三维激光扫描技术的发展及应用.doc

目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究背景 1
1.3 研究的目的 2
1.4 选题意义 3
2 三维激光扫描技术的扫描仪器 3
3 三维激光扫描技术系统 4
3.1 三维激光扫描系统的组成 4
3.2 三维激光扫描仪的工作原理 6
3.3 三维激光测距原理 7
3.3.1 三角法的原理 7
3.3.2 脉冲测距法的原理 8
3.3.3 相位测距法的原理 9
3.4 三维激光测角原理 9
3.4.1 角位移测量 9
3.4.2 线位移测量 10
4 激光的性质 11
4.1方向性好 11
4.2单色性 11
4.3相干性极好 12
4.4光脉冲宽度可以极窄 12
4.5激光的高亮度性 12
4.6激光的高单色性 13
4.7激光的高度定向性 13
5 三维激光扫描技术的数据处理 14
5.1 三维激光扫描测量技术误差来源 14
5.2 三维激光扫描测量技术的数据处理方法 15
6 三维激光扫描技术的特点 16
7三维激光扫描技术的应用 17
7.1 在建筑物重建与恢复中的应用 17
7.2 在测绘中的应用 18
7.2.1 立体模型的建立 18
7.2.2 滑坡监测 21
7.2.3文物修复 21
7.2.4边坡变形监测 21
7.2.5 城镇地籍测量 22
7.3在抗震救灾中的应用 22
8总结与展望 22
致谢 24
参考文献 25

三维激光扫描技术的发展及应用

三维激光扫描技术的发展及应用

摘 要

三维激光扫描技术是一种新兴的全自动高精度立体扫描测绘技术。它是一项新的数据获取手段，利用三维激光扫描仪能够高效、精确、快速、地测量目标的三维影像数据，打破了传统的测量和数据处理方法，开创全新的研究和应用领域。三维激光扫描测量技术, 能够在任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作, 并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，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。比传统的测量和数据处理方法具有简单、精确、快速等特点。本文主要介绍了三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、扫描仪器、数据处理、主要应用和发展方向等几方面的状况，重点介绍三维激光扫描技术在工程测量领域的应用。

关键词 三维激光扫描 扫描仪器 扫描系统 工作原理 数据处理 技术特点 主要应用 发展趋势

THE DEVELOPMENT AND APPLICATION OF 3D
LASER SCANNING TECHNOLOGY

ABSTRACT

3D laser scanning technology is an advanced fully automatic high-precision three-dimensional scanning technology. As a new means of data acquisition, 3D laser scanner can be fast, accurate and efficient measurement of the target three-dimensional image data, breaking the traditional measurement and data processing methods, has won a new field of research and application. Three-dimensional laser scanning technology can go deep into the complex field environment and space scanning operation to the computer directly to a variety of large, complex, irregular, three-dimensional data of the standard or nonstandard entities or real complete collection, and then quickly reconstruct the three-dimensional model of the target line, face, body, space, cartographic data. Simple, accurate and efficient than the traditional measurement and data processing methods. This paper describes the 3D laser scanning technology works, technical characteristics, application and development direction of the situation, and focuses on the application of 3D laser scanning technology in the field of engineering survey.

KEY WORDS three-dimensional laser scanning, working principle, scanning instrument，data processing，technical characteristics, application development trends

