三维激光扫描技术及其工程应用研究

三维激光扫描技术及其工程应用研究

孙介夫 ,李天佑

中车大连机车车辆有限公司  辽宁大连  116000

摘要：三维激光扫描技术是很多应用领域的关键技术之一，与传统的信息获取技术相比，它能够快速、准确、无接触地完成复杂型面的测量和三维数据的建模。本文主要介绍了三维激光扫描技术的测量原理以及扫描过程中应注意的问题，着重说明该技术的主要应用领域并进行案例分析，最后阐述三维激光扫描技术的未来发展趋势。

关键词：三维激光扫描；测量原理；应用领域；

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，它通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。

1三维激光扫描技术的测量原理

1.1 三维扫描原理

三维扫描的原理基于计算机双目立体视觉理论和结构光测量原理，实现过程是利用两个摄像头记录空间同一工件的图像，然后寻找这两幅在二维图像中的同名点，如果能够获得已知两个摄像机之间的几何位置关系，就可以计算出两摄像机公共视场内物体的三维几何特征及空间结构点的三维坐标矩阵（见图1）。可以看出P1、P2分别为一个空间点Ｐ在两摄像机像平面上的成像点。假设摄像机1、2之间的位置关系已知，则可以建立一个基于摄像机模型的空间世界坐标系XYZ 和2个摄像机坐标系，然后，在点P1和P2的基础上就可以确定P点在世界坐标系的坐标值。

图1物坐标和图像坐标归并世界坐标系

1.2 三维激光扫描的测量原理

它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。

三维激光扫描仪原理与激光的相干性、单色性、方向性和高亮度等特性相关，在具有测量速度快和操作简便等特点的同时，保证了测量的综合精度。激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前，三维激光扫描仪的测距方法主要分为三种：三角法、脉冲法和相位法。

1.3 扫描过程中应注意的问题

三维数据建模的准确度主要依赖于两个方面：a.所采用的扫描方法，b.具体的扫描过程。扫描是数据处理的基础,三维数据建模结果的好坏直接取决于扫描所得的数据质量。如果被扫描物体的有些部分没有被扫到，在数据建模时就会出现磨损或残缺，虽然可以用3DIsPos提供的特殊功能来进行弥补，但由此造成的误差有可能是我们所无法接受的。因此，以下就扫描过程中所应注意的一些关键问题予以阐述。

一、坐标系的选取。选择合适的坐标系会有利于数据的变换、特征检测和后处理等有关算法的有效实现。图像是场景在图像平面上的一种透视投影表示，因此在“以摄像机为中心的坐标系”或“以观察者为中心”的坐标系中表示物体是很自然的。

二、视点选取。视点过多或过少都会使合并产生困难。视点数量的选取取决于所扫描的对象、精度要求和现场环境的限制。视点位置可以以人眼为标准，以激光三维扫描仪的中心为起始点，左右扫描40°即可。

三、现场环境对扫描结果的影响。一般情况下,尽量在最合适的条件（温度、湿度、振动等）下使用扫描仪，这里主要强调一下现场光线对扫描结果的影响。由于扫描仪采用的是主动式扫描（即发射激光），所以过于强烈的现场光线会对扫描结果产生一定的干扰。

2三维激光扫描技术的主要应用领域

三维扫描技术与传统技术相比，它能完成复杂形体的点、型面的三维测量，且具有速度快、精度高的优点。这些特性决定了它在许多领域可以发挥重要作用，而且其测量结果能直接与多种软件接口，目前己广泛应用在各个领域。

2.1 工业生产领域

欧美的许多大汽车公司、机械加工生产和装配厂都装备了三维扫描仪，用于产品外形和零件的测量。用三维扫描仪对这些样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与各种CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补，再送至数控加工或快速成型设备制造中心。

2.2 工程测量领域

袁凤祥等通过利用地面三维激光扫描仪，结合全站仪和GPS进行土方量的测量计算。数据处理采用FAROSCENE软件，通过点云拼接，数据消冗，噪声剔除及过滤后重采样等处理后获得土方量三维数据，并依此来进行土方量的计算。

2.3 变形监测领域

徐进军等利用三维激光扫描进行滑坡变形监测，除了采用 GPS 或全站仪测量的特征点外，还利用滑坡上的大量点自然地物作为监测点，用于完整监测和变形分析。

2.4 文物保护领域

胡本刚等利用三维激光扫描仪获得文物的点云原始数据，然后对这些数据进行预处理，包括滤波去噪、拼接、分割等一系列操作。再利用激光点云数据制作文物的正射影像和二维线划图，应用于损坏文物的修复工作。

3 实际案例分析

在工厂的生产过程当中，实际生产的工件可能会与其设计的CAD 模型出现偏差，导致工件安装不合格，出现偏差或间隙断差，影响产品的整体质量。单纯靠传统的测量方式很难对复杂曲面的制造误差进行准确的测量。这时，我们就可以借助三维激光扫描技术对生产的工件进行逆向建模，并与设计的CAD 模型进行比较，从而清楚的看到生产过程中的误差，对后续的设计和加工工艺的改进与调节提供依据。

本案例介绍某铁路车辆车头曲面轮廓的3D 偏差测量。该车头在制造过程中出现前端鼻椎与司机室钢结构部分接口处装配不协调，影响产品的整体质量。为了找出问题的原因，现对车头钢结构部分进行逆向扫描测量，获取司机室钢结构的点云数据，进行逆向建模，用制造出的实物模型与生产设计模型进行比对，分析其生产制造误差，为工厂的加工工艺改进提供科学的依据。

4未来发展趋势

未来该技术的发展应主要针对以下方向：

一、应加强三维激光扫描技术的自主产权，通过自身的技术力量发展来降低国内三维激光扫描测量仪器价格，拉动国内激光测量市场发展。

二、规范三维激光扫描测量仪器的数据处理软件格式，通过制定相关的行业规范来统一数据标准，从而实现不同仪器间的数据交流与共享，拓宽行业内部的技术交流渠道，制定统一的交流平台。

三、提高点云数据和影像的匹配精度。通过与传统测量手段相结合，从而克服精度、测距之间的矛盾，实现外业测量中的长距离、高精度测量，将联合测量作为未

5 结束语

三维激光扫描测量技术的广泛应用推动了工程建设行业的发展和进步，同时也为各类与测量技术相关的领域提供了更精准的数据服务。虽然当前的三维激光扫描测量技术应用还存在如价格过高、精度与测距难以平衡、数据处理标准缺失等等许多的来大型地面测量的主要研究方向。缺陷，但是随着三维激光扫描测量技术研究的不断深入和各类仪器推广工作的不断合理化与规范化，相信三维激光扫描测量技术的使用范围会进一步获得增长，未来该技术的精准性也会进一步获得提升。

参考文献：

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