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第一讲
绪论
激光物理学家爱因斯坦在1961年首次发现激光的原理,1960年,世界上第一台红宝石激光器在美国诞生,激光才第一次被制造出来。激光四大特性:方向性好、亮度高、单色性好、相干性好激光技术是探索开发产生激光的方法以及研究应用激光的这些特性为人类造福的技术总称。自激光产生以来,激光技术得到了迅猛发展,不仅研制出不同特色的各种各样的激光器,而且激光应用领域也在不断拓展。
激光需要用激光器产生,激光器是用来发射激光的装置。激光器按工作介质大体上可分为固体激光器,气体激光器,染料激光器和半导体激光器四大类。伴随着激光技术和电子技术的发展,激光测量也已经从静态的点测量发展到动态的跟踪测量和三维测量领域。三维激光测量技术的产生为测量领域提供了全新的测量手段。
传统的测量方式是单点测量,获取单点的三维空间坐标,而三维激光扫描则自动、连续、快速的获取目标物体表面的密集采样点数据,即点云。实现由传统的点测量跨越到了面测量,实现了质的飞跃。同时,获取信息量也从点的空间位置信息扩展到了目标物的纹理信息和色彩信息。按三维激光扫描系统设备,依据承载平台划分,可分为机载三维激光扫描系统,车载三维激光扫描系统,固定站式三维激光扫描系统,手持式三维激光扫描仪。三维激光扫描技术已经成为空间数据获取的重要技术手段,基于地面的三维扫描系统目前正引起广泛关注,是三维激光扫描发展的一个重要方向。固定站式三维激光扫描系统也称为地面三维激光扫描仪。
基本原理三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪,计算机,电源供应系统,支架以及系统配套软件构成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统主要组成部分之一,又由激光发射器,接收器,时间计数器,马达控制可旋转的滤光镜,控制电路板,微电脑,CCD相机以及软件等组成。激光测距技术是三维激光扫描仪的主要技术之一,激光测距原理主要有:基于脉冲测距法,相位测距法,激光三角法,脉冲-相位式测距法四种类型。目前,测绘领域所使用的三维激光扫描仪主要是基于脉冲测距法,近距离三维激光扫描仪主要采用相位干涉法测距和激光三角法。
脉冲测距法是一种高速激光测时测距技术。脉冲式扫描仪在扫描时激光器发射出单点的激光,记录激光的回波信号,通过计算激光的飞行时间,来计算目标点与扫描仪间的距离。这种原理的测距系统测距范围可以达到几百米到上千米。激光测距系统主要由发射器,接收器,时间计数器,微电脑组成。相位式扫描仪是发射出一束不间断的整数波长的激光,通过计算从物体反射回来的激光波的相位差,来计算和记录目标物体的距离。基于相位测量原理,相位式扫描仪主要用于进行中等距离的扫描测量系统。扫描范围通常在100米内,精度可达毫米量级。
激光三角法是利用三角形几何关系求得距离。先由扫描仪发射激光到物体表面,利用在基线另一端的CCD相机接收物体反射信号,记录入射光与反射光夹角,已知激光光源与CCD之间的基线长度,由三角形几何关系种类型的三维激光扫描系统主要用于工业测量和逆向工程重建中。它可以达到亚毫米级的精度。将脉冲式测距和相位式测距结合起来,就产生了一种新的测距方法——脉冲-相位式测距法。这种方法利用脉冲式测距实现对距离的粗测,利用相位式测距实现对距离的精测。
三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时也会将激光点位置处物体的反射强度值记录,并称之为反射率。内置数码相机的扫描仪在扫描过程中可以方便、快速的获取外界外界物体真实的色彩信息,在扫描,拍照完成后,我们不仅可以得到点的三维坐标信息,也获取了物体表面的反射率信息和色彩信息。所以,包含在点云信息里的不仅有X,Y,Z,Intensity,还包含每个点的RGB数字信息。
点云的主要特点1.数据量大。三维激光扫描数据的点云量较大,一幅完整的扫描影像数据或一个站点的扫描数据中可以包含几十万至上百万个扫描点,甚至达到数亿个扫描点。2.密度高。扫描数据中点的平均间隔在测量时可通过仪器设置,一些仪器设置的间隔可达1.0mm,为了便于建模,目标物采样点通常都非常密。3.带有扫描物体光学特征信息。由于三维激光扫描系统可以接收反射光的强度,因此,三维激光扫描的点云一般具有反射强度信息,即反射率。有些三维激光扫描系统还可以获得点的色彩信息。
7.非规则性。激光扫描仪是按照一定的方位和角度进行数据采集的,采集的点云数据随着距离的增大,扫描角越大,点云间距离也增大,加上仪器系统误差和各种偶然误差影响,点云的空间分布没有一定的规则。以上这些特点使得三维激光扫描数据得到十分广泛的应用,同时也是点云数据的处理变得十分的复杂和困难。
分类与特点根据三维激光扫描系统特性及技术指标不同,可将其划分为不同类型。1.根据承载平台分a.机载型激光扫描系统,b.地面型激光扫描仪系统,此类别可划分为两类,一类是移动式扫描系统;另一类是固
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