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1 绪论
本章主要通过罗列三维激光扫描技术在现实测绘发展领域的应用及其发展状况，进而介绍了三维激光扫描技术的研究背景，研究目的以及选题的意义。
1.1 引言
随着科学技术的突飞猛进，出现了含有多种高新技术的新型测量仪器，其中就有地面三维激光扫描仪，它在复杂的场景和空间下，通过非接触式激光测量对被测物体进行快速扫描测量，以获得激光点所接触的物体表面的点云数据，包括三维坐标、色彩信息和反射强度。将点云数据经过计算机处理后，结合曾经学过的CAD的知识，来重建三维模型及获得线面、体、空间等各种制图数据。三维激光扫描技术的优点是：全数字特征、高效率、高密度、高精度、不需要合作目标等，它可以应用于测绘的各个领域，比如说断面和体积测量、地形测量、工程测量、地籍测量、摄影测量、变形监测等各项测量。
1.2 研究背景
20世纪60年代，世界上第一台激光器出现了，它是由美国科学家通过对激光技术多年的研究取得的成果，至此以后，世界各国也开始重视在激光领域的研究，到二十世纪末，激光及时取得了较大的发展，由于激光具有方向性、单色性、高亮度、相干性的特性，由于这些特性，激光在测绘各个领域发挥了比较大的作用，例如，利用激光的单色性和干涉性可以进行干涉测量；利用激光的方向性可以作为方向基准进行测量；利激光高亮度的特性可以用于医疗器械等。
随着时代的进步，电子设备也得到迅速的发展，半导体和微电子的发展催进了大规模集成电路和传感器技术的发展，同时激光测量技术也得到较大的发展，主要表现在：一是测距方面从一维测距、二维测距向三维测距方向发展；，二是实现了数据获取的自动化和无限传输；三是在卫星定位技术、惯性导航技术、计算机技术等和激光扫描技术共同作用下，机载扫描系统、车载扫描系统、卫星遥感技术等有了高精度、高效率的发展。于是出现了集合了多种现代高科技手段、集光、机、电等各种技术于一身的三维激光扫描技术，它的出现和发展，改变了原有的数据获取方式，为获得丰富而详细的局部地面空间信息提供了一种全新高效的手段，同时它的发展也催化了一些相关领域的发展，例如图像工程，测角自动学则技术，数据补偿技术，颜色渲染技术，摄像机标定技术等等。
该技术通过扫描可以获得许许多多的测绘点，利用获得的数据信息可以进行逆向三维建模及重构，因此它属于高精度的、全自动化的、立体的扫描技术。它具有点位测量精度高、速度快、精确的特点，智泰三维光学密集点云测量系统I0M400系列是一种高速高精度的三维扫描测量设备，系统具有可移动、易操作、精度高、速度快等特点，系统的软件和硬件可以根据需要专门进行开发和设计，技术实用性强，广泛适用于各种需求三维数据的行业，如汽车工业、飞机工业、摩托车外壳及内饰、家电，雕塑等。
虽然三维激光技术快速发展，但是国内技术还不够成熟，对软件的应用和研究依然很少，而且数据处理的方法也不够精确，分析其原因主要由以下几个方面：一是国家在激光技术方面起步晚，由于起步晚总是利用别人设计的软件，而且在技术方面不够成熟；二是对三维技术需求不高，由于我国工业制作整体水平不是那么的高，所以对三维技术的需求不比外国那么的迫切；三是国家在三维领域投入的资金不足，由于国家高新技术产业化需要必要的资金支持，而我国投入的少导致对这方面的研究薄弱；三是缺乏创新型人才。由于这些原因是的我国在这方面的研究远远落后于别国。不过，如今，我国开始重视这方面的发展，以及利用三维激光扫描技术促进其他领域的发展，这是值得欣慰的。
1.3 研究的目的
目前，随着科技的进步和经济的发展，三维激光扫描技术已经在测绘各个领域成为了研究的热点，这是因为三维激光扫描在自动程度、劳动强度、外业作业时间、人员、数据获取速度等方面具有明显的优势，这是其它传统测量技术无法比拟的，因此有必要就三维激光扫描技术的发展及其应用前景作出相应研究，以便对其有较为深入的认识，从而以便其更好、更广、更方便的应用于各个领域工作。
1.4 选题意义
在进入21世纪以后，国家的经济快速发展，特别是中国加入WTO以后，各项高新技术不断发展，国际市场竞争愈演愈烈，以此同时，也促进了制造业的发展，它以传统技术为基础有了质的跨越，已经在高新技术应用方面占有一席之地。随着计算机、微电子、信息和自动化技术的不断更新，而且在制造业中的应用也越来越广泛，而先后出现了快速原型制造、可重组技术、计算机集成制造系统等多项前沿的制造模式与制造技术。制造业正经历一场新的技术革命。
三维扫描技术能实现非接触测量，集中了计算机技术，电技术与光技术与一身，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果兼容性强，能够与CIMS、CAM、 CAD等软件接口直接相连，所以它在今天比较受欢迎。在科技比较先进的国家的制造业中，三维扫描仪得到越来越多的应用。作为一种快速的立体测量设备来讲，它具有非接触、扫描迅速、高精度，方便使用等优点。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。
三维激光扫描系统作为一种技术成熟，应用刚刚起步的产品，在某些方面还存在一些问题，例如扫描现场的局限性，三维激光扫描系统校正体系不完善，扫描数据出现“盲区”现象等等，针对这些问题，应该采取科学的手段来弥补这些不足，使得后续研究以此作为参考借鉴，为该技术的推广提供正确的依据。随着研究开发的进一步发展，各种新的技术将不断出现，并被应用到商用系统中，现有的三维扫描技术将不断被完善以满足制造业生产的需要。
2 三维激光扫描技术的扫描仪器
三维激光扫描仪按照测量方式不同可分为：基于三角测距原理激光扫描系统；基于相位差激光扫描系统；基于脉冲式激光扫描系统。
按工作原理分类：三维激光扫描仪除了按照上述的搭载平台和扫描距离这两种方法分类之外，还可以按照仪器的原理来进行分类。把按照脉冲测距这一原理进行量测的扫描仪归结为径向一类。把按照光学干涉原理进行量测的扫描仪归结为干涉一类。把通过两条光线建立地面实物的立体模型的量测方法归结为三角法一类。
按照用途不同可分为室内型和室外型，也就是长距离和短距离的不同，、而基于脉冲式原理的三维激光扫描仪测程较长，测程最远的可达6公里。
按生产厂家的不同可分为：Z+F(德国)，Surphaser（美国），I-site (澳大利亚maptek)，Riegl（奥地利），徕卡（瑞士），天宝（美国），Optech（加拿大），拓普康（日本），Faro等产家。
按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系统；便携式激光扫描系统；地面型激光扫描系统。
三维激光扫描仪是现今时效性最强的三维数据获取工具。一般情况下可以按照三维激光扫描仪有效的扫描距离进行分类，可分为：
（1）短距离激光扫描仪：一般最佳扫描距离为0. 6～1. 2 m，最长扫描距离不超过3m，通常情况下，这类扫描仪适合用于小型模具的量测，具有扫描速度快且精度较高的特点，可以多达三十万个点精度至±0.018 mm。
（2）中距离激光扫描仪。
（3）长距离激光扫描仪。
（4）航空激光扫描仪。
3 三维激光扫描技术系统
本章主要通过详细的图解及公式等的罗列从而详细阐述了三维激光扫描技术系统的组成，原理、数据采集的过程、误差来源及数据处理，以便我们对三维激光扫描的流程有深层次的理解，还通过与传统测量技术的对比突显了三维激光扫描技术测量技术的特点。
3.1 三维激光扫描系统的组成
伴随着计算机技术的日益成熟以及电子技术的不断发展，三维激光扫描技术的应用也越来越广泛，要求也越来越高，对于三维激光扫描系统的组成也进行了研究，以陕西科技大学计算机实验室的扫描系统为例，如图所示：

