隋正蘇

【摘要】三維激光掃描技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)，其在眾多領(lǐng)域中有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文介紹了三維激光掃描儀目前的應(yīng)用現(xiàn)狀，以及原理和數(shù)據(jù)后處理方法。最后通過沈撫新城生命之環(huán)城市標(biāo)志性構(gòu)筑物垂直度、撓度測(cè)量上的應(yīng)用實(shí)例敘述了Riegl VZ-400掃描儀如何獲取數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接及三維模型的建立。

【關(guān)鍵詞】三維激光掃描儀；數(shù)據(jù)獲??；點(diǎn)云拼接；三維建模；撓度

1. 引言

（1）三維激光掃描技術(shù)^[1]是一門新興的測(cè)繪技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了測(cè)量數(shù)據(jù)從點(diǎn)采集到面采集的轉(zhuǎn)變，極大地提高了被測(cè)物體的信息量，是地理信息技術(shù)發(fā)展的必然需求，是測(cè)繪領(lǐng)域續(xù)GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命。三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢(shì)就是該技術(shù)可以真正做到直接從實(shí)物中進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，不需要進(jìn)行任何實(shí)物表面處理，其激光點(diǎn)云中的每個(gè)三維數(shù)據(jù)都是直接采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，使得后期處理的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠。因此，其已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在文物數(shù)字保護(hù)^[2]、變形監(jiān)測(cè)、土木工程、數(shù)字城市、地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

（2）本文通過與相關(guān)研究事例相結(jié)合，分別介紹了三維激光掃描儀技術(shù)的基本工作原理，并重點(diǎn)介紹了Riegl VZ-400三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)拼接及三維數(shù)據(jù)進(jìn)行建模^[3]；最后，探討此類三維激光掃描儀的應(yīng)用前景。

2. 三維激光掃描儀的基本工作原理^[4]

2.1工作原理概述。

2.1.1根據(jù)三維激光掃描儀種類的不同，工作原理也不盡相同，常見的大致有三種：

（1）使用脈沖測(cè)距技術(shù)（Time of Flight）從固定中心沿視線測(cè)量距離，測(cè)距大于100米，采樣速率1000點(diǎn)/秒以上。

（2）相位干涉方法掃描，利用激光連續(xù)波發(fā)射，根據(jù)光學(xué)干涉原理確定干涉相位的測(cè)量方法，適用于近距離測(cè)量。測(cè)量范圍一般小于50米，采樣點(diǎn)速度率可達(dá)10000～500000點(diǎn)/秒。

（3）利用立體相機(jī)和機(jī)構(gòu)化光源，通過獲得兩條光線信息，建立立體投影關(guān)系。適用于近距離測(cè)量，測(cè)量范圍在20米內(nèi)，采用點(diǎn)速率100點(diǎn)/秒。

2.1.2目前，大多數(shù)激光掃描儀所采用的工作方式是脈沖激光測(cè)距的方法，采用無接觸式高速激光測(cè)量，以點(diǎn)云形式獲取掃描物體表面陣列式幾何圖形的三維數(shù)據(jù)。

2.1.3Riegl VZ-400工作原理主要采用脈沖測(cè)距法（Time of Flight）。其獲取掃描目標(biāo)點(diǎn)云坐標(biāo)原理^[5]為：根據(jù)內(nèi)部精密的測(cè)量系統(tǒng)獲取發(fā)射出來的激光光束的水平方向角α和垂直方向角度θ；由脈沖激光發(fā)射到反射被接收的時(shí)間計(jì)算得到掃描點(diǎn)到儀器的距離值S；見圖1。

2.1.4描反射接收的激光強(qiáng)度，對(duì)掃描點(diǎn)進(jìn)行顏色灰度的匹配。對(duì)于激光掃描儀而言，采樣的是系統(tǒng)局部坐標(biāo)，掃描儀的內(nèi)部為坐標(biāo)原點(diǎn)，一般X、Y軸在局部坐標(biāo)系的水平面上，Y軸常為掃描儀橫方向，Z軸為垂向方向。由此，可得掃描目標(biāo)點(diǎn)P的坐標(biāo)（Xs、Ys、Zs）的計(jì)算公式：

