地基全视景三维成像激光扫描仪

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薷３３卷，第２期

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地基全视景三维成像激光扫描仪

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黄敏杰

（中国科学院上海光学精密机械研究所，上海２０１８００）

摘要：作为一项高效的测量测绘技术，三维成像激光扫描技术具有快速高效性、非接

触性、穿透性、主动性、高精度和高密度等特点，正在被逐渐应用于我国国家建设的各个领域．介绍了三维扫描技术的应用和市场上已有产品的性能情况．着重介绍了研制的地基全视景三维成像激光扫描仪工程样机，包括工作原理、系统组成、采用的主要技术以及最终达到的性能指标．最后分析了当前市场存在的问题，并对下一步的工作

作出了展望．

关键词：三维成像；激光扫描中图分类号：ＴＨ７４４．５Ｇｒｏｕｎｄ－ｂａｓｅｄ

文献标识码；Ａ

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Ｏ三维成像激光扫描技术简介

三维成像激光扫描技术又被称为“实景复制技术”，是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，也是继ＧＰＳ空间定位系统之后测绘技术领域的又一项新突破。该技术以激光主动探测为工具，获取被探测物体的三维坐标信息，然后将采集到的数据直接存储为三维坐标，为后期各个行业的应用提供高精度的数据源［１－－２】．

收稿日期：２０１１—１２—２２

作为一种非接触式主动测量系统，基于三维成像激光扫描技术的地基全视景三维成像激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境及空间中，完整获取各种大型、复杂及不规则实体或实景的三维数据。地基全视景三维成像激光扫描仪的数据采集与应用过程较之传统的测量测绘仪器具有快速高效性、非接触性、穿透性、主动性、高精度和高密度等特点，而且由于其包含

作者简介。贺岩（１９７７－），男，河南开封人，副研究员，主要研究方向为测距测速激光雷达和激光三维成像技术．

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丰富的数据量，因此在城市三维模型重建【…、建筑工程ｆ４］、电网工程【…，公路隧道测量［６１以及文物保护［７－８１等领域获得了广泛应用。

近些年来，三维成像激光扫描技术在国外得到了迅猛发展．目前，发达国家中已有近１０家生产三维成像激光扫描系统的知名公司，其三维成像激光扫描测量系统已经步入产业化。主要仪器厂商包括美国的天宝公司、瑞士的Ｌｅｉｃａ

公司与ＴｏｐｏＳｙｓ公司，奥地利的Ｒｉｅｇｌ公司、加拿大的Ｏｐｔｅｃｈ公司、英国的ＭＤＬ公司以及日本的Ｔｏｐｃｏｎ公司等。表１列出了几家主要厂商的最新产品参数。

国内已有多家科研机构和科研院所开展了激光三维扫描系统的关键技术攻关、应用研究和产品研制工作。但是到目前为止，国内还没有商用（或成熟）的国产激光三维扫描仪产品在市场上出现。

表１几家主要厂商的最新产品参数的对比表

１地面激光雷达产品原理

地基全视景三维成像激光扫描仪采用非接触式高速激光测量方式，以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据．目前，三维成像激光扫描仪主要采用脉冲飞行

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Ｆｌｉｇｈｔ，ＴＯＦ）测距法，即由激光器

发出一系列光脉冲，然后通过计算光脉冲从发射到返回的时间差推算被测地物与探测点的距离并通过坐标转换计算出被测地物的三维点云数据．为了获取被测地物的完整信息，三维激光扫描通常同时具有水平和垂直两个方向的扫描

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图１地基全视景三维成像激光扫描仪的原理图．（ａ）ＴＯＦ原理，（ｂ）激光扫描原理

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（水平方向为３６００，垂直方向的扫描角度由光学系统的扫描机构决定）。图ｌ（ａ）所示为该激光扫描仪的ＴＯＦ工作原理．

地基全视景三维成像激光扫描仪通过数据采集获得测距观测值Ｓ，激光脉冲横向扫描角度的观测值ａ和纵向扫描角度的观测值０．激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统。其中，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，如图ｌ（ｂ）所示。由此可以得到激光三维脚点坐标的计算公式：