图1 三维激光扫描系统硬件装置
三维激光扫描系统主要由以下几个方面组成：
（1）三维激光扫描仪：本装置所用的是功率为3mW的半导体砷化镓激光器，点激光测距中的激光被激光面所代替，该扫描仪使用的是高30cm，宽为1mm，长度为200cm左右的激光面，激光面会自动和物体交会在一起，生成一条测线，这条测线等同于有500-1024个激光点，因此，从理论上讲，把采样速度提高了500-1024倍。
（2）图像采集卡：又叫视频采集卡，它的作用非常重要，将接收到的CCD送出的视频信号进行A/D转换，然后输出YUV信号，最后进行压缩。该系统装置不仅能够接收CCD送出的视频信号，而且能够接收含有方位角信息的脉冲信号，然后从脉冲信号中分离出同步信号、方位角信号以及像点信号。
（3）旋转平台：该平台支撑整个扫描系统，平台上设置有方向角传感器，在指令的控制下，它进行平稳的启动、停止、运转，然后产生方位角脉冲信号，一遍视频采集部分能够从中分离出同步信号、方位角信号以及像点信号。
（4）数据采集系统：该系统主要作用是将图像采集卡送出的视频信号进行精密测量、高速存贮，并且主处理机在适当的时候取回数据，经过处理，形成三维数据，以便进行后续的模型重建等应用。
（5）数据处理系统：该处理系统主要由计算机组成，包括计算机主机、接口、总线以及专用版卡组成，该装置计算机主机采用的是120G的高速硬盘，内存配置为1G，IBM PC Pentium为2.8G，通过接口、总线和专用办卡将其它 部分组合起来，工作时控制机械台的起停、转速由运动控制卡控制，图像由图像采集卡通过CCD摄像机采集，图像处理、数值计算在主机上进行。
3.2 三维激光扫描仪的工作原理
激光扫描仪是运用扫描技术来量测被测对象的，其中包括工件的形状及尺寸，它必须采用一个旋转马达，而且该马达要有极好的稳定度及精度当光束打 ( 射 ) 到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。
 根据三角测距原理获得与拍摄物体之间的距离，进行三维数据化处理，其测量原理主要分为测距、测角、扫描、定向四个方面。如图 3-1所示

