隨著信息技術研究的深入及數字地球、數字城市、虛擬現實等概念的出現，人們對空間三維信息的需求更加迫切。基于測距測角的傳統工程測量方法，在理論、設備和應用等諸多方面都已相當成熟，新型的全站儀可以完成工業目標的高精度測量，GPS可以全天候、一天24小時精確定位全球任何位置的三維坐標，但它們多用于稀疏目標點的高精度測量。隨著傳感器、電子、光學、計算機等技術的發展，基于計算機視覺理論獲取物體表面三維信息的攝影測量與遙感技術成為主流，但它在由三維世界轉換為二維影像的過程中，不可避免地會喪失部分幾何信息，所以從二維影像出發理解三維客觀世界，存在自身的局限性。因此，上述獲取空間三維信息的手段難以滿足應用的需求，如何快速、有效地將現實世界的三維信息數字化并輸入計算機成為解決這一問題的瓶頸。三維激光測量技術的出現和發展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段，為信息數字化發展提供了必要的生存條件。20世紀90年代，隨著三維激光掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升及價格的逐步下降，它在測繪領域成為研究的熱點，應用領域不斷擴展，逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一。
使用國產地面激光掃描儀掃描的輸電線三維模型
三維激光掃描測量技術的特點
三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據，能夠對任意物體進行掃描，且沒有白天和黑夜的限制，快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點，可以極大地降低成本，節約時間，而且使用方便，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前，生產三維激光掃描儀的公司有很多，它們各自的產品在測距精度、測距范圍、數據采樣率、最小點間距、模型化點定位精度、激光點大小、掃描視場、激光等級、激光波長等指標會有所不同，可根據不同的情況如成本、模型的精度要求等因素進行綜合考慮之后，選用不同的三維激光掃描儀產品。
機載激光雷達生成的三維地表模型
三維激光掃描技術發展
激光雷達（Light Detection and Ranging，簡稱LIDAR）是利用激光測距原理確定目標空間位置的新型測量儀器，通過逐點測定激光器發射信號與目標反射信號的相位（時間）差來獲取激光器到目標的直線距離，再根據發射激光信號的方向和激光器的空間位置來獲得目標點的空間位置。通過激光器對物體表面的密集掃描，可獲得物體的三維表面模型。三維激光掃描測繪技術的測量內容是高精度測量目標的整體三維結構及空間三維特性，并為所有基于三維模型的技術應用而服務；傳統三維測量技術的測量內容是高精度測量目標的某一個或多個離散定位點的三維坐標數據及該點三維特性。前者可以重建目標模型及分析結構特性，并且進行全面的后處理測繪及測繪目標結構的復雜幾何內容。如：幾何尺寸、長度、距離、體積、面積、重心、結構形變，結構位移及變化關系、復制、分析各種結構特性等；而后者僅能測量定位點數據并且測繪不同定位點間的簡單幾何尺寸，如：長度、距離、點位形變、點位移等。按 照空間位置分類，三維激光掃描設備可分為:機載類和地面類。
1．機載掃描激光雷達
機載激光雷達簡稱LIDAR是指在飛機上搭載激光雷達、數字相機和定位定姿裝置，以獲取具有影像真實感的高精度數字表面模型（DSM）和數字高程模型（DEM）的新型測繪裝備。
