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【摘要】三维激光扫描技术是近年来发展起来的一门新技术，其在众多领域中有非常广阔的应用前景。本文介绍了三维激光扫描仪目前的应用现状，以及原理和数据后处理方法。最后通过沈抚新城生命之环城市标志性构筑物垂直度、挠度测量上的应用实例叙述了Riegl VZ-400扫描仪如何获取数据、点云数据的拼接及三维模型的建立。
【关键词】三维激光扫描仪；数据获取；点云拼接；三维建模；挠度
1. 引言
（1）三维激光扫描技术[1]是一门新兴的测绘技术，它实现了测量数据从点采集到面采集的转变，极大地提高了被测物体的信息量，是地理信息技术发展的必然需求，是测绘领域续GPS技术之后的又一次技术革命。三维激光扫描仪的巨大优势就是该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，不需要进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字保护[2]、变形监测、土木工程、数字城市、地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。
（2）本文通过与相关研究事例相结合，分别介绍了三维激光扫描仪技术的基本工作原理，并重点介绍了Riegl VZ-400三维数据获取、数据拼接及三维数据进行建模[3]；最后，探讨此类三维激光扫描仪的应用前景。
2. 三维激光扫描仪的基本工作原理[4]
2.1工作原理概述。
2.1.1根据三维激光扫描仪种类的不同，工作原理也不尽相同，常见的大致有三种：
（1）使用脉冲测距技术（Time of Flight）从固定中心沿视线测量距离，测距大于100米，采样速率1000点/秒以上。
（2）相位干涉方法扫描，利用激光连续波发射，根据光学干涉原理确定干涉相位的测量方法，适用于近距离测量。测量范围一般小于50米，采样点速度率可达10000～500000点/秒。
（3）利用立体相机和机构化光源，通过获得两条光线信息，建立立体投影关系。适用于近距离测量，测量范围在20米内，采用点速率100点/秒。
2.1.2目前，大多数激光扫描仪所采用的工作方式是脉冲激光测距的方法，采用无接触式高速激光测量，以点云形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据。
2.1.3Riegl VZ-400工作原理主要采用脉冲测距法（Time of Flight）。其获取扫描目标点云坐标原理[5]为：根据内部精密的测量系统获取发射出来的激光光束的水平方向角α和垂直方向角度θ；由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值S；见图1。
2.1.4描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样的是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪横方向，Z轴为垂向方向。由此，可得扫描目标点P的坐标（Xs、Ys、Zs）的计算公式：
图1测量点坐标计算
Xs=Scosθcosα
Ys=Scosθsinα
Zs=Ssinθ
2.2Riegl VZ-400三维激光扫描仪。
（1）Riegl VZ-400三维激光扫描仪是由三维激光扫描仪直接与数码相机、应用软件及其他附件结合组成。该系统每秒最高可发射30万个激光脉冲，提供高达 的分辨率。高精度的激光测距技术结合了Riegl独创的多回波接收和实时波形数字化分析技术[6]（on-line waveform analysis）极大的提高了仪器的数据获取能力。与传统的一次发射仅能接收一个回波脉冲的技术相比，它可以探测到多重目标、详尽的描述物体细节，并滤除植被和行人车辆对扫描过程的干扰。而且，该设备采用的激光技术是在任何环境下对人和动物眼睛安全的激光器，它符合（Laser Class1）的激光标准。
（2）在软件的支持下 ，能进行快速精确、 高效稳定的扫描 ，同时可以对三维数字模型进行纹理的精确迭加 ，其分辨率可高达毫米量级，利用Riegl三维激光扫描仪能够在较短的时间内对感兴趣的区域、楼房、桥梁、室内等获取详尽的高精度的三维立体影像图数据。
