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[摘 要 ]基于目前三维激光扫描仪技术应用,通过对该技术进行实际应用与研究,阐述了其外业操作流程及关键技术,应用其进行外业点云数据采集从而实现三维立体模型的构建.
[关键字]三维激光扫描仪 点云数据 三维立体模型
[中图分类号] O348.11 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-5-322-1
0前言
传统的大地测量方法,如三角测量方法,GPS测量都是基于点的测量,相对于传统的测量技术,三维激光扫描仪技术在获取空间数据信息时能以点云的方式获取几乎整个观测目标的三维坐标,具有实时性、主动性、适应性好等特点.目前该技术应用的领域包括快速建立局部城市三维模型、古建筑测量与文物保护、逆向工程应用、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测等.
对空间信息进行可视化表达,即进行三维建模,通常有两类方法：基于图像的方法和基于几何的方法.基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型,其数据来源是数码相机.而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型,这种方法含有被测场景比较精确的几何信息.
1测量原理及其关键模型分析
三维激光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,如图1所示.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.
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.
精度的因数：分辨率、回波、时间、大气影响等.通常情况下,仪器与被测点的距离越近、激光光斑越小、分辨率越高、回波信号越强,相应的测量精度越高；反之,则测量精度越低.此外,回波还受目标材质的反射率和边缘效应影响,而温度的变化也可令某种激光扫描仪的测距结果在x,y方向产生偏移.
2工程实例应用
2.1外业数据获取方式
外业数据采集主要包括了：仪器的架设、测量项目及测站的建立、测量标靶以及点云扫描.其中测量时可采用自由设站的方式,也可选择架设在一直坐标点的方式,如何选择可视实际情况而定.
2.2内业数据处理
内业数据工作主要包括了点云的拼接,点云多余数据的剔除,以及三维立体模型的建立,如图2所示.
该实验应用拓普康三维激光扫描仪进行外业点云采集,选取自由架站的方式,在内业数据处理时应用其自带软件ScanMaster进行了点云的拼接和剔除,再基于Geomagic软件进行三维立体模型的建立,有图中可以看出,点云采集密度较好且通过软件建立的三维立体模型完整性较好.
3小结
扫描技术不断发展并日渐成熟,目前三维扫描设备也逐渐商业化,三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体,不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据.这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现.通过本文的研究,介绍了外业数据采集及内业数据处理,对三维立体模型的构建具有一定的参考意义.