三維雷射掃瞄器:產生背景,技術原理,主要分類,基本功能,三維測量,快速掃描,套用領

三維雷射掃描技術又被稱為實景複製技術，是測繪領域繼GPS技術之後的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優勢。三維雷射掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點雲數據，因此可以用於獲取高精度高解析度的數字地形模型。

基本介紹

中文名：三維雷射掃瞄器
外文名：3d laser scanner
別名：實景複製技術
特點：高效率、高精度的獨特優勢
用途：獲取高精度高解析度數字地形模型

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產生背景

三維雷射掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統之後又一項測繪技術新突破。它通過高速雷射掃描測量的方法，大面積高解析度地快速獲取被測對象表面的三維坐標數據。可以快速、大量的採集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。由於其具有快速性，不接觸性，實時、動態、主動性，高密度、高精度，數位化、自動化等特性，其套用推廣很有可能會像GPS一樣引起測量技術的又一次革命。

技術原理

三維雷射掃描技術是近年來出現的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。它是利用雷射測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。由於三維雷射掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數據點，因此相對於傳統的單點測量，三維雷射掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古蹟保護、建築、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建築監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域也有了很多的嘗試、套用和探索。三維雷射掃描系統包含數據採集的硬體部分和數據處理的軟體部分。按照載體的不同，三維雷射掃描系統又可分為機載、車載、地面和手持型幾類。

套用掃描技術來測量工件的尺寸及形狀等原理來工作。主要套用於逆向工程，負責曲面抄數，工件三維測量，針對現有三維實物（樣品或模型）在沒有技術文檔的情況下，可快速測得物體的輪廓集合數據，並加以建構，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數位化模型。

主要分類

按測量方式

可分為基於脈衝式；基於相位差；基於三角測距原理。

按用途

可分為為室內型和室外型。也就是長距離和短距離的不同。一般基於相位差原理的三維雷射掃瞄器測程較短，只有百米左右。而基於脈衝式原理的三維雷射掃瞄器測程較長，測程最遠的可達6公里。

按生產廠家不同

Z+F(德國)，Surphaser（美國），I-site (澳大利亞maptek)，Riegl（奧地利），徠卡（瑞士），天寶（美國），Optech（加拿大），拓普康（日本），Faro等產家。

基本功能

三維測量

傳統測量概念里，所測的的數據最終輸出的都是二維結果（如CAD出圖），在測量儀器里全站儀，GPS比重居多，但測量的數據都是二維形式的，在逐步數位化的今天，三維已經逐漸的代替二維，因為其直觀是二維無法表示的，三維雷射掃瞄器每次測量的數據不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時還有物體反射率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現的感覺，是一般測量手段無法做到的。

快速掃描

快速掃描是掃瞄器誕生產生的概念，在常規測量手段里，每一點的測量費時都在2-5秒不等，更甚者，要花幾分鐘的時間對一點的坐標進行測量，在數位化的今天，這樣的測量速度已經不能滿足測量的需求，三維雷射掃瞄器的誕生改變了這一現狀，最初每秒1000點的測量速度已經讓測量界大為驚嘆，而現在脈衝掃瞄器（scanstation2）最大速度已經達到50000點每秒，相位式掃瞄器Surphaser三維雷射掃瞄器最高速度已經達到120萬點每秒，這是三維雷射掃瞄器對物體詳細描述的基本保證，古文體，工廠管道，隧道，地形等複雜的領域無法測量已經成為過去式。

無臂式手持 3D 掃描系統和雙攝像頭感測器形成了一個獨特的組合，確保在實驗室和工作場所能生成最精確的測量值。這一完備且功能強大的檢測方案提高了測量過程的可靠性、速度和多功能性。在鉸接臂方面與其他 3D 掃瞄器相比較，光學 3D 掃描系統可以完全自由移動，顯著提高了工作效率和質量！

套用領域

作為新的高科技產品，三維雷射掃瞄器已經成功的在文物保護、城市建築測量、地形測繪、採礦業、變形監測、工廠、大型結構、管道設計、飛機船舶製造、公路鐵路建設、隧道工程、橋樑改建等領域裡套用。三維雷射掃瞄器，其掃描結果直接顯示為點雲（pointcloud 意思為無數的點以測量的規則在計算機里呈現物體的結果），利用三維雷射掃描技術獲取的空間點雲數據,可快速建立結構複雜、不規則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現行的三維建模軟體所不可比擬的。