3. Riegl VZ-400三维激光扫描仪建模实例
为了满足沈抚新城生命之环城市标志性构筑物垂直度、挠度计算的要求，我单位受承建单位委托，完成了了沈抚新城生命之环城市标志性构筑物垂直度、挠度的测量和计算工作，笔者也有幸参加了此项工作。
3.1粘贴靶标。
粘贴靶标要考虑到扫描仪设置的分辨率、距离要适中，并且还需要扫描仪能够扫到的范围内粘贴靶标。
3.2测量靶标三维坐标。
采用Topcon GTS-6001C全站仪，依据甲方提供的起算点测量地面控制点所贴靶标的平面坐标。并用Trimble DiNi12水准仪对地面控制点所贴靶标进行高程测量。这样就能提供靶标的三维坐标数据。
3.3三维点云成像测量。
测量方法为外业使用的奥地利三维激光扫描仪Riegl VZ-400扫描目标构筑物三维点云坐标，形成RSP文件，分辨率为1.8″，扫描精度为3mm（100米距离处）
6. 结束语
本人通过这个项目取得了一些经验，同时也发现了不少问题需要解决，包括：
（1）对于地标性建筑，扫描站点的布设十分重要，要保证数据不能缺失，造成不必要的工作量。
（2）靶标不要贴在反光率高的物体附近，在找靶标的时候不容易辨别。
（3）建模的时候，尤其是山地要先将山上的数目杂草先祛除掉，否则会影响建模的质量，导致生成到等高线精度不高。
通过这个项目仅仅是对利用Riegl VZ-400三维激光扫描仪建立三维模型的初步尝试，今后还有许多工作尚待完成。三维激光扫描仪可以快速获取空间均匀分布且精度较高的点云三维坐标数据信息，具有相当大的应用潜力和市场需求，必定会成为测绘领域的又一次技术革命。
参考文献
[1]毛方儒，王磊.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术，2005，25（2）：1～6.
[2]李海刚.HDS 技术在古建文物测量中的应用[J].测绘通报，2007（7）：73～74.
[3]宋德闻等.徕卡HDS 应用于秦俑二号坑数字化工程[J].测绘通报，2006（6）：69～70.
[4]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].南京：南京理工大学，2006.
[5]李鹏，张文兵，李静. 三维激光扫描测量技术[J].科技信息，2009（31）：833～834.
[6]翟瑞芳，张剑清.基于激光扫描仪的点云模型的自动拼接[J].地理空间信息. 2004（6）：37～39.
[7]高磊，冉磊，胡志法，李滨. 三维激光扫描技术在西南地区的应用[J].测绘通报2009（5）：72～74.
【关键词】三维激光扫描仪；数据获取；点云拼接；三维建模；挠度
1. 引言
（1）三维激光扫描技术[1]是一门新兴的测绘技术，它实现了测量数据从点采集到面采集的转变，极大地提高了被测物体的信息量，是地理信息技术发展的必然需求，是测绘领域续GPS技术之后的又一次技术革命。三维激光扫描仪的巨大优势就是该技术可以真正做到直接从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，不需要进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字保护[2]、变形监测、土木工程、数字城市、地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。
（2）本文通过与相关研究事例相结合，分别介绍了三维激光扫描仪技术的基本工作原理，并重点介绍了Riegl VZ-400三维数据获取、数据拼接及三维数据进行建模[3]；最后，探讨此类三维激光扫描仪的应用前景。
2. 三维激光扫描仪的基本工作原理[4]
2.1工作原理概述。
2.1.1根据三维激光扫描仪种类的不同，工作原理也不尽相同，常见的大致有三种：
（1）使用脉冲测距技术（Time of Flight）从固定中心沿视线测量距离，测距大于100米，采样速率1000点/秒以上。
（2）相位干涉方法扫描，利用激光连续波发射，根据光学干涉原理确定干涉相位的测量方法，适用于近距离测量。测量范围一般小于50米，采样点速度率可达10000～500000点/秒。
（3）利用立体相机和机构化光源，通过获得两条光线信息，建立立体投影关系。适用于近距离测量，测量范围在20米内，采用点速率100点/秒。