图3-1 激光扫描仪测量的基本原理
3.3 三维激光测距原理
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。目前，测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。
3.3.1 三角法的原理
三角法测距是借助三角形几何关系，运用勾股定理，求得扫描中心到扫描对象的距离。如图所示：

在图3-2中，通过激光扫描仪角度传感器可得到发射光线与基线的夹角γ、入射光线与基线的夹角λ，激光扫描仪的轴向自旋转角度α，然后以激光发射点为坐标原点，以基线方向为X轴正向，把平面内指向观测目标且垂直于X轴的方向线的方向作为Y轴建立测站坐标系。通过计算可得目标点的三维坐标为：
（3-1）
结合P的三维坐标运用三角几何关系便可得被测目标的距离S。
3.3.2 脉冲测距法的原理
脉冲法测距的过程是这样的：由测距仪发射出激光，然后经过被测量物体反射，最后后又被测距仪接收。与此同时，测距仪记录激光往返的时间。测距仪和被测量物体之间的距离等于光速和往返时间的乘积的一半。如图3-3 所示：

图3-3 脉冲激光测距原理
工作时，由激光器发射激出光光束。当光束穿过大气到达目标后，通过目标反射后返回，最后通过探测器接收。设测量距离为S，光速为c，测出从激光发射到反射光被接收所经历的时间， 根据运动学中最基本的关系即可求出目标的距离：
S=12c△t （3-2）
3.3.3 相位测距法的原理
相位法测距所用的是无线电波段的频率。用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，相位型扫描仪可分为调幅型，调频型，相位变换型等。若调制光角频率为ω，在待测量距离D上往一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t 可表示为：

t=φ/ω

将此关系代入距离D可表示为

D=1/2 ct=1/2 c·φ/ω=c/(4πf) (Nπ+Δφ)=c/4f (N+ΔN)=U(N+) （3-3）

由公式（3-3）可知，这种测距方法是一种间接测距方式，它通过检测发射和接收信号之间的相位差，来获得被测目标的距离。该方法测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究等高精度研究上，精度可达到毫米级。
3.4 三维激光测角原理
3.4.1 角位移测量
扫描仪工作是由步进电机驱动的，由步进电机步距角和步数，获得角位移。
在扫描仪工作的过程中，通过步进电机的细分控制技术，获得稳步、精确的步距角θb有下式：
θb＝ （3-4）
在得到θb的基础上，可得到扫描棱镜转过的角度值，然后通过精密时钟控制编码器进行同步测量，这样就可以得到每个激光脉冲横向扫描角度观测值α、纵向扫描角度观测值θ。
3.4.2 线位移测量
线位移测量是指指点在直线方向位置的变化量，对于长度的动态测量就是线位移量的测量它包括：
1.脉冲测距法：