三維雷射掃描技術套用領域：

最近幾年，三維雷射掃描技術不斷發展並日漸成熟，三維掃描設備也逐漸商業化，三維雷射掃瞄器的巨大優勢就在於可以快速掃描被測物體，不需反射稜鏡即可直接獲得高精度的掃描點雲數據。這樣一來可以高效地對真實世界進行三維建模和虛擬重現。因此，其已經成為當前研究的熱點之一，並在文物數位化保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域有廣泛的套用。

（1）測繪工程領域：大壩和電站基礎地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋樑、建築物地基等測繪、隧道的檢測及變形監測、大壩的變形監測、隧道地下工程結構、測量礦山及體積計算。

（2）結構測量方面：橋樑改擴建工程、橋樑結構測量、結構檢測、監測、幾何尺寸測量、空間位置衝突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平台、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業企業內部設備的測量；管道、線路測量、各類機械製造安裝。

（3）建築、古蹟測量方面：建築物內部及外觀的測量保真、古蹟（古建築、雕像等）的保護測量、文物修復，古建築測量、資料保存等古蹟保護，遺址測繪，贗品成像，現場虛擬模型，現場保護性影像記錄。

（4）緊急服務業：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監視，移動偵察，災害估計，交通事故正射圖，犯罪現場正射圖，森林火災監控，滑坡土石流預警，災害預警和現場監測，核泄露監測。

（5）娛樂業：用於電影產品的設計，為電影演員和場景進行的設計，3D遊戲的開發，虛擬博物館，虛擬旅遊指導，人工成像，場景虛擬，現場虛擬。

（6）採礦業：在露天礦及金屬礦井下作業，以及一些危險區域人員不方便到達的區域。例如：塌陷區域、溶洞、懸崖邊等進行三維掃描。

發展方向

近些年來，三維雷射掃瞄器已經從固定朝移動方向發展，最具代表性的就是車載三維雷射掃瞄器和機載三維雷射雷達。

車載三維雷射掃瞄器

車載三維雷射掃瞄器的系統感測器部分集成在一個可穩固連線在普通車頂行李架或定製部件的過渡板上。支架可以分別調整雷射感測器頭、數位相機、IMU與 GPS天線的姿態或位置。高強度的結構足以保證感測器頭與導航設備間的相對姿態和位置關係穩定不變。

道路和高速公路方面的套用：

1.公路測量，維護和勘察

2.公路資產清查（交通標誌，隔音障，護欄，下水道口，排水溝等）

3.公路檢測（車轍，道路表面，道路變形）

4.公路幾何模型（橫向和縱向的剖面分析）

5.結構分析（立交橋）

6.淹水評估分析

7.在 GIS系統中的疊加分析

8.滑坡分析，危害評估（滑坡變形測量與危害分析，滑石和流水分析）

9.交通流量分析，安全評估和環境污染評估

10.土石方量分析

11.駕駛視野和安全分析

機載雷射三維雷達系統

機載雷射三維雷達系統（Light Detection And Ranging，簡稱LiDAR）是一種集雷射掃瞄器（Scanner）、全球定位系統(GPS)和慣性導航系統(INS)以及高解析度數位相機等技術於一身的光機電一體化集成系統，用於獲得雷射點雲數據並生成精確的數字高程模型（DEM）、DSM（數字表面模型），同時獲取物體DOM（數字正射影像）信息，通過對雷射點雲數據的處理，可得到真實的三維場景圖。

2、3代三維掃瞄器各有什麼特徵？

第1代的特點是逐點掃描，速度慢。如三坐標測量機CMM. 該類掃瞄器發展最早，精度微米級。
第2代的特點是逐線掃描，速度仍然較慢，如雷射線掃瞄器該類掃瞄器發展於上世紀90年代，精度絲級。
第3代的特點是面掃描，速度非常快, 該類掃瞄器發展於20年代.精度0.1mm

第3代三維掃瞄器，3DSS的主要特點是什麼？

· 一次測量一個面，掃描速度極快，數秒內可得到100多萬點
· 便攜，可搬到現場進行測量
· 工件或測量頭可隨意調節成便於測量的姿勢
· 大景深（可達300~500mm)
· 測量範圍大
· 精度低: 0.1mm
· 測量點分布非常規則
· 大型物體分塊測量、自動拼合

三維雷射掃瞄器