三维激光扫描分类及工作流程

一、 地面激光扫描系统

1、概述

地面激光扫描仪系统类似于传统测量中的全站仪，它由一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机，以及软件控制系统组成。二者的不同之处在于激光扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是一系列的“点云”数据。这些点云数据可以直接用来进行三维建模，而数码相机的功能就是提供对应模型的纹理信息。

2、工作原理

三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。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。获得P的坐标。进而转

换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。

3、作业流程

整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。

（1）、数据获取

利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体和反射参照点进行扫描，尽可能多的获取实体相关信息。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息，点云的发射密度值，以及内置或外置相机获取的影像信息。这些原始数据一并存储在特定的工程文件中。其中选择的反射参照点都具有高反射特性，它的布设可以根据不同的应用目的和需要选择不同的数量和型号，通常两幅重叠扫描中应有四到五个反射参照点。

（2）、数据处理

1) 数据预处理

数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数据进行预处理，

应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。

2)数据拼接匹配

一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的，这需要我们在不同的位置对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。在扫描过程中，扫描仪的方向和位置都是随机、未知的，要实现两幅或多幅扫描的拼接，常规方法式是利用选择公共参照点的办法来实现这个过程。这个过程也叫作间接的地理参照。选取特定的反射参照目标当作地面控制点，利用它的高对比度特性实现扫描影像的定位以及扫描和影像之间的匹配。扫描的同时，采用传统手段，如全站仪测量，获得每幅扫描中控制点的坐标和方位，再进行坐标转 换，计算就可以获得了实体点云数据在统一的绝对坐标系中的坐标。这一系列工作包含着人工参与和计算机的自动处理，是半自动化完成的。

（3）、建模

1) 算法选择

在数据处理完成后，接下来的工作就是对实体进行建模，而建模的首要工作是数学算法的选择。这是一个几何图形反演的过程，算法选择的恰当与否决定最终模型的精度和和数据表达的正确性。

2) 模型建立和纹理镶嵌

选择了合适的算法，可以通过计算机直接对实体进行自动建模。点云数据保证了表面模型的数据(DSM)，而影像数据保证了边缘(Edges)和角落(Comer)的信息完整和准确。通过自动化的软件平台，用获取的点云强度信息和相机获取的影像信息对模型进行纹理细节的描述。

3) 数据的输出与评价

基于不同的应用目的，可以把数据输出为不同的形式，直接为空间数据库或工程应用提供数据源。然而数据的精度和质量如何呢，能否满足各种应用的要求对结果进行综合的评估分析仍是很重要的一步，评估的模型和评价标准要根据不同的应用目的来确定。

4、特点

（1）可以在较短的时间内获取关于目标对象的高精度、高密度点云数据

（2）自动化

（3）非接触测量，夜间测量

（4）数据信息丰富（三维坐标、强度信息、色彩信息）

（5）数据量大，设备贵，作业员要求高

5、应用

（1） 地面景观形体测量：地面景观形体测量可为三维数字化设计、三位测量及

逆向工程、快速模具制造等相关技术提供服务，能够快速、高精度地完成复杂的古建筑测量、大型景观三维数字设计与模版制作。

（2） 复杂工业设备的测量与建模：利用激光扫描仪分段扫描，获得各站上复杂

工业设备的三维点云数据，再将不同站上的点云数据通过数据预处理以及粗差剔除、利用公共点进行拼接、合并和应用响应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考，极大的提高了工作效率。

（3） 建筑与文物的保护：工作流程基本同（2），这样做成的电子文献，易于保

存，能详细了解表面，随时方便地得到等值线、截面、剖面等。当建筑和文物遭到破坏后能及时准确而有效的提供修复和恢复数据。

（4） 城市三维可视化模型的建立：在街道上对建筑物的内外进行三维激光扫描，

扫描的点云数据经过数据处理，运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据。也适用于GIS数据库更新，旅游向导和虚拟现实制作等。

