2024年3月29日发(作者：神舟飞船简介)

9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用

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，

或得点云数据。最远测量距离可达数千米，最高扫描频率可达每秒几十万，纵向

扫描角θ接近90º，横向可绕仪器竖轴进行360º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。

目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美国

的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech

公司等。它们各自产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型

化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，

可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同

的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。

一、地面三维激光扫描仪测量原理

无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光

扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以

均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光，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，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面

三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。

地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。

1.测距原理

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，测距方法主要有脉冲法和相位法。

脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测

目标的距离。激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标反射后到达接收系统，

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设测量距离为S，测得激光信号往返传播的时间差为Δt，则有：

可以看出，影响距离精度的主要因素有c和Δt。

，

相位法测距使用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制，通过测定调制

光信号在被测距离上往返传播所产生的相位差，间接测定往返时间，并进一步计

算出被测距离。相位型扫描仪可分为调幅型，调频型，相位变换型等。这种测距

方式是一种间接测距方式，通过检测发射和接受信号之间的相位差，获得被测目

标的距离。测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究，精度可达mm级。

脉冲法和相位法测距各有优缺点，脉冲测量的距离最长，但精度随距离的增

加而降低。相位法适用于中程测量，具有较高的测量精度。

2.扫描和测角原理

三维激光扫描仪通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面扫描棱镜的转动，

决定激光束出射方向，从而使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。目前，

扫描控制装置主要有摆动平面扫描镜和旋转正多面体扫描镜。

三维激光扫描仪的测角原理区别于电子经纬仪的度盘测角方式，激光扫描仪

通过改变激光光路获得扫描角度。把两个步进电机和扫描棱镜安装在一起，分别

实现水平和垂直方向扫描。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的控制微

电机，它可以实现对激光扫描仪的精确定位。

3.定向原理

三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的

后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地

坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。

二、地面三维激光扫描仪特点

1.非接触测量

三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量无须反射棱镜对扫

描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数

据完全真实可靠。可以用于解决危险目标及人员难以达到的情况，具有传统测量

方式难以完成的技术优势。

2.数据采样率高

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