一、      三维激光扫描技术简介

1  三维激光扫描仪原理与应用

1.1三维激光扫描仪原理 三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑和软件等组成。激光脉冲发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，最后由微电脑通过软件，按照算法处理原始数据，从中计算出采样点的空间距离;通过传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描;然后进行数据整理从而获取目标表面的点云数据。

1.2三维坐标确定方法

       1.3 三维激光扫描仪应用

量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模

空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用

正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原

结构特性分析、试验工程仿真、后数据测计量、目标形变监测

工程技效评估、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析

对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试

整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程

历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修

应用领域：

包括：核电站，文物，考古，建筑业，航天，航空，船舶，制造，军工，军事，

石化，医学，水利，能源，电力，交通，机械，影视，教学，科研，汽车，公安，市政建设......      

   2  点云数据处理与建模

       2.1 点云的预处理 由于扫描过程中外界环境因素对扫描目标的阻挡和遮掩，如移动的车辆、行人树木的遮挡，及实体本身的反射特性不均匀，需要对点云经行过滤，剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中，需要选择合适的过滤算法来配合这一过程自动完成。

       2.2 点云配准 使用控制点配准，将点云配准到控制网坐标系下；靶标缺失的点云，利用公共区域寻找同名点对其进行两两配准，当同名点对不能找到时，利用人工配准法。后两种方法均为两两配准，为了将所有点云转换到统一的控制网坐标系下与控制点配准法得到点云配在一起，两两配准时要求其中一站必须为已经配到控制网坐标系下的点云。

       2.3 点云拼接 外业采集的数据导入至软件时会根据坐标点自动拼接，但由于人为操作和角架的误差，一些点云接合处不太理想，这时需要进行手动拼接，对一些无坐标补扫面的拼接也需手动处理。手动拼接时对点云应适当压缩，选择突出、尖角、不同平面的特征点，以降低操作误差。如采用1cm激光间隔扫描时拼接后的误差在3mm以下较为理想。

       2.4 建立三维模型 当建筑物数字化为大量离散的空间点云数据后，在此基础上来构造建筑物的三维模型。

       2.5 点云的漏洞修复 由于点云本身的离散性，会导致模型存在一定缺陷，需要在多边形阶段对其进行修补、调整等操作后，才能得到准确的实物数字模型。由于建筑物形状复杂多样，所以目前网格的修补难以实现全自动化。点云数据的漏洞修复主要采用两种方法:当空洞出现在平面区域内，比如窗户或者墙面上的洞，可采用线性插值的方法填补空洞数据;当空洞出现在非平面区域，如圆柱上出现的漏洞，可采取二次曲面插值方法。

二、     目前市场上的三维激光扫描仪

目前市场上销售的射程大于10米的三维激光扫描仪有许多不同的型号。如何看懂各个厂家的参数和配置，性能的优劣，尽量不受销售代表的误导，选择适合自己应用的型号，是一个比较困难的问题。本文现就一些常见的问题做一个简要的和客观的介绍。1 三维激光扫描仪的类型：

1.1目前市场上销售的三维激光扫描仪按扫描方式划分有两种：    基于时间-飞行差，又称脉冲式；    基于相位差，又称相位式。 1.2脉冲式测量的过程是这样的:测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物体之间的距离.在通过软件，计算出三维数据。如下图

相位式测量是用无线电波段的频率.对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟.再根据调制光的波长.换算此相位延迟所代表的距离.通过软件计算出三位数据。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间.如图所示.

由此可以得出结论：相位式比脉冲式测量精确。

2两种方式三维激光扫描仪主要性能特点。

 2.1脉冲式

a. 射程：大于200米，最远的甚至达到6,000米；b. 精度：对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程：< 2,000米）： ±2 mm –±7 mm （测量距离 27,000赫兹，它在完成一个全景（360度水平）的最高精度扫描所需的时间小于10分钟。而天宝的GS系列，它在完成一个全景（360度水平）的最高精度扫描所需的时间大于80分钟。Riegl的最新型VZ-400（PRR=300,000赫兹），完成一个全景（360度水平）的最高精度扫描所需的时间小于2分钟。另一方面，三维激光扫描仪的脉冲发射频率和精度是有多重的选择档。因此选择的发射频率和精度（即角分辨率）越低，完成一个全景（360度水平）扫描所需要的时间越短。最低精度的全景扫描往往只需要几十秒钟。2 激光扫描速度Scan Rate：有些厂家，如徕卡，常常给出激光扫描速度：如激光扫描速度5,000点/秒（ScanStation1）或50,000点/秒（ScanStation 2）。它实际上是发自激光器的单位时间的激光点数，PRR即激光重复发射频率。从物理上讲，这种定义是不对的，激光扫描速度应该指的是单位时间内激光所扫描的长度值但是，习惯成自然，目前三维激光扫描仪行业内就把脉冲激光的发射频率即PRR，当做扫描速度参数。