光电探测器
振荡器
放大整形
脉冲激光发生器
电子门
控制电路
数字显示
复位电路
滤色镜

2.双频激光干涉仪

三维激光扫描系统本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。在仪器内，通过两个同步反射镜快速而有序的旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲一次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间（或相位差）来计算距离，同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度，最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。
4 激光的性质
本章主要通过对激光性质的详细介绍从而使得对激光的分类有了详细的认识，同时也使得我们对激光的一些特殊的性质有了一定的了解，进而对了解三维激光扫描的原理打下基础。
激光按波段分，能够分为多波长可调谐、X光、紫外线、红外线、可见光，目前工业用红外及紫外激光。
激光器有很多种种类，大体可以分为： 固体激光器、半导体激光器、气体激光器、液体激光器、红外激光器、X 射线激光器、化学激光器、自由电子激光器、准分子激光器、光纤导波激光器等
4.1方向性好
普通光源是朝四面八方发光，或者说，光辐射沿4π 立体角分布．它发出的光辐射可以照亮眼前周围的地方，但照亮的距离不大。为了扩大照明的距离，可以用光学系统把朝各个方向发射的光聚集到照明的方向，比如汽车 的前车灯、探照灯等就是用这个办法扩大照明距离的．因为方向性好，例如其发散角为1毫弧度，所以若与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=1.26×107倍．也因为激光的方向性好，使得它能照亮很远的物体．
4.2单色性
科学上用光辐射能量集中的频谱区间（称谱线宽度）衡量光的单色性，谱线宽度越窄，它的单色性越好．太阳光辐射能量分布在从紫外至远红外的广阔光谱区域，所以它谈不上单色性．其中氪86光源发射的红光（波长605.7nm）的谱线宽度最窄，只有4.7×10-4nm，有单色性之冠之称．
4.3相干性极好
相干性是表示电磁场在空间不同位置上瞬时的或统计的相位相关性质．一般来说，沿 光束传播方向和沿横截面方向的相干长度是不相同的．光波沿其传播方向通过相干长度所需的时间叫“相干时间”．相干长度和相干时间与光波单色性有关．粗略地 说，相干时间△t～λ2/△λc，相干长度l～λ2/△λ，这里的λ是光波波长，△λ是辐射的谱线宽度．激光的单色性很好，所以，它的相干长度很长．特制的氦-氖激光器输出的光束相干长度达2×107km．
4.4光脉冲宽度可以极窄
光源的亮度正比于发光功率．光源发射的能量集中在很短时间内发射出来，产生的光功率也就很高．激光器能产生宽度极窄的光脉冲．使用锁模技术的激光器，可产生10-14s的光脉冲，使用Q开关的激光器，可以输出脉宽10-9s左右的光脉冲．
4.5激光的高亮度性
　 一般规律认为，光源在该方向上的亮度是指光源在单位面积上向某一方向的单位立体角内发射的功率。激光在亮度上的提高主要是靠光线在发射方向上的高度集中。
　　另外，激光的亮度也取决于它的相干性。相干性是一切波动现象的属性。光有波动性，因此也有相干性。
一般情况下，光源发射出来的光是非相干光。它是混合光束。特点是：波长不等、杂乱无序。由于非相干光的波长、相位、振幅极不一致。所以它们的合成波也是一条从中不易找出它的周期性来的、毫无规律的、杂乱无章的曲线，。
　　 根据波的迭加原理，如果两列波同时作用于某一点上，则该点的振动等于每列波单独作用时所起的振动代数和。因此，相干光的合成波就是迭加效应的结果。合成波的相位、波长、传播方向皆不改变，只是振幅急剧地增加了。因此，通过迭加后的光色不变，只光的强度极大地增加了。激光之所以有高亮度的特点，其实也与相干光迭加效应有很大关系。激光的亮度可以比太阳表面亮高1010倍。
4.6激光的高单色性
    在理疗上常用的光源，有发热光源，如白炽灯、红外线灯。还有气体放电发光光源，如紫外线灯。这类光源的发光物质比较复杂，以自发辐射形式产生光子，发出的光线很不纯，它们的谱线范围是连线的或是带状的光谱。
　 　一般“单色光”被分光镜分解后，它也不是连续的色带，而是一条条独立的、并且具有特定位置的亮光，通常称这为谱线。临床上所谓的单色光也并非是单一波长 的光，而是有一定波长的谱线。波长范围越小，谱线宽度越窄，其单色性也越好。因此，谱线的宽度是衡量光线单色性好坏的标志。激光是物质中原子（或分子、离 子）受激辐射产生的光子流，它依靠发光物质内部的规律性，使光能在光谱上高度地集中起来。从激光的发光形式来讲，可以得到单一能级间所产生的辐射能，所以， 这种光是同波长（或同频率）的单色光。
4.7激光的高度定向性
　　激光的散射角非常小，通常以毫弧计算。例如红宝 石激光的散射角是0.18°，氦－氖激光只有1毫弧度。因此，激光几乎是平等准直的光束，在其传播的进程中表现出高度的定向性。
　　由于激光的单色性和 方向性好，通过透镜可以把光束集中（聚焦）到非常小的面积上，焦点的直径甚至可以接近激光本身的波长，这是普通光源所不及的。聚焦激光光束的能量密度以能够达到一定高的程度，它是临床外科和细胞外科使用光刀的决定条件。
　　（1）互为不平行的光束，不能集中到一点上
　　（2）互为不同波长光束，不能集中到一点上
　　（3）严格平行的等波长光束，能集中到一点上
　　光点的直径是由透镜的焦距和光束的发散角所决定，如果我们知道焦距的发散角的数值，就可以用下列公式计算光点的直径大小。
    d＝f.θ
　　上式中，f为透镜的焦距（m），d为光点的直径（m），θ为光束的发射角（弧度）。　　根据上述公式从理论上推算：d＝0.05×10－4＝5μ

