三维激光扫描技术原理及行业应用探讨

杨知景 王红艳 郑伶杰 乔周民

（1.河南省测绘工程院，河南 郑州450003；2.郑州智象测绘信息技术有限公司，河南 郑州450003；3.浚县土地勘测设计规划事务所，河南 鹤壁 456250）

1 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术用非接触式高速激光测量方法，获取目标物体的几何数据及影音资料，利用后处理软件对数据进行处理和分析，转换成具有坐标系的三维空间坐标及模型，同时确保能够用多种数据格式输出，以满足空间数据库的数据源的不同应用需求。

1.1 系统组成

三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、计算机、后处理软件、电源以及附属设备组成。

1.2 工作原理

三维激光扫描技术利用激光脉冲发射器，向目标物体发射一束激光脉冲，然后通过反光镜旋转，信号接收器接收反射回来的激光脉冲，记录相关数据，包括每束激光脉冲从发射到被测物表面，再返回设备所经过的时间，以此获取目标到扫描中心的距离。扫描控制模块对每束激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β进行控制，最后经后处理软件自动解算，得出目标的相对三维坐标，经过转换后，在绝对坐标系中表现为三维空间位置坐标或者模型[1]。分阶段流程如图1所示。

图1 分阶段流程图

1.3 技术特点

与传统测量技术相比，三维激光扫描技术的特点有：

（1）非接触式： 三维激光扫描技术是一种非接触式的高速激光测量手段，无需布置反射棱镜，直接扫描目标即可，实现了危险目标、不可达目标的测量[2]。

（2）数字化程度较高：三维激光扫描技术获取的数据均为数字信号数据，具有较高的数字化程度，处理起来较为简便，可用于数据分析、输出及显示。

（3）可扩展性：三维激光扫描技术具有较好的可扩展性，后处理软件人机友好的用户界面，能和其他软件进行数据共享，拓宽了应用范围。

（4）高分辨率：三维激光扫描技术，能快捷采集高质量、高密度的数据，这是高分辨率数据的基础[3]。

1.4 三维激光扫描流程

（1）外业数据采集：通过机载激光扫描仪或地面激光扫描仪，获取高精度点云数据。点云数据是实际物体真实尺寸的复原，包含了对象物体的空间尺寸信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，可以逼真地保留对象物体的纹理色彩信息。

（2）点云数据配准：三维激光扫描仪每次扫描只能得到测区的局部数据，为得到完整的三维数据，需要从不同位置进行多次扫描，每次扫描得到的数据都处在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中。因此，需要在扫描区域设置一些控制标靶，使得相邻的扫描点云图有3个或3个以上的同名控制标靶，通过同名控制标靶将扫描点云数据统一到同一个坐标系下[4]。

（3）数据获取：三维激光扫描技术是对整个测区空间信息的扫描，在使用数据前需要剔除多余的点云数据。

2 三维激光扫描技术的行业应用

2.1 铁路工程

三维激光扫描仪可完成全景测量，对于铁路站场或某特定路段，可以一次完成线路设施、相关建筑物及周边场景的实际尺寸三维空间信息的搜集。具体应用数据效果如图2所示。

图2 铁路工程应用中的三维激光扫描数据

2.2 桥梁改建

随着城市现代化建设的加速，一些桥梁的运载能力已经超出极限，需要扩建或者改造加固，这就需要获取桥梁现状的扫描数据，基于点云数据生成三维桥梁模型，在真三维环境中设计桥梁的改造方案，或直接基于点云快速绘制桥梁的二维结构图。

2.3 矿区作业

在矿区作业时，三维激光扫描仪可用于测量空间尺寸，与大地坐标系相连，制作平面图、截面图、三维空间图，进行体积计算及模型对比等。

2.4 建筑结构安全检测

通过研究三维激光扫描技术的工艺流程和变形监测，探索其在变形监测领域的应用。例如，将扫描得到的建筑物前后两期点云数据进行对比，用一组等间距的横向或纵向截面截取两个扫描面，得到相同位置处两个扫描面之间点云的位移，即可将其视为两个时期的变形量。根据需求控制截面的间距，可得到密度不同的结果。建筑物前后两期点云数据对比如图3所示。

图3 建筑物前后两期点云数据对比分析

2.5 变形、沉降监测

地面三维激光扫描测量系统的工作过程，是一个不断重复的数据采集和处理过程。变形监测的精度要求高，三维激光扫描满足了变形监测的精度要求。利用三维激光扫描的单点定位精度一般可达毫米级，其模型精度还要远高于此，可满足高层建筑的沉降观测、山体滑坡变形监测及局部区域的地表沉降观测的精度要求[5]。

三维激光扫描技术以非接触方式采集数据，具有较高的测量精度和数据采集效率，可获得海量点云数据，实现测量技术从点到面的飞跃，避免以往基于变形监测点数据的应力应变分析结果的局部性和片面性。

2.6 城市规划

通过三维激光扫描技术获取目标对象的高密度、有精确三维坐标的三维激光数据，也称为点云。在精确的三维数字环境中进行分析比依靠二维地图信息要高效得多，因此，点云数据可广泛应用在城市规划工作中。

城市规划以地形图为底图，但传统测绘调查耗时费力，更新周期慢，地形图经常与实际情况不符，而且其精度不够、信息量有限。三维激光扫描技术能够为规划工作者提供高精度的地形三维扫描数据及建筑物、立交桥、电力线等城市三维信息。三维扫描数据经处理后可生成高精度数字地面模型、等高线图及正射影像图，然后通过将点云数据获取的物体模型与影像配准，得到高精度的三维模型。三维激光扫描技术能解决城市规划用地的各项控制标高问题，让建筑、道路、排水的标高相互协调；为道路网的规划提供精确的三维模型，使城市道路的坡度设计既配合地形又满足交通要求[6]。

3 结论

三维激光扫描技术具有高精度、高速度、高分辨率、非接触式以及优良的兼容性等特点，在大型工程、变形监测、城市规划等领域得到广泛应用。通过对三维激光扫描技术的工作原理及其应用进行分析和探讨，对实际工作有一定的指导意义。