隨著信息技術(shù)研究的深入及數(shù)字地球、數(shù)字城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，人們對空間三維信息的需求更加迫切?；跍y距測角的傳統(tǒng)工程測量方法，在理論、設(shè)備和應(yīng)用等諸多方面都已相當(dāng)成熟，新型的全站儀可以完成工業(yè)目標(biāo)的高精度測量，GPS可以全天候、一天24小時(shí)精確定位全球任何位置的三維坐標(biāo)，但它們多用于稀疏目標(biāo)點(diǎn)的高精度測量。隨著傳感器、電子、光學(xué)、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺理論獲取物體表面三維信息的攝影測量與遙感技術(shù)成為主流，但它在由三維世界轉(zhuǎn)換為二維影像的過程中，不可避免地會喪失部分幾何信息，所以從二維影像出發(fā)理解三維客觀世界，存在自身的局限性。因此，上述獲取空間三維信息的手段難以滿足應(yīng)用的需求，如何快速、有效地將現(xiàn)實(shí)世界的三維信息數(shù)字化并輸入計(jì)算機(jī)成為解決這一問題的瓶頸。三維激光測量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術(shù)手段，為信息數(shù)字化發(fā)展提供了必要的生存條件。20世紀(jì)90年代，隨著三維激光掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升及價(jià)格的逐步下降，它在測繪領(lǐng)域成為研究的熱點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，逐步成為快速獲取空間實(shí)體三維模型的主要方式之一。

使用國產(chǎn)地面激光掃描儀掃描的輸電線三維模型

　　三維激光掃描測量技術(shù)的特點(diǎn)

   　 三維激光掃描測量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前，生產(chǎn)三維激光掃描儀的公司有很多，它們各自的產(chǎn)品在測距精度、測距范圍、數(shù)據(jù)采樣率、最小點(diǎn)間距、模型化點(diǎn)定位精度、激光點(diǎn)大小、掃描視場、激光等級、激光波長等指標(biāo)會有所不同，可根據(jù)不同的情況如成本、模型的精度要求等因素進(jìn)行綜合考慮之后，選用不同的三維激光掃描儀產(chǎn)品。

機(jī)載激光雷達(dá)生成的三維地表模型

　　三維激光掃描技術(shù)發(fā)展

    　激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡稱LIDAR）是利用激光測距原理確定目標(biāo)空間位置的新型測量儀器，通過逐點(diǎn)測定激光器發(fā)射信號與目標(biāo)反射信號的相位（時(shí)間）差來獲取激光器到目標(biāo)的直線距離，再根據(jù)發(fā)射激光信號的方向和激光器的空間位置來獲得目標(biāo)點(diǎn)的空間位置。通過激光器對物體表面的密集掃描，可獲得物體的三維表面模型。三維激光掃描測繪技術(shù)的測量內(nèi)容是高精度測量目標(biāo)的整體三維結(jié)構(gòu)及空間三維特性，并為所有基于三維模型的技術(shù)應(yīng)用而服務(wù)；傳統(tǒng)三維測量技術(shù)的測量內(nèi)容是高精度測量目標(biāo)的某一個(gè)或多個(gè)離散定位點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)及該點(diǎn)三維特性。前者可以重建目標(biāo)模型及分析結(jié)構(gòu)特性，并且進(jìn)行全面的后處理測繪及測繪目標(biāo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何內(nèi)容。如：幾何尺寸、長度、距離、體積、面積、重心、結(jié)構(gòu)形變，結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系、復(fù)制、分析各種結(jié)構(gòu)特性等；而后者僅能測量定位點(diǎn)數(shù)據(jù)并且測繪不同定位點(diǎn)間的簡單幾何尺寸，如：長度、距離、點(diǎn)位形變、點(diǎn)位移等。按 照空間位置分類，三維激光掃描設(shè)備可分為:機(jī)載類和地面類。

1．機(jī)載掃描激光雷達(dá)

    　機(jī)載激光雷達(dá)簡稱LIDAR是指在飛機(jī)上搭載激光雷達(dá)、數(shù)字相機(jī)和定位定姿裝置，以獲取具有影像真實(shí)感的高精度數(shù)字表面模型（DSM）和數(shù)字高程模型（DEM）的新型測繪裝備。

   　 LIDAR系統(tǒng)通過掃描裝置，沿航線采集地面點(diǎn)三維數(shù)據(jù)，通過特定方程解算處理成適當(dāng)?shù)挠跋裰担蒐IDAR數(shù)據(jù)影像和地面高程模型DEM。系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)航帶寬度，使其與航攝寬度精確匹配。在不同的實(shí)地條件下，平面精度可以達(dá)到0.15 至1米，高程精度可達(dá)到10厘米，間隔可達(dá)到2-12米。LIDAR是為綜合航攝影像和空中數(shù)據(jù)定位而設(shè)計(jì)的，其獨(dú)特性在于能快速為數(shù)字制圖和GIS應(yīng)用提供精確的地面模型數(shù)據(jù)。由于激光脈沖不易受陰影和太陽角度影響，從而大大提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。其高程數(shù)據(jù)精度不受航高限制，比常規(guī)攝影測量更具優(yōu)越性。LIDAR應(yīng)用多光束返回采集高程，數(shù)據(jù)密度可達(dá)到常規(guī)攝影測量的三倍，可提供理想的數(shù)字高程模型DEM，大大提高了正射影像糾正精度。LIDAR數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以直接與其它類型要素或影像數(shù)據(jù)合并，生產(chǎn)內(nèi)容更為豐富的各類專題地圖。機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)與數(shù)字航攝儀、機(jī)載GPS及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)相結(jié)合，使用大容量高速計(jì)算機(jī)，經(jīng)過專用軟件處理，可在空中完成地面高程模型DEM及數(shù)字正射影像圖DOM的大規(guī)模生產(chǎn)，將大大提高航測成圖的作業(yè)生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)，縮短生產(chǎn)周期，提高成圖精度，提供更為豐富的地理信息。

