【文章內(nèi)容簡介】 載平臺和掃描距離這三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用4兩種方法分類之外，還可以按照儀器的原理來進行分類。把按照脈沖測距這一原理進行量測的掃描儀歸結(jié)為徑向一類。把按照光學干涉原理進行量測的掃描儀歸結(jié)為干涉一類。把通過兩條光線建立地面實物的立體模型的量測方法歸結(jié)為三角法一類。按照用途不同可分為室內(nèi)型和室外型，也就是長距離和短距離的不同， 、而基于脈沖式原理的三維激光掃描儀測程較長，測程最遠的可達 6 公里。按生產(chǎn)廠家的不同可分為：Z+F(德國)，Surphaser（美國） ，Isite (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） ，F(xiàn)aro 等產(chǎn)家。按照掃描平臺的不同可以分為：機載(或星載)激光掃描系統(tǒng)；便攜式激光掃描系統(tǒng)；地面型激光掃描系統(tǒng)。三維激光掃描儀是現(xiàn)今時效性最強的三維數(shù)據(jù)獲取工具。一般情況下可以按照三維激光掃描儀有效的掃描距離進行分類，可分為：（1）短距離激光掃描儀：一般最佳掃描距離為 0. 6～1. 2 m，最長掃描距離不超過 3m，通常情況下，這類掃描儀適合用于小型模具的量測，具有掃描速度快且精度較高的特點，可以多達三十萬個點精度至177。 mm。（2）中距離激光掃描儀。（3）長距離激光掃描儀。（4）航空激光掃描儀。3 三維激光掃描技術(shù)系統(tǒng)本章主要通過詳細的圖解及公式等的羅列從而詳細闡述了三維激光掃描技術(shù)系統(tǒng)的組成，原理、數(shù)據(jù)采集的過程、誤差來源及數(shù)據(jù)處理，以便我們對三維激光掃描的流程有深層次的理解，還通過與傳統(tǒng)測量技術(shù)的對比突顯了三維激光掃描技術(shù)測量技術(shù)的特點。 三維激光掃描系統(tǒng)的組成伴隨著計算機技術(shù)的日益成熟以及電子技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)的應用也越來越廣泛，要求也越來越高，對于三維激光掃描系統(tǒng)的組成也進三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用5行了研究，以陜西科技大學計算機實驗室的掃描系統(tǒng)為例，如圖所示：圖 1 三維激光掃描系統(tǒng)硬件裝置三維激光掃描系統(tǒng)主要由以下幾個方面組成：（1）三維激光掃描儀：本裝置所用的是功率為 3mW 的半導體砷化鎵激光器，點激光測距中的激光被激光面所代替，該掃描儀使用的是高 30cm，寬為 1mm，長度為 200cm 左右的激光面，激光面會自動和物體交會在一起，生成一條測線，這條測線等同于有 5001024 個激光點，因此，從理論上講，把采樣速度提高了5001024 倍。 （2）圖像采集卡：又叫視頻采集卡，它的作用非常重要，將接收到的 CCD送出的視頻信號進行 A/D 轉(zhuǎn)換，然后輸出 YUV 信號，最后進行壓縮。該系統(tǒng)裝置不僅能夠接收 CCD 送出的視頻信號，而且能夠接收含有方位角信息的脈沖信號，然后從脈沖信號中分離出同步信號、方位角信號以及像點信號。（3）旋轉(zhuǎn)平臺：該平臺支撐整個掃描系統(tǒng)，平臺上設置有方向角傳感器，在指令的控制下，它進行平穩(wěn)的啟動、停止、運轉(zhuǎn)，然后產(chǎn)生方位角脈沖信號，一遍視頻采集部分能夠從中分離出同步信號、方位角信號以及像點信號。（4）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：該系統(tǒng)主要作用是將圖像采集卡送出的視頻信號進行三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用6精密測量、高速存貯，并且主處理機在適當?shù)臅r候取回數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，形成三維數(shù)據(jù)，以便進行后續(xù)的模型重建等應用。（5）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：該處理系統(tǒng)主要由計算機組成，包括計算機主機、接口、總線以及專用版卡組成，該裝置計算機主機采用的是 120G 的高速硬盤，內(nèi)存配置為 1G，IBM PC Pentium 為 ，通過接口、總線和專用辦卡將其它 部分組合起來，工作時控制機械臺的起停、轉(zhuǎn)速由運動控制卡控制，圖像由圖像采集卡通過 CCD 攝像機采集，圖像處理、數(shù)值計算在主機上進行。 三維激光掃描儀的工作原理激光掃描儀是運用掃描技術(shù)來量測被測對象的，其中包括工件的形狀及尺寸，它必須采用一個旋轉(zhuǎn)馬達，而且該馬達要有極好的穩(wěn)定度及精度當光束打 ( 射 ) 到由馬達所帶動的多面棱規(guī)反射而形成掃瞄光束。 根據(jù)三角測距原理獲得與拍攝物體之間的距離，進行三維數(shù)據(jù)化處理，其測量原理主要分為測距、測角、掃描、定向四個方面。如圖 31 所示 圖 31 激光掃描儀測量的基本原理三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用7 三維激光測距原理三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復制技術(shù)，是測繪領域繼 GPS 技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。目前，測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。 三角法的原理三角法測距是借助三角形幾何關(guān)系，運用勾股定理，求得掃描中心到掃描對象的距離。