5 三维激光扫描技术的数据处理
5.1 三维激光扫描测量技术误差来源
从误差理论来说，测量观测误差可以分为系统误差、偶然误差以及粗差，系统误差是指在相同的观测条件下对某个固定量做多次观测，如果观测误差在正负号及量的大小上表现出一致的倾向，即按一定的规律变化或保持为常数，系统误差引起扫描点的坐标误差，需要通过研究发现系统误差的规律性进行改正，偶然误差的定义是，在相同的观测条件下对某个固定量所进行的一系列观测，如果观测结果的差异在正负号和数值上，都没有表现出一致的倾向，即没有任何规律性，这种误差称为偶然误差，它可以依靠平差理论进行分配，粗差其实就是错误，它就是因为在操作过程中不规范操作造成的，这完全是可以避免的。
造成激光扫描测量误差的来源很多，大致可以分为三类：一是外界条件的影响，二是与目标物体的反射面有关的误差，三是仪器误差。外界条件的影响包括大气折射率，温度，风力等因素，主要是温度的因素；与目标物体反射面有关的误差主要是由物体表面的粗糙程度所决定；仪器误差是由于一起本身性能的缺陷所决定，主要包括激光扫描角度测量引起的误差和激光扫描测距引起的误差两个方面。
影响测量精度的因素很多，总体上分硬件和软件两个方面，硬件主要包括机械运动旋转平台、扫描仪本身的精度、激光器、数据采集系统、数据处理计算机、CCD摄像机等，如果考虑从硬件方面提高精度，一般会提高成本。软件方面的因素主要有物像对应关系标定的影响、激光扫描线中心提取是否准确的影响、被测物体的表面特征、光学成像参数和光平面位置等因素。下面对软件影响做详细的介绍：
(1)激光扫描线中心提取是否准确对测量精度的影响：由线激光发生器发射出的激光有一定的发散角，随着物面的景深变化、倾斜角度的不同，激光扫描线图像的带宽也是在不断变化的，图像的明暗度也在变化；而且激光发生器发出的光束经过透镜，在能量分布上会出现不均匀的现象，也会产生测量误差；
(2)被测物体表面特征对测量精度造成的影响激光扫描线的成像会受被测物体表面的粗糙度、材质、颜色、倾斜角度等因素的影响，是测量精度的重要因素。研究表明颜色浅的物体测量数据偏大，颜色深的物体测量数据偏小。
对于物体表面非常光的待测物来说，容易产生镜面反射，当大部分的入射光照到待测物体时产生了镜面反射，这时需要先进行雾化处理之后再进行测量。对于粗糙度过大的物体来说，当大部分入射光照射到待测物体时，产生了漫反射，形成的光带边缘粗糙，而且容易产生“飞点”，这是由于光带强弱的分布不如在正常情况下的均匀，光平面都有一定的发散角，当一条有一定宽度的光带照射在物面上时，由ccD摄像机来获取光带能量分布是否均匀的信息，用ccD摄像机获取光带图像的灰度中心，然后按灰度加权法计算。光平面垂直照射平面时，光带能量呈对称的高斯分布，但由于摄像机与光平面之间存在一定夹角，ccD摄像机获取的光带图像的能量分布应该并不对称，但由于左右ccD摄像机对称位于被测物面法矢面的两侧．所以此时误差为0，得到的依然是呈对称的高斯分布的光带能量。当物面倾斜时，左右CcD摄像机不再关于被测物体法矢面对称，此时由于光带能量中心和几何中心不一致，左右ccD摄像机接收到的能量分布中心不一致将产生测量误差。
(3)物像对应关系标定：物体和其所成的像之间对应关系标定时所产生的测量误差主要有两个方面的因素：一是当平台运动时产生的震动：二是物面粗糙、光能不均匀影响图像中心线采集；这两方面的原因都会给激光扫描测量带来误差。
(4)ccD摄像机与图像采集卡：由于受电信号的干扰，ccD摄像机采集物体表面漫反射光带时以及图像采集卡进行模数转换时都会受影响，从而对激光扫描测量数据产生误差。
5.2 三维激光扫描测量技术的数据处理方法
（1）点云的磨光算法
（2）图像轮廓提取算法比对
（3）多视数据重叠区域处理
6 三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描技术的广泛应用，是测绘领域继GPS技术之后的又一次伟大的技术革命，它具有非接触式，兼容性好，精度高，速度快，分辨率高等优势，与传统的全站仪测量、航空摄影测量、近景摄影测量相比，三维激光扫描技术具有以下特点：
1、非接触式测量。三维激光扫描技术采用非接触式高速激光扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需要进行任何的表面处理，直接对目标进行进行扫描，采集物体表面云点的三维坐标信息，所采集的数据完全真实可靠。在环境恶劣、目标危险、人员无法到达的情况下，传统的测量技术无法完成，但是三维激光扫描能够做到，所以三维激光扫描技术可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况，具有明显的优势。
2、数据采集率高。目前，采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒；而采用脉冲激光或时间激光采样点速率可达到数千点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。
3、扩展性强。得到的数据能够与其他软件进行数据共享及交换，可以和GPS、外接数码相机配合使用，更好的拓宽了它的应用范围，使用外置数码相机的，增强了彩色信息的采集，更加全面的获取扫描得到的目标信息。GPS定位系统的应用，使得三维激光扫描技术与工程的结合更加紧密，具有较好的扩展性，也近一步提高了侧量数据的准确性。
4、高分辨率、高精度。
5、数字化程度高，兼容性好。
6、主动发射扫描光源。
7、结构紧凑、防护能力、环境适应能力强。
8、应用广泛。由于它具有良好的技术特点，有其他传统测量仪器所没有的特点。
7三维激光扫描技术的应用
由于三维激光扫描技术特别适合针对大面积的、表面复杂的，无法直接接触的物体进行精细的测量，所以它的应用范围极其广泛，本章通过详细的阐述以及通过实例应用详细介绍了三维激光扫描技术在各个领域的应用，重点介绍了三维激光扫描技术在测绘领域的重要作用及其广泛的应用。
7.1 在建筑物重建与恢复中的应用
在我国，古代的建筑都是人民智慧的结晶，有着悠久的历史，他们经受了历史的演变，也经受了战争的洗礼，如今科学技术飞速发展，国家对建筑物的重建和恢复也越来越重视，有些建筑物已经到了修缮的阶段，有些需要重建和恢复。所谓建筑物的重建是不一定要按照以前被批坏的建筑来建，是在被破坏的地方，重新建造建筑物，可以保留原有的风格，也可以有自己独特的风格。恢复则是将已经被破坏的建筑物恢复以前的面貌，使其保持其原来的风姿。无论是恢复和重建都要按照应有的规范，根据已有的传统资料如历史遗留的旧照片等来进行建造。否则，就很难达到恢复和重建的效果。
20世纪90年代以来，随着激烈的市场竞争，三维激光技术也迅速发展起来，它能够高精度而且完整的重建扫描实物数据，三维激光扫描技术目前已在众多领域得到了广泛应用，尤其在建筑设计以及恢复重建方面，它可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并通过计算机系统直接完整的采集到各种大型的、不规则、复杂的、标准或非标准等实体或实景的三维数据信息，进而快速重建出目标的三维模型同时，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、监测、计量、分析、模拟、仿真、展示、虚拟现实、…等，它是各种正向工程的对称应用即逆向工程的应用工具。
　　在以前也是以摄影测量为主，现在大多数更愿意采用激光扫描仪来完成各项测量工作。这样做成易于保存的电子资料，能全面的了解表面，随时更加方便地得到等值线、断面、剖面等信息。当建筑和文物遭到破坏以后能够及时而准确地提供修复和恢复数据信息。（如图4-7）