    　2．地面激光掃描雷達(dá)（激光掃描儀）

    　地面激光掃描雷達(dá)也稱激光掃描儀，地面激光掃描雷達(dá)按照平臺分為地面、車載、船載和手持等類型。地面激光雷達(dá)(Ground一Based Light Detection and Ranging, Ground-Based LIDAR)小型便捷、精確高效、安全穩(wěn)定、可操作性強(qiáng)，能在幾分鐘內(nèi)對所感興趣的區(qū)域建立詳盡準(zhǔn)確的三維立體影像，能提供準(zhǔn)確的定量分析，可廣泛應(yīng)用于各相關(guān)領(lǐng)域，如快速建立局部城市三維模型、古建筑測量與文物保護(hù)、逆向工程應(yīng)用、復(fù)雜建筑物施工、地質(zhì)研究、建筑物形變監(jiān)測等領(lǐng)域。地面三維激光掃描是在地面利用激光掃描裝置自動、系統(tǒng)、快速(準(zhǔn)實(shí)時(shí)) 獲取對象表面的三維坐標(biāo)的測量技術(shù)。它是一種高精度的測量手段,中、長距離的地面激光掃描儀的單點(diǎn)定位精度在±2 毫米至±25 毫米之間。激光掃描與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量(如全站儀、GPS 測量) 不同,可以獲取被掃對象表面成千上萬個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，而且可以獲取對象表面的深度影像信息。目前有瑞士Leica，美國的Tremble等公司有商用產(chǎn)品，每臺在150萬元左右，作用距離大多在100米以內(nèi)。國內(nèi)已經(jīng)有很成功的地面激光掃描儀，當(dāng)前最大測距為200米，成本是進(jìn)口的一半，換裝大#p#分頁標(biāo)題#e#功率激光器后可以增大測量距離，根據(jù)需要可以達(dá)到1000米以上。

　　三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)處理

    　利用三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建實(shí)體三維幾何模型時(shí)，不同的應(yīng)用對象、不同點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特性，三維激光掃描數(shù)據(jù)處理的過程和方法也不盡相同。概括地講，整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建和模型可視化。數(shù)據(jù)采集是模型重建的前提，數(shù)據(jù)預(yù)處理為模型重建提供可靠精選的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，降低模型重建的復(fù)雜度，提高模型重構(gòu)的精確度和速度。數(shù)據(jù)預(yù)處理階段涉及的內(nèi)容有點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的縮減、點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分割、不同站點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)及融合等；模型重建階段涉及的內(nèi)容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數(shù)據(jù)的處理、模型簡化和紋理映射等。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)三維激光掃描數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及建模需求，選用相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理策略和方法。

　　三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用探討

    　隨著三維激光掃描測量技術(shù)、三維建模的研究以及計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，如制造業(yè)、文物保護(hù)、逆向工程、電腦游戲業(yè)、電影特技等，逐步從科學(xué)研究發(fā)展到進(jìn)入了人們?nèi)粘Ｉ畹念I(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)的介入促進(jìn)了應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的大量需求成為其研究的動力，三維激光掃描測量技術(shù)在測繪領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。激光掃描技術(shù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、電荷耦合(CCD)等技術(shù)相結(jié)合，在大范圍數(shù)字高程模型的高精度實(shí)時(shí)獲取、城市三維模型重建、局部區(qū)域的地理信息獲取等方面表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)勢，成為攝影測量與遙感技術(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充。同時(shí)在工程、環(huán)境檢測和城市建設(shè)等方面均有成功的應(yīng)用實(shí)例，如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災(zāi)害評估、建立3D城市模型、復(fù)雜建筑物施工、大型建筑的變形監(jiān)測等。下面簡要介紹一下主要應(yīng)用：
    ?、倭Ⅲw模型的建立：此項(xiàng)功能是三維激光掃描技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)，主要用于物體立體模型的建立(房屋、橋梁、城堡、廠區(qū)設(shè)備等)、考古與文物保護(hù)、工業(yè)設(shè)備計(jì)測、三維數(shù)字地面模型建立、三維城市漫游建立，滿足未來3D數(shù)據(jù)采集等方面。
    ?、诮柚鷻C(jī)載和船載激光掃描設(shè)備可以完成水地和地面地形測量。
    ?、刍卤O(jiān)測和確定滑坡區(qū)域：通過比較兩次或多次掃描數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行分析和確定滑坡區(qū)域和對滑坡區(qū)域檢測，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)和對災(zāi)害造成范圍的確定。
    　④逆向工程中的應(yīng)用，是針對一現(xiàn)有工件樣品或模型，利用手持三維激光掃描儀準(zhǔn)確快速地將輪廓坐標(biāo)測得，并加以建構(gòu)曲面，編輯、修改后傳輸?shù)紺AD模型系統(tǒng)，再由工路徑送至加工機(jī)，制作所需模具或送到快速成型機(jī)將樣品模型制作出來。

　　結(jié)束語

    　三維激光掃描技術(shù)是快速獲取三維空間信息的重要手段之一，特別對于測繪領(lǐng)域來說，伴隨三維激光技術(shù)的不斷完善與發(fā)展，以及三維控制信息需求的增加，三維空間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測量技術(shù)相互融合，作為一種新的空間數(shù)據(jù)采集手段，三維激光掃描技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展空間，成為一種普遍在測繪領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)手段。