2       如何鉴定设备的激光发射频率或激光扫描速度

由于到目前为止，也没有一个官方的组织和检校机构来对激光扫描仪进行质量鉴定，因此有关激光扫描仪的发射频率、最大测量距离、测量精度也没有一个统一的评判标准，只能靠各个厂家和用户自己来裁定。实际上，即使激光扫描仪发射了5,000点/秒，激光扫描仪最多只能接受到1/3，其余的2/3都被散射了。如果垂直方向的角度大于±40度，激光扫描仪在单位时间内所能够接受到的激光点的数量还要小于1/3，甚至小于1/5。因此Riegl公司就专门给出了一个参数：Maximum Measurement Rate 单位时间内能够接收（测量）到的最多激光点云数目。这是一个可以由用户自己来检查的参数。如：许多用户对比了徕卡公司的ScanStaion1和ScanStation2，发现其所有参数都一样，只有激光扫描速度由5,000点/秒提高到50,000点/秒，而且前后推出的时间不到一年。在使用时，也没有感觉到激光点云的密度有多大的增加。由于用户不能拆开激光扫描仪，即使有疑问，也束手无策。但是，我们可以选择一个扇墙，将垂直角度设定在±10度以内，水平扫描角度设为20度，扫描距离小于50米，然后对20秒时间内的扫描结果进行评判。如果接受到的激光点云数目远小于50,000点/秒的1/3（即17,000点/秒X 20秒=340,000点），那就说明你的质疑是对的。

3       激光扫描的最大距离

每一款的激光扫描仪的最大扫描距离与光线的强弱、由此所引起的物体反射率的变化、垂直扫描角度的大小等相关。

4.1脉冲式

徕卡、天宝、Optech等公司喜欢用发射率为90%的物体作为参考物体，而Riegl公司喜欢用发射率为80%的物体作为参考物体。我们知道，当光打到物体反射率越高的物体，所反射回来的光信号越多，强度越高，因此，激光扫描仪的射程也越远。但是，大多数的地面、建筑物的反射率为40%--50%，大多数的树木的反射率为30%--70%，煤和沥青路面在15%和25%之间，因此在实际应用中，我们要对设备的最大射程打折。对于不同公司的产品，因为他们所依据的基础反射率不同，打折幅度不同。以建筑物扫描为例，对于Riegl的扫描仪，打六折，Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z210ii ：最大扫描距离（反射率为80%）600米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用 360米Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z390i ：最大扫描距离（反射率为80%）400米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用240米Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z420i ：最大扫描距离（反射率为80%）1,000米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用600米Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z620 ：最大扫描距离（反射率为80%）2,000米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用1,200米Riegl三维激光扫描仪型号VZ -400 ：最大扫描距离（反射率为80%）500米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用300米Riegl三维激光扫描仪型号LPM-321 ：最大扫描距离（反射率为80%）6,000米；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用 3,600米

对于地形地貌等应用，由于对于激光点的密度要求不很高， 使用Riegl扫描仪时，可以打8—9折。

对于Optech和徕卡的三维激光扫描仪，折要打得多些。根据用户的使用和我们的检验，Optech的ILRIS-3D标定的最大射程参数为1,200米到1,500米（多种配置），不论它如何标定，增强型与否，对于建筑物扫描和地形地貌为例，在实际应用中，它的最大射程大约在500米。对于徕卡的ScanStation1和ScanStation2，经过德国的汉堡大学的测试，在使用HDS黑/白发射片时（反射率>90%），最大射程为200米。在实际应用中，对于建筑物和地形地貌扫描，它的最大射程大约在120米。

4.2相位式激光扫描仪

LeicaHDS6200标定最大测距79米时，在室内应用时，最大距离应该在50米以内；在室外应用时，阴天可在30米以内使用，晴天20米或不用。晴天时20处，Leica公司标配的标靶都不可识别了。

FARO Photon 120 据说最远能够达到153米，据实验能目前最高反射率物体（90％以上）能达到100米就不错了。

Surphaser产品目前是严格按照欧美标准制定，制定方法主要是针对行业应用。实际测量范围比规定范围要大的多。

      SR标称0.2-5米 是定义的高精工业级别，实际在普通环境中可达35米，并保证精度0.3mm。如果在黑暗环境可达46米。 IR_X 标称0.4-19米  实际 0.4-45米精度0.3mm

                MR_X 标称1-30米  实际0.5-50米精度0.5mm

      ER_XQ 标称 1.5-50米 实际 1-70米精度0.5mm

                ER_XS 标称 1-70米 实际 1-140米精度0.8mm

4       扫描精度

5.1脉冲式

精度测量重复性好，受光线影响小，但是如果垂直扫描角度较大时，由于激光点云的斑点形状变形（圆形的成为椭圆或畸形），也会使精度显著降低。Riegl公司和天宝习惯以100米的距离来标定其产品的测量精度，而其他厂家喜欢用50米的距离来标定，建议不要混淆了。另外，由于精度与所使用的标靶的反射率和形状以及垂直扫描角度密切相关，徕卡、Optech、天宝、Z&F、Faro等公司所给出的精度全是在最理想的标靶情况下得出的，因此，用户不可能指望他在使用中能够重复厂家所给出的精度，甚至相差很多。如徕卡的scanstation2，厂家给出的点位精度为±6mm，距离精度为±4mm (50米距离)。但是，在实际应用中，即使你使用徕卡推荐的标靶，在50米的距离，采用小的垂直扫描角度，你也达不到8mm的精度，请不要沮丧，因为他们使用的标靶是不一样的。但是，Riegl公司的测量精度往往给的“非常保守”。如LMS-Z420i，厂家给出的精度为±10mm（100米距离）。即使你对着一堵墙去扫描，你也会发现达到该精度毫不费力。如果你访问Riegl的网站，其最新型的VZ-400，精度为±5 mm（100米距离）。但是，在使用该激光扫描仪对于建筑物的实际测量中，精度为±5 mm（受到树木遮挡的墙面区域，100米距离）；而在没有受到树木遮挡的墙面，其单点距离的测量精度为