地面三维激光影像扫描测量技术

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铁 路 航 测 2003年第2期

地面三维激光影像扫描测量技术

郑德华 雷伟刚

(同济大学测量与国土信息工程系,上海200092)

摘 要 主要介绍了目前先进的获取地面空间多目标三维数据的激光影像扫描测量技术。详

细地阐述了地面三维激光影像扫描仪工作的基本原理及一些仪器的性能指标和特点,并对地面三维激光影像扫描仪的应用领域进行了分析。

关键词 三维激光影像扫描仪 测量原理 工程应用

TheTechniqueofLand3DLaserScanningand

ImagingSurveying

ZhengDehua LeiWeigang

(DepartmentofSurveyingandGeomatics,TongjiUniversity)

Abstract Theadvancedtechniqueofland3Dlaserscanningandimagingsurveyingisintroducedinthe

paper.Fundamentalprincipleofsurveyingandtechnicalindexof3Dlaserscanningimagingrange-finderareexpat-iatedindetail,Applicationscopesofinstrumentarealsointroducedinthepaper.

Keywords 3Dlaserscanningimagingrange-finder;Surveyingprinciple;Engineeringapplication

扫描测量技术还用于工业产品的模具设计和制造,如纳米晶陶瓷材料和零件的快速成型工艺、汽车模型制造,手机模型设计等领域。微观和短距离三维激光扫描测量精度已经达到1Lm,甚至更高。长距离激光测距技术用于工程建设和科学研究也相当成熟,如城市工程控制网距离测量、激光测卫技术。近几年来,由于长距离三维激光扫描技术在获得多目标空间点阵数据方面取得了新的突破,发达国家首先将这项技术应用于机载激光测高方面和城市三维影像模型建立方面。目前,地面三维激光影像扫描仪的应用,为人们获取丰富的空间信息提供了一种全新的技术手段,测绘人员从传统的单点采集数据变为连续自动获取数据,从而提高了测量的效率,拓宽了测绘技术的应用领域。当

收稿日期:2002108

第一作者简介:郑德华(1972)),男,同济大学博士生,河海大学土木工程学院讲师,主要从事精密工程测量教学科研工作。在5土木工程学报6、5工程勘察6、5测绘工程6、5测绘通报6、5江苏测绘6发表7篇学术论文。

1 概述

随着激光技术的快速发展,三维激光扫描技术的应用也越来越广泛。三维激光扫描技术已经较为广泛地应用于医学研究与临床诊断治疗、机器人三维可视化等方面。在工业领域中主要用于:微细图形的测量,如微米大小的集成电路元件;电子束刻划的0.01Lm量级的电子器件中的元件;磁饱和记忆器等装置中的亚微米线条;磁盘存储器中磁头的缝隙;磁盘磁记录介质膜的厚度;光学元件表面上的镀膜;金属表面上蒸镀和刻蚀的薄膜等。已经成熟的微观和短距离三维激光

前,国内很多科研院校正在加快地面三维激光影像扫描技术的基础理论和技术应用方面的研究。

2 三维激光影像扫描仪测量原理

地面三维激光影像扫描测量技术:郑德华 雷伟刚

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技术的新型测绘仪器,采用非接触式高速激光测量方式,以点云形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据。仪器主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。

2.3 激光扫描三维测量原理

地面三维激光扫描仪通过数据采集获得测距观测值S,精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值A和纵向扫描角度观测值H。地面激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统,X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直(如图2所示)。由此可得到三维激光脚点坐标的计算公式

:

X=ScosHcosA

Y=ScosHsinAZ=SsinH

2.1 激光测距系统

激光测距技术发展已经相当成熟,目前激光测距原理主要有脉冲法测距、干涉法测距和相位差法测距3种。在微观领域及短距离内的三维激光扫描仪主要

采用相位差法或干涉法测距。目前,地面三维激光影像扫描仪主要采用的脉冲法测距是一种高速激光测时测距原理。测距过程主要分为4个环节:激光发射、激光探测、时延估计和时延测量。

(1)激光发射:一个激光脉冲发射体在触发脉冲的作用下,激光发出一个极窄高速激光脉冲,通过扫描镜的转动并反射向物体,同时,激光信号被取样而得到激光主波脉冲。

(2)激光探测:通过同一个扫描镜和望远镜收集经过物体反射回来的激光回波信号转换为电信号。

(3)时延估计:对不规则的激光回波信号进行相应相关处理,估计出对目标测距的时延,生成回波脉冲信号,该脉冲信号的前沿代表目标物体回波的时延。(4)时间延迟测量:由精密原子钟控制的精密计数器通过距离计数方法测量出激光回波脉冲与激光发射主脉冲之间的时间间隔。

图2 激光扫描三维测量原理

3 地面三维激光影像扫描仪性能及特点3.1 3种典型地面三维激光影像扫描仪技术指标

地面三维激光影像扫描仪经过近几年的发展,在测程范围、测距精度、测量速度、测量采样密度、激光安全等方面取得较大的进步,测量数据处理软件功能方面也趋于完善。目前,国内正在对国外几种商用地面三维激光影像扫描仪进行初步研究和应用。各种地面三维激光影像扫描仪具体性能具有一定差别(见表1)。表1 3种典型地面三维激光影像扫描仪主要技术指标

2.2 激光扫描系统

对于激光扫描技术,目前用得最多的是光机扫描、电镜扫描、多棱镜扫描和全息光栅扫描技术。大范围的扫描幅度、高精度的小角度扫描间隔及高帧频成像技术是地面三维激光影像扫描测量技术的主要要求。地面三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动,使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描(见图1)

。

图1 地面三维激光扫描系统

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从以上几种地面激光影像扫描仪的主要测量技术指标可以看出,在无棱镜反射激光扫描测程已可达到1500m,测距精度可达到毫米级,扫描数据采样率每秒超过1000点。此外,各种仪器均备有功能强大的点云数据处理软件,如ILRIS-3D的InnovMetric软件、Cyrax2500的Cyclone软件和LMS-Z420的后处理软件(3D-RiScan、Polyworks和Platin),具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。

程模板制作。

3.2 地面三维激光影像扫描仪的主要特点

三维激光影像扫描仪是一种非接触式主动测量系统,可进行大面积高密度空间三维数据的采集。与近景摄影测量相比,具有点位测量精度高、采集空间点的密度大速度快、不需要建立控制点就可以建立DSM模型和建筑物模型等特点。三维激光影像数据可以提供首次回波脉冲和尾次回波脉冲测量数据,同时也融合了激光反射强度和物体色彩等信息,为测量目标的识别分析提供了进一步的研究内容。

图3 同济大学校园孔子像点云图

4.4 其它方面的应用

地面三维激光影像扫描仪可应用于复杂工业设备的测量与建模、房屋建模与房产图测量、工程建筑物变形监测、灾害三维实时监测、事故灾害评估、土木工程建

设及资料管理和大型水利工程安全监测与研究等方面。

4 工程应用研究

4.1 带状地形测图数据采集

地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内,进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中,用地形和地物的三维点云数据建立模型, …… 此处隐藏：2832字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……