Ｘ＝ＳｃｏｓＯｏｏｓａ

统，同时也集成了ＣＣＤ数字摄影和仪器内部校正等系统，如图２所示。

通过人机交互设置地基全视景三维成像激光扫描仪的工作参数（包括扫描点密度、扫描角度范围和扫描距离范围）。系统的控制单元用于接收外部控制台的指令，对设置的扫描模式进行指令解析，并输出对应模式的控制量，从而分别控制扫描电机运动模式、激光器工作模式和测量电路工作模式。

三维成像激光扫描仪采用转镜扫描方式。在俯仰方向上以３６０。旋转的电机带动转镜，将沿电机轴向传输的激光反射到垂直电机轴方向

（１）

（２）（３）

上，并形成俯仰方向上的３６０。扫描。扫描仪的底部安装有方位电机。通过方位电机旋转带动整个仪器进行水平旋转，从而形成方位方向上的扫描。该扫描方式通过１８０。的水平旋转，可以实现对３６０。的场景进行扫描，而且不存在边缘数据变形．此时，激光脉冲的利用率已达到最大化，适合于大场景扫描。

激光器采用高重频的光纤激光器，其输出波长为对人眼安全的１５５０ｎＭ．采用调制放大的方式获得高重频窄脉冲的激光输出。输出激光经过准直后，通过扫描镜发射出去。被测目标的激光回波被接收望远镜接收，然后被聚焦到光电探测器上并被转换成电脉冲输出。其中，一路

Ｙ＝ＳＣＯＳ日ｓｉｎｎ

Ｚ＝Ｓｓｉｎ０

因此，在地基全视景三维成像激光扫描仪中，通过测量测距观测值Ｓ、激光脉冲横向扫描角度的观测值ｎ和纵向扫描角度的观测值口，即可获得被测地物的激光三维点云数据，从而可重建地物的三维图像。

２系统实现

地基全视景三维成像激光扫描仪主要包括激光测距系统、扫描系统、控制与数据采集系

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图２激光三维扫描仪的组成结构及其工作中的数据与控制流程图

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输出经过采样保持电路获取激光回波的能量，用于产生灰度数据；另一路脉冲输出进入甄别电路（甄别电路采用恒比甄别技术，降低了回波能量起伏对甄别脉冲时间精度的影响）。甄别后的脉冲进入时间测量电路。该电路采用脉冲计数与高精度数字延迟线相结合的技术，精确测量激光出光与同波之间的时间延迟。

采集模块用于对时间延迟、回波强度和扫描角度数据进行同步采集，然后将其与数码相

机和ＧＰＳ等外部设备的数据一同存储在内部存储器中。用户可以通过数据预处理软件将导出的原始数据转换成具有通用格式的三维点坐标和灰度数据。通过专业处理软件还可以进行多数据的融合和拼接。

目前，我们已经完成了三维成像激光扫描仪工程样机的开发工作。图３（ａ）为工程样机的照片，图３（ｂ）为系统测得的灰度点云图像。表２列出了该工程样机的参数。

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表２三维成像激光扫描仪Ｉ程样机的参数表

参数测距范围数据采集速度激光发散角扫描视场距离精度定位精度激光等级扫描方式

指标

１～３００ｍ（２０％反射率的目标）

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图３三维成像激光扫描仪工程样机。（ａ）样机照片，（ｂ）灰度点云图像

（１）对系统的环境适应性和可靠性进行测试，并对模块和接口进行标准化设计，从而完成产品定型；

（２）针对不同的工程应用领域，开发相应的工程应用软件，以提高仪器的工程应用能力．

我们的目标是实现三维成像激光扫描仪的国产化和产业化，降低仪器的采购和维护成本，拓展应用领域，为各种工程应用提供更好的产品和服务。

水平３６０。×垂直３１０。

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转镜

３分析与展望

国外的三维成像激光扫描仪缺乏统一的指标参数标准，而且其在软件开发与数据接口上并不能满足我国各个工程领域的实际应用需求。另外，进口产品的高成本也制约了该产品的进一步普及与应用。

我们研发的工程样机的性能已经达到了国外同类产品的水平，仪器的开发工作也准备转入产品定型阶段。未来的工作主要集中在以下两

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参考文献

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