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三维激光扫描技术的发展现状
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地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表的，有人称“三维激光扫描系统"是继GPS（Global Position）以来，测绘领域的又一次技术革命。经过近十年的迅猛发展，扫描仪硬件技术日趋成熟，绝大部分硬件技术问题已经得到了解决，市场上出现了不少商用三维激光扫描硬件系统，许多公司厂家都提供不同类型的扫描仪产品，其种类、功能和性能指标不尽相同，比如测程范围从1～1000m，测距精度从0.4,-,20mm，测量速度从100-400000点／等。由于各类激光扫描仪有不同的技术特性，因此仪器适应范围也千差万别，如有些扫描仪适合在室内或者中程距离测量（<100m），有些适合在室外长距离或者宽阔的场地使用，而有些具有很高精度的扫描仪最大测程只有几米，适应于医学领域的研究。国内的一些研究学者也曾对种类繁多的激光扫描仪进行了比较详细的分类，如马立广【l】，通常不同的思考角度会导致不同的分类结果，在分类中我们考虑了如下三种因素：1、仪器的扫描方式（如水平360度扫描、瞬时视场的大小、扫描断面等）；2、仪器的偏差系统（仪器的轴系旋转或者镜面旋转方式）；3、配套使用的设备类型（如内置或者外置的相机、GPS接收机等）。具体划分依据在此简单归纳总结如下：
按照扫描仪激光光束的发射方式不同划分为：1、灯泡式扫描仪，如图.1（a）；2、三角法扫描仪，它的用途有限，如三坐标测量机就是基于这种原理，见图1.1（b）；3、扇形扫描仪，此种类型的扫描仪扫描所得点云的精度和密度都很高，为大多数扫描仪所采用。2）按照扫描仪的扫描成像方式划分为：1、摄影扫描式。此类型的扫描仪扫描瞬时视场（FOW）有限，它与摄影测量的相机类似。Leica的和OPTECH的ILRIS 3D扫描仪均属于此类型。
它主要适应于窄外物体的扫描。尤其是对于长距离的扫描很有优势。2、全景扫描式。此类型扫描仪的视场局限于仪器的自身如三角架。它适片丁室内扫描，如数字化房屋和工业设备等。此类仪器有lmager 5003和等。3、混合型扫描式。它集成了上述两种方式的优点，水平方向的轴系旋转不受任何限制，m垂直方向上的轴系旋转受镜面的局限。GS200（MENSI）和LMS Z360（RIEOL）都是这种型号。该种分类情况按照扫描仪测距原理划分；地面三维激光扫描仪对目标进行扫描时，与无棱镜反射的电子全站仪类似，获得的是扫描仪中心与被扫捕物体的表面的两个央角和一个斜距。三维激光扫描仪常用测距原理包括：1、基于时间漂移原理（TH蚰e OfFlight）。大多数的扫描仪测距都是采片j这种原理，这种原理测距范围町以达到几百米，甚至突破千米（包括和RIEGL产品），但是在大范围的扫描测距时，精度相对较低。2、基于相位测量原理（Phase Measurement）。主要用于进行中等距离的扫描测量，扫描范周通常限制在100m范围之内，与时间漂移原理相比，它的精度可以达到毫米级。3、基于澈光雷达或光学的三角测量原理.Laser Radar）。为了保证扫描的完整性，许多扫描仪只扫描几米至数十米的范围，而基于该原理的扫描仪可以达到亚毫米的精度，且土要应爿j于工业测量和逆向_[程中，通常并小把这种扫描仪归属于地面激光扫描仪的具体范畴之内。
结合_【=程实际需要，按照扫描速度和精度、空间分辨率、测程等不同指标进行划分。表1 I和图1 3列出r目前市场上常见的激光扫描仪及其主要技术参数。
从表中可以看出，当前最先进的地面激光扫描仪在测距精度上都可达到毫米级，扫描角测量精度已经可以达到lO秒以内，这相当于在50米的距离内，由角度测量引起的误差可以控制在1.5～3mm。近几年，HDS2500、ILRIS.3D、LMS-Z210和MENSI GS200这类基于测距技术的激光扫描仪的出现，实质上是三维激光扫描技术的革新和发展。这类新型仪器最突出的特点是在具有很高效率的三维数据获取基础之上，将扫描距离突破到百米甚至达到一千米之上。目前在国内，就硬件技术而言，浙江大学、天津大学等科研院校已经对三角法三维激光扫描技术进{?r较为全丽的研究，然而南丁肇J：。IOF测距技术的二维激光扫描技术足丌前最先进的高新集成技术之，H内对这方曲的硬件理论系统研究尚处丁空白，我系引进的激光扫描仪也是基于该原理的新型仪器。TOF测距技术是}R利W光束的E仃时问来测量n描仪与H标点之间的距离。测量过程中，激光扫描仪连续向被扫描对象发射激光束，激光存被扫描肘蒙表而漫反射后再次被激光扫描仪接收。根据激光束的b行叫间可以计算出激光光斑至激光扫描仪的距离。与此同时，扫描仪通过内部的角度测量系统测毓出每一激光束的水平方向平¨嵯苴方向的角度：最后根拼洲得的角度干¨距离uⅡur计葬出每个光斑在手1描仪所定义的空间二维直角坐标系巾的坐标。本文所研究的FARO新型号激光}二I描仪即是采川该类方法聚焦目标物体的点云数据信息。