圖1測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算

Xs=Scosθcosα

Ys=Scosθsinα

Zs=Ssinθ

2.2Riegl VZ-400三維激光掃描儀。

（1）Riegl VZ-400三維激光掃描儀是由三維激光掃描儀直接與數(shù)碼相機(jī)、應(yīng)用軟件及其他附件結(jié)合組成。該系統(tǒng)每秒最高可發(fā)射30萬個(gè)激光脈沖，提供高達(dá) 的分辨率。高精度的激光測(cè)距技術(shù)結(jié)合了Riegl獨(dú)創(chuàng)的多回波接收和實(shí)時(shí)波形數(shù)字化分析技術(shù)^[6]（on-line waveform analysis）極大的提高了儀器的數(shù)據(jù)獲取能力。與傳統(tǒng)的一次發(fā)射僅能接收一個(gè)回波脈沖的技術(shù)相比，它可以探測(cè)到多重目標(biāo)、詳盡的描述物體細(xì)節(jié)，并濾除植被和行人車輛對(duì)掃描過程的干擾。而且，該設(shè)備采用的激光技術(shù)是在任何環(huán)境下對(duì)人和動(dòng)物眼睛安全的激光器，它符合（Laser Class1）的激光標(biāo)準(zhǔn)。

（2）在軟件的支持下 ，能進(jìn)行快速精確、 高效穩(wěn)定的掃描 ，同時(shí)可以對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行紋理的精確迭加 ，其分辨率可高達(dá)毫米量級(jí)，利用Riegl三維激光掃描儀能夠在較短的時(shí)間內(nèi)對(duì)感興趣的區(qū)域、樓房、橋梁、室內(nèi)等獲取詳盡的高精度的三維立體影像圖數(shù)據(jù)。

3. Riegl VZ-400三維激光掃描儀建模實(shí)例

為了滿足沈撫新城生命之環(huán)城市標(biāo)志性構(gòu)筑物垂直度、撓度計(jì)算的要求，我單位受承建單位委托，完成了了沈撫新城生命之環(huán)城市標(biāo)志性構(gòu)筑物垂直度、撓度的測(cè)量和計(jì)算工作，筆者也有幸參加了此項(xiàng)工作。

3.1粘貼靶標(biāo)。

粘貼靶標(biāo)要考慮到掃描儀設(shè)置的分辨率、距離要適中，并且還需要掃描儀能夠掃到的范圍內(nèi)粘貼靶標(biāo)。

3.2測(cè)量靶標(biāo)三維坐標(biāo)。

采用Topcon GTS-6001C全站儀，依據(jù)甲方提供的起算點(diǎn)測(cè)量地面控制點(diǎn)所貼靶標(biāo)的平面坐標(biāo)。并用Trimble DiNi12水準(zhǔn)儀對(duì)地面控制點(diǎn)所貼靶標(biāo)進(jìn)行高程測(cè)量。這樣就能提供靶標(biāo)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3三維點(diǎn)云成像測(cè)量。

測(cè)量方法為外業(yè)使用的奧地利三維激光掃描儀Riegl VZ-400掃描目標(biāo)構(gòu)筑物三維點(diǎn)云坐標(biāo)，形成RSP文件，分辨率為1.8″，掃描精度為3mm（100米距離處）

6. 結(jié)束語

本人通過這個(gè)項(xiàng)目取得了一些經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了不少問題需要解決，包括：

（1）對(duì)于地標(biāo)性建筑，掃描站點(diǎn)的布設(shè)十分重要，要保證數(shù)據(jù)不能缺失，造成不必要的工作量。

（2）靶標(biāo)不要貼在反光率高的物體附近，在找靶標(biāo)的時(shí)候不容易辨別。

（3）建模的時(shí)候，尤其是山地要先將山上的數(shù)目雜草先祛除掉，否則會(huì)影響建模的質(zhì)量，導(dǎo)致生成到等高線精度不高。

通過這個(gè)項(xiàng)目?jī)H僅是對(duì)利用Riegl VZ-400三維激光掃描儀建立三維模型的初步嘗試，今后還有許多工作尚待完成。三維激光掃描儀可以快速獲取空間均勻分布且精度較高的點(diǎn)云三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)需求，必定會(huì)成為測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。

參考文獻(xiàn)

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