地面三维激光扫描仪的工作原理

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三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量,直接获得激光点所接触的物体表面的水平方向、天顶距、斜距和反射强度,自动存储并计算,获得点云数据。最远测量距离一千多米,最高扫描频率可达每秒几十万,纵向扫描角θ接近90°,横向可绕仪器竖轴进行360°全圆扫描,扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机,外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。点云数据经过计算机处理后,结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。

       

    点云坐标测量原理如下图所示。被测点云的三维坐标在三维激光扫描仪确定的左手坐标系中定义,XOY面为横向扫描面,Z轴与横向扫描面垂直。

   

    一个地面三维激光扫描系统主要由三部分组成:扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统。激光扫描仪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。在仪器通过两个同步反射镜快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,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(或者相位差)来计算距离,同时内置精密时钟控制编码器,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θ,因此任意一个被测云点P的三维坐标为:

     

    激光扫描系统的原始观测数据除了两个角度值和一个距离值，还有扫描点的反射强度I，用来给反射点匹配颜色。拼接不同站点的扫描数据时,需要用公共点进行变换, 以统一到同一个坐标系统中，公共点多采用球形目标。 

    点云数据以某种内部格式存储, 因此用户需要厂家专门的软件来读取和处理,OPTEC 的ILRIS-3D 软件,Cyrax 2500 的yclone 软件,LMS-Z420 的等都是功能强大的点云数据处理软件, 它们都具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。