三维激光扫描仪测量方法与前景展望

２０１１年第１期·北京测绘·

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三维激光扫描仪测量方法与前景展望

张启福1,2，孙现申1

（1.信息工程大学测绘学院，河南郑州450052；2.解放军95972部队甘肃酒泉735018）

[摘要]首先详细论述了三维激光扫描仪测距、测角、扫描及定向的若干方法，然后通过三维激光扫描仪发展现状的介绍，及各项技术参数图表式对比、分析，得出了三维激光扫描仪测程、精度及扫描速率之间的关系。针对三维激光扫描仪的局限性，提出其会向精密定位、多功能集成、完全国产化、软件公用化等方向发展的趋势。

[关键词]三维激光扫描仪；定向原理；坐标系转换；技术参数；发展趋势[中图分类号]P204

[文献标识码]B

[文章编号]1007-3000（2011）01-

随着信息科学技术的不断发展，三维模拟、实物虚拟现实等理论的相继提出，人们对事物的认重构、

识已从平面二维空间，逐渐转向空间三维立体思维模式。三维激光扫描仪的出现解决了这一实际问题，通过三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”，以其非扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、接触、

全自动化、复杂环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标高精度三维数据，并实现三维可视化的重要手段。它极大地降低了测量成本，节约时间，使用方便，而且应用范围广，在工程测量、变形监测、文物保护、森林和农业，医学研究，战场仿真等领域都有很大的发展空间。

图1三角测距原理

2三维激光扫描仪测量原理

可得目标点的三维坐标为：

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#######"########$

三维激光扫描仪基于激光的单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，在注重测量速度和操作简便的同时，保证了测量的综合精度，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。

2.1

测距原理

激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，对于获取空间三维信息具有十分重要的作激光扫描的定位、

用。目前，测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。

（1）三角测距法

三角法测距是借助三角形几何关系，求得扫描中心到扫描对象的距离。激光发射点和CCD接收点位于长度为的高精度基线两端，并与目标反射点构成一个空间平面三角形。如图1所示：

在图1中，通过激光扫描仪角度传感器可得到发射、入射光线与基线的夹角分别为γ、λ，激光扫描仪的轴向自旋转角度α，然后以激光发射点为坐标原点，基线方向为X轴正向，以平面内指向目标且垂直于X轴的方向线为Y轴建立测站坐标系。通过计算

［收稿日期］［作者简介］

2010-06-01

x=cosγsinλL

y=sinγsinλcosaLz=inγsinλsinaL（1）

结合P的三维坐标便可得被测目标的距离S，在公式（1）中，由于基线长L较小，故决定了三角法测量距离较短，适合于近距测量。

（2）脉冲测距法

脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。如图2所示，激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标漫反射后到达接收系统，设测量距离为S，光速为c，测得激光信号往返传播的时间差为△t，则有：

S=1c△t2

（2）

从式（2）中可以看出，影响距离精度的因素主要有c和△t，而的精度主要由大气折射率所决定，目前n的精度很高，对测距影响很小；△t的确定可通过前

张启福（1986—），男，汉族，甘肃会宁人，在读硕士研究生，研究方向：三维激光扫描仪的检校与精度评定。

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是各种连接绕组的线路状态数及运行拍数。

在得到θb的基础上，可得扫描棱镜转过的角度值，再通过精密时钟控制编码器同步测量，便可得每纵向扫描角度观测值为α、θ。个激光脉冲横向、

（2）线位移测量

激光扫描测角系统由激光发射器，直角棱镜和CCD元件组成，激光束入射到直角棱镜上，经棱镜折射后射向被测目标，当三维激光扫描仪转动时，出射的激光束将形成线性的扫描区域，CCD记录线位移

沿判别，高通容阻判别，恒比值判别或全波形检测技术等方法，保证测定精度。脉冲法的测量距离较远，但是其测距精度较低，现在大多数三维激光扫描仪都使用这种测距方式，主要在地形测绘、文物保护、“数字城市”建设、土木工程等方面有较好的应用。

（3）相位测距法

相位法测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，通过测定调制光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差，间接测定往返时间，并进一步计算出被测距离。相位型扫描仪可分为调幅型，调频型，相位变换型等。设激光信号往返传播产生的相位脉冲的频率为f，则所测距离S为：差为准，

S=c准22πf

（3）

量，则可得扫描角度值。

2.3

扫描原理

三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。目前，扫描控制装置主要有：摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜，如图3所示。

摆动扫描镜为平面反射镜，由电机驱动往返振荡，

由公式（3）可知，这种测距方式是一种间接测距方式，通过检测发射和接收信号之间的相位差，获得被测目标的距离。测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究，精度可达到毫米级。

以上三种测距方法各有优缺点，主要集中在测程与精度的关系上，脉冲测量的距离最长，但精度随距离的增加而降低。相位法适合于中程测量，具有较高的测量精度，但是它是通过两个间接测量才得到距离值，所以应用这种测距原理的三维激光扫描仪较少，主要是美国的Faro公司，如LS880、Photon80。三角测量测程最短，但是其精度最高，适合近距离、室内的测量。

2.2

测角原理（1）角位移测量

区别于常规仪器的度盘测角方式，激光扫描仪通过改变激光光路获得扫描角度。把两个步进电机和扫描棱镜安装在一起，分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制微电机，它可以实现对激光扫描仪的精确定位。在扫描仪工作的过程中，通过步进电机的细分控制技术，精确的步距角θb：获得稳步、

θb＝2π

Nrmb

（4）

扫描速度较慢，适合高精度测量。旋转正多面体扫描镜在电机驱动下绕自身对称轴匀速旋转，扫描速度快。

2.4

定向原理

三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定在坐标转换中，设立特制的定向识别标志，通过计向。

算识别标志的中心坐标，采用公共点坐标转换，求得两坐标系之间的转换参数，包括平移参数△x、△y、△z和旋转参数α、β、γ。

图4所示为扫描仪的定向原理。

3

三维激光扫描仪的发展现状

式中，Nr是电机的转子齿数,m是电机的相数，b

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三维激光扫描仪作为光、机、电等技术集成化的新型测绘仪器，种类繁多，按测距原理可分为三角法、脉冲式、相位式和脉冲—相位式激光扫描仪；按测量车载型、手持型及机载型激平台可分为：地面固定型、中距光扫描仪；按测量的扫描距离可分为：短距离型、离型及长距离型激光扫描仪。各种扫描仪在测程范围、扫描视场、扫描速率、测 …… 此处隐藏：5222字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……