（5） 带状地形测图测量和矿山测量：

（6） 森林和农业资源调查：应用激光扫描仪对森林里的树木进行扫描，可以非

常准确的了解某时刻的森林现状。不同时间测量结果比较还能了解森林动态变化。

（7） 变形监测：以均匀的精度高密度地测量，测量的数据可以获得更多的信息，

特别是局部详细变形信息。

二、车载激光扫描系统

1、概述

车载激光扫描系统是集成了激光扫描仪，CCD相机以及数字彩色相机的数据采集和记录系统，GPS接收机，基于车载平台，由激光扫描仪和摄影测量获得原

始数据作为三维建模的数据源。

2、 作业流程

（1）数据采集

首先，利用GPS对载车进行定位，获得准确的测量原点大地坐标。再利用GPS和IMU对载车测绘基准的姿态进行测量，得到大地坐标系下三维激光扫描仪的高低角、偏航角以及滚动角。然后，利用三维激光扫描仪对测绘点进行逐点测量，得到测绘点相对于测绘基准的方向角、高低角以及距离。通过坐标换算的到测绘点的大地坐标。目标属性等信息通过CCD相机同步采集的照片进行辨识。

（2）数据处理

高速视频摄像机的图像信息不参与三维真实场景建模，主要用于测量场景记录。在后续数据处理中，通过对高精度定位定向系统各传感器测量信息的处理得到车辆行驶的准确路线和姿态；通过对激光扫描仪的点云数据进行点、线、面特征的提取可确定测量物体的三维几何形状；利用高精度定位定向系统输出的位置和姿态信息、从点云数据中提取测量物体三维几何形状及从面线阵CCD相机测量信息中提取的线性特征和纹理数据，实现二三维真实场景建模。

目前常见的三维数据采集系统中，使用的都是面阵相机进行纹理信息采集。数据处理包括数据预处 、数据滤波、数据分类和建筑物特征提取。

1) 数据预处理

目的就是将车载激光扫描乐统采集的GPS数据、三维激光扫描仪数据等联合解算得到数据后处理所用的点云数据。

2) 数据滤波

主要是去除测量噪声和提取地面点，得到后续处理所需要的原始数据。

3) 数据分类

以自动化和人工交互相结合的形式实现，目的是将滤波后的激光扫描数据区分为地面点和其他不同种类的地物点。

4) 建筑物特征提取

从分类后的数据巾提取建筑物数据，从中提取建筑物特征。

3、特点

1) 该系统借助于搭载在运动载体上的传感器并辅之以导航定位系统进行载体的绝对位置获取通过建立相对位置传感器和绝对位置传感器统一的时间基准

和空间基准完成数据的融合，既满足建模的高效、精细，又满足测量的高精度。

2) 数据信息丰富。获取的点 数据包含物体表面精细的数据信息，每个点均带有三维坐标信息和回光强度值，真实地展现了物体的原貌，可以有效解决形状复杂物体的建模问题。

3) 在城市人口、建筑密集区，无地面控制点的情况下，可以实时、动态、快速地采集目标地物的三维信息。

4) 与机载系统相比，获取数据为三维空间物体立面的几何信息，距离物体较近，数据精度也相对提高，节约了成本。

4、应用：

（1） 公路测量，维护和勘察，公路检测，公路几何模型

（2） 道路设施

（3） 电力设施

（4） 测绘工程领域:铁路测绘，河道测绘

（5） 结构分析（立交桥）

（6） 淹水评估分析

（7） 在GIS系统中的叠加分析

（8） 滑坡变形测量与危害分析，滑石和流水分析

（9） 交通流量分析，安全评估和环境污染评估

（10） 土石方量分析

（11） 驾驶视野和安全分析

（12） 城市建模

（13） 海事、军事、勘测等

三、机载三维激光扫描系统

1、概述

机载三维扫描系统是一种集激光扫描仪（Scanner）、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)以及高分辨率数码相机等技术于一身的光机电一体化集成系统，用于获得激光点云数据并生成精确的数字高程模型（DEM）、DSM（数字表面模型），同时获取物体DOM（数字正射影像）信息，通过对激光点云数据的处理，DSM、DOM可得到真实的三维场景图。它将三维激光扫描仪和航空数码摄像机装载在飞机上,利用激光测距原理和航空摄影测量原理,快速获取地球表面坐标数据和影像数据。

2、作业流程

（一）数据获取

（1）．在航飞前要制订飞行计划。航飞计划应包括航带划分，确定飞行高度、速度、激光脉冲频率、航带宽度、激光反射镜转动速度、数码相机方位元素及定位、相机拍摄时间间隔等，并将各航带的首尾坐标及其他导航坐标输入导航计算机内，在飞行导航控制软件的辅助下进行飞行作业。