图4-7 历史古建筑物的保存与恢复
7.2 在测绘中的应用
三维激光扫描测量技术在测绘领域有着非常广泛的应用。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（DTM）的高精度实时获取、城市地面三维模型重建、局部区域的地理信息获取等方面都具有明显的优势，它成为了摄影测量与遥感技术的一个重要补充。
7.2.1 立体模型的建立
工程实例分析—某变电所的三维模型的建立
1、数据获取
采用徕卡HDS6000三维激光扫描仪进行扫描。为了保护人和动物的眼睛，该扫描仪采用的是波长为1550nm的近红外激光器，扫描速度达到每秒500000点，加上其3600×310。的扫描范围，扫描距离为79m；单点测量的精度为3mm（50m距离）；距离读数为0.1mm，尤其适合大型建筑监测，工厂改造，工业设计、建筑与文物测量等工程项目。对某变电所采集的方式为非接触测量方式，站与站之间的距离小于50m，分为六行，共采集了52站的点云数据，每站的测量时间不同（建筑物复杂区域为6rnjn，较为简单的区域为3min）；数据总量为23G。同时利用数码相机采集了大量野外场景高清晰图片，照片总量为600M，为后期的模型表面材质处理做好了准备。
2、三维模型的建立
在建立变电所的钢管套、变压器、支柱瓷绝缘子套管的三维模型时，对于钢管套，采用cyclone软件的曲面自动延伸的功能，生成空心的管套，然后两端进行曲面封口；而对于支柱瓷绝缘子套管，则采用柱体、球体、管状体等几种组合图形，利用其自动匹配方式进行各自模型的生成，然后根据点云组合模型：

