[发明专利]三维激光扫描测绘方法

说明书

技术领域

本发明属于三维激光扫描测绘领域，尤其涉及一种三维激光扫描测绘方法。

背景技术

对于城市建设工作而言，在三维的虚拟环境中进行分析比依靠传统二维地图信息要高效得多。而利用三维激光扫描技术可以轻松获得的扫描对象的高密度、有精确三维坐标的点云数据，可以被广泛应用在城市建设的规划、设计以及施工等全过程工作中。

三维激光扫描采用非接触式高速激光测量方式，以点云的形式获取地形及复杂物体三维表面的阵列式几何图形数据，从而实现三维重建。三维激光扫描技术的优势在于能够快速获取扫描对象表面三维坐标，精确到厘米甚至毫米级，采集速度高达每秒几十万个点，其附带的高精度相机能同时获取扫描对象的高清晰影像数据。经过相关软件处理后生成高精度的数字地面模型、等高线图及建筑平、立、剖图，通过将点云数据获取的建筑物模型与影像配准，得到高精度的三维建筑物模型，直至数字城市展示。激光扫描技术向人们展示了在复杂曲面三维信息获取、三维重建等方面的独特优势，在“数字城市”建设、城市规划中具有广泛的应用前景。

三维激光扫描系统包括三维激光扫描仪(见“图1”中的10)、便携三脚架、线缆、便携电脑(见“图1”中的20)及控制装置(见“图1”中的30)、标靶、测控软件、信息后处理软件等。图1所示为传统通用的地面三维激光扫描系统与坐标系的关系示意图，所述三维激光扫描仪的主要构造，包括一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的旋转反射棱镜。激光测距仪主要功能是发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。

三维激光扫描仪整个工作过程为：首先是由激光测距仪发射出激光信号，信号经过旋转反射棱镜射向目标，然后通过激光测距仪，接收反射回来的激光信号，并由扫描仪记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理得到想要的数据输出。

完整重建目标，仅仅从一个观测点扫描测绘目标数据是不够的，还必须在不同观测点进行扫描测绘，并且在同一个空间坐标系中合并后才能生成，目前相关技术提供了人工辅助的自动合并功能，只要在扫描目标前规划好扫描内容并且设置好标靶便可。将不同观测点扫描获得的同一扫描对象的点云数据在同一个空间坐标系中进行合并，然后在后处理软件功能模块中剪裁掉无关的部分，便得到所需的目标三维重建内容，接下来的工作是对点云数据的质量进行处理，进行平滑、去噪、精度筛选、方差均值处理等，这样便得到可以用于各种应用目的的工作。

基于目前三维激光扫描技术的测绘水平，以图2所示的流程图为例，对传统通用的三维激光扫描测绘方法的如下步骤进行说明：

步骤1：准备标靶与标靶信息记录图表，标靶如图3所示，标靶信息记录图表如图4所示。

步骤2：放置标靶，同时在所述标靶信息记录图表中进行标靶信息记录，也就说，放置标靶后，在标靶信息记录图表中记录如下信息：绘制标靶布置图，记录所放置的标靶对应的测站编号(S1、S2......)以及标靶编号，甚至附有照片或是进行备注，以全面记录标靶信息实况。分三个子步骤，

步骤3：扫描包括三个子步骤，前两个子步骤一是高精度的标靶扫描，其结果为各标靶的点云数据；二是精度较低的目标对象扫描，其结果为目标对象的点云数据；第三个子步骤是在现场对扫描仪中的标靶点云信息进行编号和存储，如图5所示的Z1至Z6分别对应一个高精度标靶数据存储文件夹，Scan-0001.bin(2578995points，2357x2190)为目标点云数据存储文件夹。

步骤4：对扫描仪中的标靶编号信息与记录表中的标靶信息进行检查与复核。

步骤5：利用扫描仪配套软件将包含标靶编号信息的多站扫描数据进行自动拼接整合。

从以上描述可以看出，传统通用的三维激光扫描测绘方法存在以下几点值得改进的地方：

1、标靶与扫描对象分别扫描增加了外业扫描的工作量，同时也增加了累积误差。

2、需在现场对扫描仪数据中的标靶进行编号，并需附带记录标靶信息实况的标靶信息记录图表以备检查，增加了野外工作量，同时也增加了出错概率，原因是标靶本身的标记可能出错，标靶信息记录表也存在出错的可能。