二维激光扫描仪扫描测最目标物体得到的观测值为『I标对豫表面的点云数据如图1 4所示，虽然存点云数据中隐含着被扫描对象表曲的=维形卷信息，这些信息是通过大量密集的扫描点以模拟的形式体现的，而不是通过矢量化、数字化的方式表达，巾于不能从点云数据中直接提取目标对象的矢量化信息，吲此直u何采用科学、可靠的手段对点云数据进行正确的处理成为一-维激光扫描技术中最关键的环节。点云数据处理的基本任务就足提取点云数据中所包含的同标对象的三维形态信息，并以数学解析表达式的形式进行表示。点云数据的处理是一项十分复杂的研究内容。地面激光扫描仪是近几年才发展起来的高新技术，所以专门针对激光扫描仪点云数据后处理的研究日前还处于初步阶段，但是在工业界尤其是逆向工程领域，与点云处理的某些相关主题方面的研究已经历了数十年的发展。一般来说，点云的处理流程分为数据获取、数据预处理、数据拼接匹配、三维建模、矢量成果的输出及评价等几个毛要过程。以下分别简要介绍各处理环节的相关内容：
数据获取：利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体和反射参照点进行扫描，尽可能多的获取实体相关信息。三维激光扫捕仪最终获取的是卒间实体的几何位置信息以及内置或外置相机获取的影像信息。这些原始数据‘并存储在特定的工程文件中。
数据预处理：数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点五数据和影像数据进行坝处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。
数据拼接匹配：一个完罄的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的这需要我们在不同的位置对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。在扫描过程中，扫描仪的办向和位置都是随机的未知的，要实现两幅或多幅扫描的拼接，常规方法是利用选择公共参照点的方式来实现这个过程，这个过程也叫做间接的地理参照。选取特定的反射参照日标当做地【面控制点，利用它的高对比度特性实现扫描影像的定位和匹配。
三维建模：数据预处理完成后，接下来的工作就是对实体进行建模，而建模的首要工作是数学算法的选择，这是一个几何图形反演的过稃，算法选择的恰当与否决定最终模型的精度和数据表达的正确性。点云数据保证了表面模型的数据，而影像数据保证了边缘和角落的信息完整和准确。最后通过自动化的软件平台，用获取的点云强度信息和相机获取的影像信息对模型进行纹理细节的描述。
矢量成果的输出及评价：基于不同的应用目的，可以把数据输出为不同形式，直接为空间数据库或工程应用提供数据源。然而数据的精度和质量究竟如何，能否满足各种实际应用的要求，都需要对结果进行综合的评估分析。评估的模型和评价标准要根据不同的应用目的来确定。
根据数据处理的研究主题，以上流程又可进一步细化为：数据获取、点云数据精度与质量评定、海量数据预处理、多视点云精确配准、数据分析、数据压缩、曲面的分割和拟合、建立空间三维模型、矢量数据的提取和输出等，如图.5所示。三维激光扫描仪的迅速发展，使其在土木工程、城市规划、虚拟现实等领域有着广阔的应用前景。然而，即使在发达国家，三维激光扫描技术在这些领域的研究也是处于初步发展阶段，例如，在仪器的精度研究方面尚缺乏较为系统的研究与评价方法，点云数据处理方面缺乏较为成熟的理论与算法，甚至有些方面的理论和方法尚未开展研究。目前在国内也只有少数学者开展了对点云数据后处理的理论和方法研究，其研究的内容和层次远远达不到实用的阶段，可以认为，目前在国内几乎没有一套成熟的、自主开发的数据后处理软件。
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