7.2.2 滑坡监测
对某个滑坡定期进行扫描，将前、后两次扫描得到的点云数据叠加在一起，然后由处理软件分析前、后两次点云数据的差别，从而得出滑坡的变形趋势和量级。
7.2.3文物修复
当对受到损害的文物进行修复时，要求进行非接触式的测量，而以前所用的测量方法是无法达到，但是由于三维激光扫描仪具有非基础式测量、高分辨率、高精度的优点，因此可以充分利用激光扫描仪获取高分辨率和高精度的云点数据，获取建筑物表面的精细结构为建筑物修复提供修复数据，进行精细测量，进而对文物进行修复。

7.2.4边坡变形监测
在以前，进行变形监测都是通过全站仪或GPS定位系统以及其他形式监测方式，都是把检测点设置在易发生变形的地方，通过对该点的连续和定期观测，然后对多次观测的数据的对比分析，得出该点的变形量或变形规律，进而完成对工程安全性的确定，此种方式做出的安全与否判断结果可能存在瑕疵，因为只是对离散监测点位移变化分析。而三维激光扫描技术，可以获取高密度、高精度的三维云点数据，因此，对边坡的变形监测能够反映坡体的量级和总体变化趋势，其操作过程是先对边坡进行连续或定期的扫描，然后将前后两次扫描所得的点云数据叠加在一起，通过处理软件对监测体的扫描数据对比分析，做出对检测对象的正确评估，从而得出边坡的变化趋势和量级。（如图4-6）

图4-6 大坝边坡变形监测
7.2.5 城镇地籍测量
在以往传统的城镇地籍测量中，调查结果多为图件和报表形式，可利用率差，但是三维激光扫描仪能够形成形象的三维图像，对获取到的三维云点数据进行分析建模，以便在电脑上进行量测，其精度也有了较大的提高。
三维激光扫描技术具有良好的技术优势，以上只是部分应用，它在逆向工程、工业