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三维激光扫描仪分类及原理.

三维激光扫描仪分类及原理

地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表，有人称

“三维激光扫描系统”是继GPS(GlobalPositionSystem)技术以来测绘领域

的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技

术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，

将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶

段。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三

维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数

据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、

主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需

复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境

下应用；并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。三维激光扫描技

术作为目前发展迅猛的新技术，必定会在诸多领域得到更深入和广泛的应用。

对空间信息进行可视化表达，即进行三维建模，通常有两类方法：基于图像

的方法和基于几何的方法。基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型，其

数据来源是数码相机。而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据

来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。

三维激光扫描仪的分类：

三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系

统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。

三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具可以划分为不同

的类型。通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为：

（1）短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为

0.6～1.2m，通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且

精度较高，可以多达三十万个点精度至±0.018mm。例如:美能达公司出品的

VIVID910高精度三维激光扫描仪，手持式三维数据扫描仪FastScan等等，都

属于这类扫描仪。

（2）中距离激光扫描仪：最长扫描距离小于30m的三维激光扫描仪属于

中距离三维激光扫描仪，其多用于大型模具或室内空间的测量。

图2地面激光扫描仪测量的基本原理

整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属

设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何

图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处

理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足

空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。

图3地面激光扫描仪系统组成与坐标系

目前阶段，需要通过两种类型的软件才能使三维激光扫描仪发挥其功能：

一类是扫描仪的控制软件；另一类是数据处理软件。前者通常是扫描仪随机附

带的操作软件，既可以用于获取数据，也可以对数据进行相应处理，如Riegi

扫描仪附带的软件RiSCANPro；而后者多为第三方厂商提供，主要用于数据处

理。Optech三维激光扫描仪所用数据处理软件为Polyworks10.0。

三维建模的步骤：

三维激光扫描系统采集的数据为点云数据，点云数据处理一般包含下面

几个步骤：噪声去除、多视对齐、数据精简、曲面重构。

噪声去除指除去点云数据中扫描对象之外的数据。在扫描过程中，由于某

些环境因素的影响，比如移动的车辆、行人及树木等，也会被扫描仪采集。这

些数据在后处理就要删除。

多视对齐其指由于被测件过大或形状复杂，扫描时往往不能一次测出所有

数据，而需要从不同位置、多视角进行多次扫描，这些点云就需要对齐、拼接

称为多视对齐。点云对齐、拼接可以通过在物体表面布设同名控制点来实现。

多视对齐的实质是计算满足如下目标函数的旋转和平移变换矩阵R，T：

2