（2）．安置GPS接收机。为保证飞机飞行各时刻的三维坐标数据的精度，需要在地面沿航线布设一定数量的GPS基准站，同时将GPS流动站安置在飞机上。

（3）．激光扫描测量。预先设置好扫描镜的摆动方向和摆动角度，当飞机飞行时，红外激光发生器向扫描镜上不停地发射激光，通过飞机的运动和扫描镜的运动反射，使激光束打到地面并覆盖测区，当激光束到达地面或遇到其它障碍物时被反射回来，被一光电接收感应器接收并将其转换成电信号。根据激光发射至接收的时间间隔即可精确测出传感器至地面的距离。

（4）．惯性测量。当飞机飞行时，惯性测量装置同时也将飞机的飞行姿态测出来，并和激光的有关数据、扫描镜的扫描角度一起记录在磁带上。

（5）．数码相机拍摄。利用数码相机进行拍摄时，需要对其拍摄时间间隔和拍摄位置进行控制。通常是用GPS系统进行时间和位置控制。

（6）．数据传输。航飞数据采集结束后，将所有的激光扫描测量数据、数码影像数据、GPS数据及惯性测量数据都传输到计算机中，为后续数据处理作准备。

（二）内业数据处理

机载激光扫描仪原始数据经过预处理阶段，生成数字表面模型DSM，再经过数据的过滤和特征提取，得到与建模相关的地形和地物等信息，才可供后续的应用。

(1) 原始飞行数据。机载GPS与地面基站GPS的空间位置数据、惯性导航系统数据、激光扫描数据、激光反射强度信息以及回波数据、原始数码影像。

(2) 航线重构。航线重构为后期的航带拼接，接边检查提供了数据支持。通过对地面基站GPS数据和机载GPS数据进行联合差分解算，就可以精确确定飞机飞行轨迹。

(3) 激光数据的系统误差和异常值剔除。在处理激光测距原始数据时必须剔除

异常点，即测距远大于飞行高度的奇异点或测距值特别小的无效数据。

(4) 计算激光点三维空间坐标。对飞机GPS轨迹数据、INS飞机姿态数据、激光测距数据及激光扫描镜的摆动角度数据进行联合处理，最后得到各测点的(x，Y，z)三维坐标数据。

(5) 坐标转换。利用GPs／INS组合系统动态定位所提供的定位信息属于W6S-84坐标系，如果测量结果属于其它坐标系，则必须解决定位结果的坐标转换问题。

(6) 点位数据读写。系统产生的数据经硬件厂商的初步处理后交到用户手中，由于产品的制造商不同，所产生的原始数据的格式也不同。

(7) 航带拼接。利用飞行同步获取的地面高清影像，可以确定和消除航带间的系统误差。航带拼接的目的是提高重叠区域数据精度，满足接边地物的连贯性。

(8) 多源数据配准。遥感图像的成像模式具有多样性，通常可以在同一地区获得不同传感器、不同尺度、不同时相的数据，所以在融合这些多源数据时就必须应用图像配准技术，用以校正各类图像之间的差异。

(9) 滤波。目前用于机载激光扫描数据滤波的方法大致可分为数学形态学滤波法、移动窗口法、迭代线性最小二乘内插法、基于地形坡度滤波等。

(10) 人工编辑。人工交互编辑的目的是剔除自动滤波，自动分类没有滤掉的部分粗查和未分类正确的激光点。

(11) 接边检查。为确保接边区域的地物完整和准确，需要进行基于地物特征的算法和目视判读方法支持。

(12) 生成DEM／DSM。经过上述处理的数据进行内插等运算，生成可以满足工程标准的DEM和DSM。

3、特点

与传统航空摄影测量技术相比,该技术具有直接快速获取三维空间数据,数据处理自动化程度高,作业速度快,外作业工作省,测量精度高(尤其是高程精度)以及作业成本低(航外像控工作量少)等特点

4、应用

可用于快速生产数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)和数字正射影像(DOM),也可用于城市三维建模、自然灾害评估、资源调查、海洋监测、军事测绘、大型工程测量等各个方面。。同时,它能最大限度地反映地表真实情况,也是目前能

准确测定植被茂密地区及沙漠地带地面高程的可行技术之一。对于在森林覆盖率高、地形复杂、通视条件恶劣地区的送电线路工程的电力勘测设计而言,机载三维激光扫描系统更加具有明显的优势。

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