2.1.2目前，大多数激光扫描仪所采用的工作方式是脉冲激光测距的方法，采用无接触式高速激光测量，以点云形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据。
2.1.3Riegl VZ-400工作原理主要采用脉冲测距法（Time of Flight）。其获取扫描目标点云坐标原理[5]为：根据内部精密的测量系统获取发射出来的激光光束的水平方向角α和垂直方向角度θ；由脉冲激光发射到反射被接收的时间计算得到扫描点到仪器的距离值S；见图1。
2.1.4描反射接收的激光强度，对扫描点进行颜色灰度的匹配。对于激光扫描仪而言，采样的是系统局部坐标，扫描仪的内部为坐标原点，一般X、Y轴在局部坐标系的水平面上，Y轴常为扫描仪横方向，Z轴为垂向方向。由此，可得扫描目标点P的坐标（Xs、Ys、Zs）的计算公式：
图1测量点坐标计算
Xs=Scosθcosα
Ys=Scosθsinα
Zs=Ssinθ
2.2Riegl VZ-400三维激光扫描仪。
（1）Riegl VZ-400三维激光扫描仪是由三维激光扫描仪直接与数码相机、应用软件及其他附件结合组成。该系统每秒最高可发射30万个激光脉冲，提供高达 的分辨率。高精度的激光测距技术结合了Riegl独创的多回波接收和实时波形数字化分析技术[6]（on-line waveform analysis）极大的提高了仪器的数据获取能力。与传统的一次发射仅能接收一个回波脉冲的技术相比，它可以探测到多重目标、详尽的描述物体细节，并滤除植被和行人车辆对扫描过程的干扰。而且，该设备采用的激光技术是在任何环境下对人和动物眼睛安全的激光器，它符合（Laser Class1）的激光标准。
（2）在软件的支持下 ，能进行快速精确、 高效稳定的扫描 ，同时可以对三维数字模型进行纹理的精确迭加 ，其分辨率可高达毫米量级，利用Riegl三维激光扫描仪能够在较短的时间内对感兴趣的区域、楼房、桥梁、室内等获取详尽的高精度的三维立体影像图数据。
3. Riegl VZ-400三维激光扫描仪建模实例
为了满足沈抚新城生命之环城市标志性构筑物垂直度、挠度计算的要求，我单位受承建单位委托，完成了了沈抚新城生命之环城市标志性构筑物垂直度、挠度的测量和计算工作，笔者也有幸参加了此项工作。
3.1粘贴靶标。
粘贴靶标要考虑到扫描仪设置的分辨率、距离要适中，并且还需要扫描仪能够扫到的范围内粘贴靶标。
3.2测量靶标三维坐标。
采用Topcon GTS-6001C全站仪，依据甲方提供的起算点测量地面控制点所贴靶标的平面坐标。并用Trimble DiNi12水准仪对地面控制点所贴靶标进行高程测量。这样就能提供靶标的三维坐标数据。
3.3三维点云成像测量。
测量方法为外业使用的奥地利三维激光扫描仪Riegl VZ-400扫描目标构筑物三维点云坐标，形成RSP文件，分辨率为1.8″，扫描精度为3mm（100米距离处）
6. 结束语
本人通过这个项目取得了一些经验，同时也发现了不少问题需要解决，包括：
（1）对于地标性建筑，扫描站点的布设十分重要，要保证数据不能缺失，造成不必要的工作量。
（2）靶标不要贴在反光率高的物体附近，在找靶标的时候不容易辨别。
（3）建模的时候，尤其是山地要先将山上的数目杂草先祛除掉，否则会影响建模的质量，导致生成到等高线精度不高。
通过这个项目仅仅是对利用Riegl VZ-400三维激光扫描仪建立三维模型的初步尝试，今后还有许多工作尚待完成。三维激光扫描仪可以快速获取空间均匀分布且精度较高的点云三维坐标数据信息，具有相当大的应用潜力和市场需求，必定会成为测绘领域的又一次技术革命。
参考文献
[1]毛方儒，王磊.三维激光扫描测量技术[J].宇航计测技术，2005，25（2）：1～6.
[2]李海刚.HDS 技术在古建文物测量中的应用[J].测绘通报，2007（7）：73～74.
[3]宋德闻等.徕卡HDS 应用于秦俑二号坑数字化工程[J].测绘通报，2006（6）：69～70.
[4]袁夏.三维激光扫描点云数据处理及应用技术[D].南京：南京理工大学，2006.
[5]李鹏，张文兵，李静. 三维激光扫描测量技术[J].科技信息，2009（31）：833～834.
[6]翟瑞芳，张剑清.基于激光扫描仪的点云模型的自动拼接[J].地理空间信息. 2004（6）：37～39.
[7]高磊，冉磊，胡志法，李滨. 三维激光扫描技术在西南地区的应用[J].测绘通报2009（5）：72～74.