三维激光扫描技术应用现状论文

三维激光扫描技术应用现状论文【摘要】三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展，最具代表性的就是车载三维激光扫描仪和机载三维激光雷达，即三维激光扫描技术与惯性导航系统（INS）、全球定位系统（GPS）、电荷耦合（CCD）等技术相结合，在大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强大的优势，成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。1.三维激光扫描技术原理三维激光扫描技术是利用三维激光扫描仪可以深入到任何复杂的现场环境中进行扫描操作，并直接将各种实体的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据，同时，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等[1]。三维扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。2.三维激光扫描技术的应用现状三维激光扫描技术的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，即可直接获得高精度的扫描点云数据。三维激光扫描仪以最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹，而现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点/秒[2]，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点/秒，而且三维激光扫描仪的单点精度可以达到毫米级，这对于古代建筑物的几十米体量来说，精度已经够用，并且它建模以后的量测精度不比传统测量方法差[2]。2.1带状地形测图数据采集地面三维激光影像扫描仪可进行野外局部带状地形区域分段扫描。在具有一定重复扫描区域内，进行三维影像拼接和合并生成带状影像图。通过少量的测量控制点转换到国家或城市坐标系中，用地形和地物的三维点云数据建立模型，生成带状地形图。对于铁路、公路、大江大渠两岸的局部不规则带状地形图测量，较常规测量速度快、精度高[3]。2.2物建筑物测量及逆向工程应用三维激光扫描技术可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务。能够快速高精度地完成复杂的建筑物结构测量、三维数字设计与模板制作。如图1所示。图1Scansation2激光扫描仪对建筑物的扫描3.基于三维激光扫描数据的历史街区三维重建3.1历史街区三维重建必要性历史街区保护的原则之一：“原真性”与“可读性”相结合。要保持或恢复街区的传统风貌，“原真性”是历史街区保护与更新的一个首要原则。为使街区恢复“原汁原味”，三维激光影像扫描技术可以进行充分地现场测绘，并可以获取详细的照片，然后按照“整旧如故，以存其真”的原则，依据每一幢建筑不同的建造年代、建筑风貌及建筑质量就可以进行三维重建，从而达到保护和修缮的目的。3.2基于激光数据的历史街区三维重建传统的用于街区建筑物批量建模的方法有两类：一类是采用商品化建模软件进行建模，另一类是根据采集得到的观测数据进行建模。即：①采用商品化建模软件的建模方法是利用一些专门用于建模的商品化软件（如：AutoCAD，3Dmax，Maya，MultiGen等），基于原有的CAD设计图纸和数据，利用AutoCAD+3DS软件建模，最后通过函数接口读入程序中，从而能够真实表达建筑物内部的细节特征。这些文件中已将模型剖分为空间三角网，我们只需将这组数据以一定的比例、角度在通过旋转、平移、缩放在空间坐标系中定位，同时到实地拍摄建筑物的影像，运用图像处理软件制作出建筑物的表面纹理，贴附于模型之上，从而实现建筑物模型的重建。②三维几何自主建模这种建模方法是对建筑物进行三维几何表示，它可以看作是从实际三维物体到物体模型的映像，但是目前这些重建方法一是建模精确不高，二是建模的工作量大[3]。基于激光数据历史街区的三维重建主要是利用现有的激光点云数据快速地提取矢量化的建筑群模型，是工作量和模型精准度都优于传统的建模方法，目前国外很多学者在对基于激光的建筑物模型自动提取的研究做深入的研究，并取得一定成果，这为历史街区三维重建提供了极大的便利[2]。4.基于三维激光扫描数据的古建筑保护应用通过对古建筑进行量测和三维重构，古建筑保护利用可以有以下几个方面：4.1对细部和装饰残缺的或已经破坏的古建筑进行复原利用形状匹配技术，通过三维激光设备将文物数字化，通过空间曲面轮廓线的提取，并根据轮廓线的匹配结果可实现残损文物的拼接复原，如图2所示。主要由曲面模型的匹配拼接、三维曲面模型的融合和曲面的三维编辑，构造自动拼接与手工调整相结合的文物复原过程模型，最后将三维计算机模型送入快速成型设备复原微缩建筑进行实体检查，为文物研究及文物保护提供准确的科学数据。图2基于激光扫描数据重建的古建筑模型4.2对典型建筑构件、营造技术或法式进行分析与剖视对台基、石雕、门窗、柱、柱础、屋檐、斗拱、梁、檩、屋顶等典型建筑构件进行分析、剖视、建模，及搭建过程的演示。5.应用前景和发展方向5.1应用前景随着激光扫描硬件软件性价比的不断提升，古建筑空间结构的快速三维重构技术将受到各类用户的青睐。国家建设部已经正式批准了100余座历史文化名城，其中绝大部分都存在古建筑的保护与利用问题，如北京的故宫、福州的三坊七巷等。据文物部门统计，我国目前被列入保护范围的古建筑群有近30万处。5.2发展方向三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展，最具代表性的就是车载三维激光扫描仪和机载三维激光雷达，即三维激光扫描技术与惯性导航系统（INS）、全球定位系统（GPS）、电荷耦合（CCD）等技术相结合，在大范围数字高程模型的高精度实时获取、城市三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面表现出强大的优势，成为摄影测量与遥感技术的一个重要补充。而且随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。三维激光扫描技术的介入促进了应用领域的发展，同时应用领域的大量需求成为研究的动力。【参考文献】[1]周克勤，许志刚，宇文仲.三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用.工程勘察，2004（5）：43-46.[2]郑德华，雷伟刚.地面三维激光影像扫描测量技术[J].铁路航测，2003（2）：26-28.[3]张远智，胡广洋，刘玉彤，王庆洲.基于工程应用的3维激光扫描系统[J].测绘通报，2002（1）：34-36.