整过程包括点云数据预处理、实体模建立、数据结果的输出等步骤。对三维点云数据进行预处理，一般需要对获取的原始数据进行再加工，检查数据的完整性及数据的一致性，进行数据格式的规范化、进行点云过滤等操作。由于扫描仪在现场使用中工作环境复杂，尤其在施工现场工作时，施工机的运动、人员走动、树木、建筑物遮挡、施工浮尘及扫描目标本身反射特性的不均匀等影响，将会造成扫描获取的点云数据的不稳定点和噪音点，这些点的存在是扫描结果中所不期望得到的，在后期处理中对这些点云数据要进行去除，这个过程称为点云的过滤，点云的过滤是数据预处理的一个重要过程，对数据结果有重要影响。—般来说三维扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到扫描目标的完整点云数据，反映一个扫描实体信息通常要由若干幅扫描才能完成，但每个扫描图幅都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系，亦即每次经扫描而得到的点云数据的坐标系是独立和不关联的。但实际上每幅点云阵数据都是扫描场景的一部分，那么就有必要将这些点云数阵据转换到同一坐标系里，所以要对得到的点云数据进行拼接匹配。在点云数据的拼接过程中或者说三维数据在处理软件的操作中，势必进行一系列的三维变换，如平移、旋转和缩放等。为了把扫描结果以形象的表现形式表达出来，以任意角度观看点云的任意部分，其实质就是三维图形的变换和处理。一般而言，为实现两幅扫描图像的拼接的前提条件是，两幅扫描图像中应该有重合的部分，即前后两次扫描中目标物体应该有一部分都被扫描到，大致上所说的重叠部分应该占整个图像的20~30%,如果重叠部分所占的比例太小，则很难保证拼接的精度，所占比例太大，贝哙增加扫描次数和拼接的工作量。通常来说，如果初始的点云数据同名点重合操作理想，只需要较少的点云搜索计算工作便可以完成点云数据的精确拼接，否则需要大量的计算工作才可完成，同时叠加计算次数还取决于所设定的误差参考值。根据数据使用的需要，还可以对拼接完成的数据进行多层数据的合并、点云数据的去噪、删减、降低点云密度等操作。从高密度的点云数据进行扫描物体的重建以提取需要的数据是数据处理的重要部分，根据三维模型表示的不同方式，点云数据的模型重建也可以分为两种方法：一种是三维点云数据表面的模型重建，主要构造网格 （三角面片）逼近扫描物体表面；一种是几何模型重建，常见于CAD种的轮廓模型或者断面轮廓。对于几何模型重建，主要是在点云中或者数据模型中，利用几何体如点、线、面、柱体、四面体等对物体进行拟合（如下图 1）o常见的如对房屋建筑的外轮廓（如下图2）、马路边缘、电线布置、工厂管道等轮廓进行几何拟合，可以输出三维图形格式也可以是AutoCAD格式等。

图1模型的几何体拟合图 图2建筑物轮廓线（探伟扫描数据）精度分析：影响激光扫描测量精度的因素很多，总体上分硬件和软件两个方面，硬件方面主要有机械运动平台、CCD摄像机、激光器等，从硬件方面提高精度，一般会增加成本。软件方面主要有物像对应关系标定、激光扫描线中心提取、被测物面表面特征、光学成像参数、光平面位置等因素。三维激光扫描的目的是确定点的位置。因此和其他测量设备一样，衡量三维激光扫描仪精度的指标为单点定位精度。根据三维扫描仪中确定点位的原理，点位测定精度取决于仪器的测距精度和测角精度。 由于点位确定和距离有关，三维激光扫描的精度并不是一个固定值。测距精度受测量长度和测量次数的影响。扫描仪距目标愈远，距离测量的误差就越大，点位精度就越低。测距次数越大，测距精度越高。表4-1:几种常用扫描系统的精度指标 （单次测量）由于三维扫描的点位精度取决于距离测量和角度测量的误差。经过统计，目前无反射测距的最咼精度为3+2ppm,目前无反射测距的最咼精度为3+2ppm,角度测量所能达到最高精度为0.5秒。按照点位确定过程中的误差传播规律，三维扫描中单点位置确定的误差将大于3mm,同时随着扫描仪到扫描目标距离的增大，点位确定的误差将受距离测量和角度测量的误差影响而变大。可见，目前的三维扫描技术并不能达到mm级测绘精度。当扫描目标相位于距扫描仪5米处时，三维扫描量测得结果中包含约3~5mm的误差（由于手工测量比较仔细，可以忽略手工测量结果中的误差）虽然没有得到量测误差与扫描距离的关系，但根据激光测距定位的特点，可以断定随着扫描物体到扫描仪距离的加大，量测误差必将大幅度增加。结论：三维激光扫描技术是最近几年才发展起来的新兴技术，具有广泛的应用领域。三维激光扫描技术的出现及不断发展与推广，给地学信息的获取带来了新的工作方法并是传统的地学调查方法的有益补充。三维激光扫描技术具有绝对的先进技术优势，将其应用到岩土、地质工程领域的工程测量及变形监测有着巨大的应用潜力。近年来，随着激光扫描技术研究及应用的不断深入，有关基于激光扫描数据三维重建技术的研究受到了广泛的关注，国内外已取得一定的研究成果。基于激光扫描数据的建筑物三维模型重建的目标是获得具有较精确三维几