如圖所示：在圖 32 中，通過激光掃描儀角度傳感器可得到發(fā)射光線與基線的夾角γ、入射光線與基線的夾角 λ，激光掃描儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度 α，然后以激光發(fā)射點為坐標原點，以基線方向為 X 軸正向，把平面內(nèi)指向觀測目標且垂直于X 軸的方向線的方向作為 Y 軸建立測站坐標系。通過計算可得目標點的三維坐標為：三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用8 （31）???????????L????sinazcosisynx結(jié)合 P 的三維坐標運用三角幾何關(guān)系便可得被測目標的距離 S。 脈沖測距法的原理脈沖法測距的過程是這樣的：由測距儀發(fā)射出激光，然后經(jīng)過被測量物體反射，最后后又被測距儀接收。與此同時，測距儀記錄激光往返的時間。測距儀和被測量物體之間的距離等于光速和往返時間的乘積的一半。如圖 33 所示：圖 33 脈沖激光測距原理工作時，由激光器發(fā)射激出光光束。當光束穿過大氣到達目標后，通過目標反射后返回，最后通過探測器接收。設測量距離為 S，光速為 c，測出從激光發(fā)射到反射光被接收所經(jīng)歷的時間， 根據(jù)運動學中最基本的關(guān)系即可求出目標的距離：三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用9S=1 2c△t （32） 相位測距法的原理相位法測距所用的是無線電波段的頻率。用間接方法測定出光經(jīng)往返測線所需的時間，相位型掃描儀可分為調(diào)幅型，調(diào)頻型，相位變換型等。若調(diào)制光角頻率為 ω，在待測量距離 D 上往一次產(chǎn)生的相位延遲為 φ，則對應時間 t 可表示為： t=φ/ω將此關(guān)系代入距離 D 可表示為 D=1/2 ct=1/2 cφ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f (N+ΔN)=U(N+) （33）由公式（33）可知，這種測距方法是一種間接測距方式，它通過檢測發(fā)射和接收信號之間的相位差，來獲得被測目標的距離。該方法測距精度較高，主要應用在精密測量和醫(yī)學研究等高精度研究上，精度可達到毫米級。 三維激光測角原理 角位移測量掃描儀工作是由步進電機驅(qū)動的，由步進電機步距角和步數(shù)，獲得角位移。在掃描儀工作的過程中，通過步進電機的細分控制技術(shù)，獲得穩(wěn)步、精確的步距角 θb 有下式：θb＝ （34）Nrmb2π三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用10在得到 θb 的基礎上，可得到掃描棱鏡轉(zhuǎn)過的角度值，然后通過精密時鐘控制編碼器進行同步測量，這樣就可以得到每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α、縱向掃描角度觀測值 θ。 線位移測量線位移測量是指指點在直線方向位置的變化量，對于長度的動態(tài)測量就是線位移量的測量它包括：： 光電探測器振蕩器放大整形脈沖激光發(fā)生器電子門控制電路數(shù)字顯示復位電路濾色鏡ctL21?2 2:1101210??NLLdtvfMHzfftt???????多 譜 勒 頻 移多 譜 勒 效 應 產(chǎn) 生三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用11三維激光掃描系統(tǒng)本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成 CCD 和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。在儀器內(nèi)，通過兩個同步反射鏡快速而有序的旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖一次掃過被測區(qū)域，測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的時間（或相位差）來計算距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的角度，最后計算出激光點在被測物體上的三維坐標。4 激光的性質(zhì)本章主要通過對激光性質(zhì)的詳細介紹從而使得對激光的分類有了詳細的認識，同時也使得我們對激光的一些特殊的性質(zhì)有了一定的了解，進而對了解三維激光掃描的原理打下基礎。激光按波段分，能夠分為多波長可調(diào)諧、X 光、紫外線、紅外線、可見光，目前工業(yè)用紅外及紫外激光。激光器有很多種種類，大體可以分為： 固體激光器、半導體激光器、氣體激光器、液體激光器、紅外激光器、X 射線激光器、化學激光器、自由電子激光器、準分子激光器、光纖導波激光器等 方向性好普通光源是朝四面八方發(fā)光，或者說，光輻射沿 4π 立體角分布．它發(fā)出的光輻射可以照亮眼前周圍的地方，但照亮的距離不大。為了擴大照明的距離，可以用光學系統(tǒng)把朝各個方向發(fā)射的光聚集到照明的方向，比如汽車 的前車燈、探照燈等就是用這個辦法擴大照明距離的．因為方向性好，例如其發(fā)散角為 1毫弧度，所以若與相同光功率的普通光源相比，激光器的亮度就比它高4π/（10 3） 2=107倍．也因為激光的方向性好，使得它能照亮很遠的物體．三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及應用12 單色性科學上用光輻射能量集中的頻譜區(qū)間（稱譜線寬度）衡量光的單色性，譜線寬度越窄，它的單色性越好．太陽光輻射能量分布在從紫外至遠紅外的廣闊光譜區(qū)域，所以它談不上單色性．其中氪 86 光源發(fā)射的紅光（波長 ）的譜線寬度最窄，只有 104nm，有單色性之冠之稱． 相干性極好 相干性是表示電磁場在空間不同位置上瞬時的或統(tǒng)計的相位相關(guān)性質(zhì)．一般來說，沿 光束傳播方向和沿橫截面方向的相干長度是不相同的．光波