三维激光扫描测量技术及在测绘领域的应用

作者: 何浩鹏

发布时间: 2017-03-15

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导读: 三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段,为信息数字化发展提供了必要的生存条件。


       随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现,人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法,在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟,新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量,GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标,但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展,基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流,但它在由三维世界转换为二维影像的过程中,不可避免地会丧失部分几何信息,所以从二维影像出发理解三维客观世界,存在自身的局限性。因此,上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求,如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段,为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代,随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降,它在测绘领域成为研究的热点,应用领域不断扩展,逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。

 

一、三维激光扫描测量技术的特点

三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性,采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据,能够对任意物体进行扫描,且没有白天和黑夜的限制,快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点,可以极大地降低成本,节约时间,而且使用方便,其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前,生产三维激光扫描仪的公司有很多,它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同,可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后,选用不同的三维激光扫描仪产品。

 

二、三维激光扫描技术发展:

激光雷达(Light Detection and Ranging,简称LIDAR)是利用激光测距原理确定目标空间位置的新型测量仪器,通过逐点测定激光器发射信号与目标反射信号的相位(时间)差来获取激光器到目标的直线距离,再根据发射激光信号的方向和激光器的空间位置来获得目标点的空间位置。通过激光器对物体表面的密集扫描,可获得物体的三维表面模型。三维激光扫描测绘技术的测量内容是高精度测量目标的整体三维结构及空间三维特性,并为所有基于三维模型的技术应用而服务;传统三维测量技术的测量内容是高精度测量目标的某一个或多个离散定位点的三维坐标数据及该点三维特性。前者可以重建目标模型及分析结构特性,并且进行全面的后处理测绘及测绘目标结构的复杂几何内容。如:几何尺寸、长度、距离、体积、面积、重心、结构形变,结构位移及变化关系、复制、分析各种结构特性等;而后者仅能测量定位点数据并且测绘不同定位点间的简单几何尺寸,如:长度、距离、点位形变、点位移等。按 照空间位置分类,三维激光扫描设备可分为:机载类和地面类。

1.机载扫描激光雷达

机载激光雷达简称LIDAR是指在飞机上搭载激光雷达、数字相机和定位定姿装置,以获取具有影像真实感的高精度数字表面模型(DSM)和数字高程模型(DEM)的新型测绘装备。

 LIDAR系统通过扫描装置,沿航线采集地面点三维数据,通过特定方程解算处理成适当的影像值,生成LIDAR数据影像和地面高程模型DEM。系统可自动调节航带宽度,使其与航摄宽度精确匹配。在不同的实地条件下,平面精度可以达到0.15 至1米,高程精度可达到10厘米,间隔可达到2-12米。LIDAR是为综合航摄影像和空中数据定位而设计的,其独特性在于能快速为数字制图和GIS应用提供精确的地面模型数据。由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度影响,从而大大提高了数据采集的质量。其高程数据精度不受航高限制,比常规摄影测量更具优越性。LIDAR应用多光束返回采集高程,数据密度可达到常规摄影测量的三倍,可提供理想的数字高程模型DEM,大大提高了正射影像纠正精度。LIDAR数据经过处理,可以直接与其它类型要素或影像数据合并,生产内容更为丰富的各类专题地图。机载激光雷达系统与数字航摄仪、机载GPS及惯性导航系统(INS)相结合,使用大容量高速计算机,经过专用软件处理,可在空中完成地面高程模型DEM及数字正射影像图DOM的大规模生产,将大大提高航测成图的作业生产效率,减少生产环节,缩短生产周期,提高成图精度,提供更为丰富的地理信息。

2.地面激光扫描雷达(激光扫描仪)

地面激光扫描雷达也称激光扫描仪,地面激光扫描雷达按照平台分为地面、车载、船载和手持等类型。地面激光雷达(Ground-Based Light Detection and Ranging, Ground-Based LIDAR)小型便捷、精确高效、安全稳定、可操作性强,能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像,能提供准确的定量分析,可广泛应用于各相关领域,如快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等领域。地面三维激光扫描是在地面利用激光扫描装置自动、系统、快速(准实时) 获取对象表面的三维坐标的测量技术。它是一种高精度的测量手段,中、长距离的地面激光扫描仪的单点定位精度在±2 毫米至±25 毫米之间。激光扫描与传统的单点测量(如全站仪、GPS 测量) 不同,可以获取被扫对象表面成千上万个点的三维坐标,而且可以获取对象表面的深度影像信息。目前有瑞士Leica,美国的Tremble等公司有商用产品,每台在150万元左右,作用距离大多在100米以内。国内已经有很成功的地面激光扫描仪,当前最大测距为200米,成本是进口的一半,换装大功率激光器后可以增大测量距离,根据需要可以达到1000米以上。

 

三、三维激光扫描技术的数据处理:

利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型时,不同的应用对象、不同点云数据的特性,三维激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。概括地讲,整个数据处理过程包括数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化。数据采集是模型重建的前提,数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据,降低模型重建的复杂度,提高模型重构的精确度和速度。数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点扫描数据的配准及融合等;模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。实际应用中,应根据三维激光扫描数据的特点及建模需求,选用相应的数据处理策略和方法。

 

四、三维激光扫描技术的应用探讨:

随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展,其应用领域日益广泛,如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等,逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。三维激光扫描技术的介入促进了应用领域的发展,同时应用领域的大量需求成为其研究的动力,三维激光扫描测量技术在测绘领域有广泛的应用。激光扫描技术与惯性导航系统(INS)、全球定位系统(GPS)、电荷耦合(CCD)等技术相结合,在大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强大的优势,成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。同时在工程、环境检测和城市建设等方面均有成功的应用实例,如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、建立3D城市模型、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等。下面简要介绍一下主要应用:
     ①立体模型的建立:此项功能是三维激光扫描技术的强项,主要用于物体立体模型的建立(房屋、桥梁、城堡、厂区设备等)、考古与文物保护、工业设备计测、三维数字地面模型建立、三维城市漫游建立,满足未来3D数据采集等方面。
     ②借助机载和船载激光扫描设备可以完成水地和地面地形测量。
     ③滑坡监测和确定滑坡区域:通过比较两次或多次扫描数据,从而进行分析和确定滑坡区域和对滑坡区域检测,达到减灾防灾和对灾害造成范围的确定。
     ④逆向工程中的应用,是针对一现有工件样品或模型,利用手持三维激光扫描仪准确快速地将轮廓坐标测得,并加以建构曲面,编辑、修改后传输到CAD模型系统,再由工路径送至加工机,制作所需模具或送到快速成型机将样品模型制作出来。

五、结束语

三维激光扫描技术是快速获取三维空间信息的重要手段之一,特别对于测绘领域来说,伴随三维激光技术的不断完善与发展,以及三维控制信息需求的增加,三维空间技术将和现代经典测量技术相互融合,作为一种新的空间数据采集手段,三维激光扫描技术将具有广阔的发展空间,成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段。
(作者:徐晓雄 刘松林 李白)