1、脉冲式三维激光扫描技术原理和在地形测绘中的应用摘要 介绍三维激光扫描技术的基本原理和工作流程，讨论了该技术的实际应用范围和存在的缺陷。 关 键 字：三维激光扫描技术；脉冲式；测量原理；优缺点 中图分类号：P24 文献标识码：A 激光测量技术出现于上世纪 80 年代，由于激光具有单色性、高亮度、相干性、方向性等特性，将其作为一种测距载体，能够在精度、速度、可操作性方面超越其他的测量方式。激光测量技术的产生，带来了测绘技术的一场革命。在激光、计算机和传感器技术发展的同时，市场对测绘行业的要求也在不断提高。更高的直观性和完整性的要求，也在促使测绘成果由二维地形图向三维空间模型转变。于是激光测量技术也
2、在短短十数年内完成了由单一点对点的测量记录到非接触主动式快速大量获取三维空间坐标的扫描这种跳跃式的发展。20 世纪 90 年代后，三维激光扫描装置在精度、速度、抗干扰等方面得到了显著提升，作业距离增加，操作难度和价格不断下降，使该技术的应用领域不断扩大。除了测绘以外，三维激光扫描技术在工业、地质、医学和考古等行业也得到了广泛的应用。 三维激光扫描测量能够在短时间内采用非接触主动式测量，直接获取大范围内的空间三维数据，扫描的对象广泛，也克服了传统测量方式受自然光影响巨大的制约。它具有扫描速度快，实时性强，精度高、主动性强，数字化程度高等特点，能显著提高测量效率。同时，所获得的数据经过预处理，可直
3、接用于二维平面图的绘制和三维模型的建立。 常用的扫描仪根据测距方式可划分为三角式，脉冲式和相位式。由于三角式和相位式测量范围小（0.5-100m） ，而脉冲式测量范围大（1-6000m） ，所以用于地形测绘中的扫描仪绝大部分为脉冲式。 脉冲式三维激光扫描仪的测量原理如下： 距离测定 脉冲式三维激光扫描仪的测距方式和常用的免棱镜全站仪的激光模式很类似，都是由激光发生器发射出 CLASS级激光脉冲，投射到被测量物体上后，由接收器接受到反射光，参考高精度时钟记录下激光脉冲往返时间差.测距仪与被测物之间的距离即为光速和时间差乘积的一半。光速的精度可以通过准确测量影响大气折射率的几个条件（气温、气压等）
4、来提高，时间的精度可通过一系列的判别技术来提高。脉冲式测距较远，但随着距离的增长，精度也会逐步降低，目前常规的脉冲式三维激光扫描仪，扫描距离为 100 米时，点位精度为2mm10mm。 角度的控制和测定 脉冲式三维激光扫描仪测定激光脉冲的垂直角和水平角时，采用了内置伺服马达控制系统，这与常规测量手段中度盘的作用类似，但不同的是借助全反射来实现的。水平角的改变主要是由正多面体扫描棱镜的旋转来完成的。激光脉冲射向扫描棱镜镜体产生全反射，棱镜旋转带来入射角度的变化，从而改变脉冲的反射角度。激光脉冲的垂直角则由摆动扫描镜来调整，同样是通过镜体的旋转来改变入射角度，但角度变化小，不需要完成 360o 旋
5、转。调整单一点位的激光脉冲出射角度，只需要通过电脉冲信号完成驱动棱镜的微电机精确控制即可，记录电脉冲信号同时也就是记录了与激光脉冲的实时角度。常规的扫描仪测角精度为1“12“。通过马达控制系统，激光脉冲完成以激光发射器为中心，球形区域的地貌扫描。为了提高扫描效率，同时也为了减小垂直激光点云的光斑变形，大部分扫描仪在垂直方向上有极限角度，一般为 70o 左右。 脉冲式三维激光扫描仪的全景扫描正是上述两种手段的结合来实现全景扫描的。 扫描出的空间点云数据是以激光发射器为中心的自定义空间极坐标系中，所以还需要通过预处理，将其转换为实地的测量坐标。转换通常借助常规测量或 GPS 为空间极坐标系原点赋予
6、 x,y,z 坐标和正北方向，通过处理软件求出平移和旋转参数。 常规的脉冲式三维激光扫描仪的扫描速率在 10000 点/s50000 点/s，点位采集间距可达到数厘米，可在一个小时里完成数平方公里高密度空间云数据的采集，与常规测量方式相比较，作业效率显著提升。又因为使用全景测量的方式，大范围内的点位相对精度和可信度很高。 脉冲式三维激光扫描技术可与影像采集技术相结合，即时实现三维模型的构建。通过处理软件，首先，使用采集到的影像作为检测和修正参考，进一步提高空间点云数据的精度；其次，依据处理过的空间点云数据为被测区域建立三维空间模型；最后，对影像进行处理，作为三维空间模型的纹理，在短时间内实现了
7、数据采集到成果输出的过程。 脉冲式三维激光扫描作为一种新测量技术，与其它测绘技术相比，发展时间并不长，所以不可避免的存在部分不足，这导致其在地形图测绘上应用十分狭窄,只是作为一种辅助的测量手段，配合常规测量使用。激光脉冲会因为过高的入射角度，导致投射到被测物上的光斑变形，精度下降；由于依靠反射脉冲信号测区，对一些反射率比较低的物体，测量效果下降，甚至产生点盲区；检校方式单一，精度评定不全面；由于激光脉冲产生的频率是固定的，致使测量精度和测量效率之间成为反比的关系；由于激光脉冲测量的特性，记录任何物体的反射信号，且不具备穿透性，对于遮挡后的物体，无法测量完整，常用的修正手段对于距离不规则的遮挡无效；大面积地形测量产生的空间点云数据所包含的点位信心是巨大的，为存储和传输带来相当大的不便，处理时对计算机软硬件要求很高，处理速度缓慢。 尽管存在不足，脉冲式三维激光扫描作为测绘科学的领先技术之一，还是具有突出的优势。随着相关技术的进步，脉冲式三维激光扫描技术会越来越成熟，在推动测绘的空间性和即时性发展上起到更为重要的作用。 参考文献： 1张会霞 朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用 电子工业出版社 作者简介：汪浩然（28）男，河南信阳人， ，助理工程师，主要从事大地测量、工程测量研究工作。