LIDAR系統通過掃描裝置，沿航線采集地面點三維數據，通過特定方程解算處理成適當的影像值，生成LIDAR數據影像和地面高程模型DEM。系統可自動調節航帶寬度，使其與航攝寬度精確匹配。在不同的實地條件下，平面精度可以達到0.15 至1米，高程精度可達到10厘米，間隔可達到2-12米。LIDAR是為綜合航攝影像和空中數據定位而設計的，其獨特性在于能快速為數字制圖和GIS應用提供精確的地面模型數據。由于激光脈沖不易受陰影和太陽角度影響，從而大大提高了數據采集的質量。其高程數據精度不受航高限制，比常規攝影測量更具優越性。LIDAR應用多光束返回采集高程，數據密度可達到常規攝影測量的三倍，可提供理想的數字高程模型DEM，大大提高了正射影像糾正精度。LIDAR數據經過處理，可以直接與其它類型要素或影像數據合并，生產內容更為豐富的各類專題地圖。機載激光雷達系統與數字航攝儀、機載GPS及慣性導航系統(INS)相結合，使用大容量高速計算機，經過專用軟件處理，可在空中完成地面高程模型DEM及數字正射影像圖DOM的大規模生產，將大大提高航測成圖的作業生產效率，減少生產環節，縮短生產周期，提高成圖精度，提供更為豐富的地理信息。
2．地面激光掃描雷達（激光掃描儀）
地面激光掃描雷達也稱激光掃描儀，地面激光掃描雷達按照平臺分為地面、車載、船載和手持等類型。地面激光雷達(Ground一Based Light Detection and Ranging, Ground-Based LIDAR)小型便捷、精確高效、安全穩定、可操作性強，能在幾分鐘內對所感興趣的區域建立詳盡準確的三維立體影像，能提供準確的定量分析，可廣泛應用于各相關領域，如快速建立局部城市三維模型、古建筑測量與文物保護、逆向工程應用、復雜建筑物施工、地質研究、建筑物形變監測等領域。地面三維激光掃描是在地面利用激光掃描裝置自動、系統、快速(準實時) 獲取對象表面的三維坐標的測量技術。它是一種高精度的測量手段,中、長距離的地面激光掃描儀的單點定位精度在±2 毫米至±25 毫米之間。激光掃描與傳統的單點測量(如全站儀、GPS 測量) 不同,可以獲取被掃對象表面成千上萬個點的三維坐標，而且可以獲取對象表面的深度影像信息。目前有瑞士Leica，美國的Tremble等公司有商用產品，每臺在150萬元左右，作用距離大多在100米以內。國內已經有很成功的地面激光掃描儀，當前最大測距為200米，成本是進口的一半，換裝大#p#分頁標題#e#功率激光器后可以增大測量距離，根據需要可以達到1000米以上。
三維激光掃描技術的數據處理
利用三維激光掃描儀獲取的點云數據構建實體三維幾何模型時，不同的應用對象、不同點云數據的特性，三維激光掃描數據處理的過程和方法也不盡相同。概括地講，整個數據處理過程包括數據采集、數據預處理、幾何模型重建和模型可視化。數據采集是模型重建的前提，數據預處理為模型重建提供可靠精選的點云數據，降低模型重建的復雜度，提高模型重構的精確度和速度。數據預處理階段涉及的內容有點云數據的濾波、點云數據的平滑、點云數據的縮減、點云數據的分割、不同站點掃描數據的配準及融合等；模型重建階段涉及的內容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數據的處理、模型簡化和紋理映射等。實際應用中，應根據三維激光掃描數據的特點及建模需求，選用相應的數據處理策略和方法。
三維激光掃描技術的應用探討
隨著三維激光掃描測量技術、三維建模的研究以及計算機硬件環境的不斷發展，其應用領域日益廣泛，如制造業、文物保護、逆向工程、電腦游戲業、電影特技等，逐步從科學研究發展到進入了人們日常生活的領域。三維激光掃描技術的介入促進了應用領域的發展，同時應用領域的大量需求成為其研究的動力，三維激光掃描測量技術在測繪領域有廣泛的應用。激光掃描技術與慣性導航系統（INS）、全球定位系統（GPS）、電荷耦合(CCD)等技術相結合，在大范圍數字高程模型的高精度實時獲取、城市三維模型重建、局部區域的地理信息獲取等方面表現出強大的優勢，成為攝影測量與遙感技術的一個重要補充。同時在工程、環境檢測和城市建設等方面均有成功的應用實例，如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災害評估、建立3D城市模型、復雜建筑物施工、大型建筑的變形監測等。下面簡要介紹一下主要應用：
①立體模型的建立：此項功能是三維激光掃描技術的強項，主要用于物體立體模型的建立(房屋、橋梁、城堡、廠區設備等)、考古與文物保護、工業設備計測、三維數字地面模型建立、三維城市漫游建立，滿足未來3D數據采集等方面。
②借助機載和船載激光掃描設備可以完成水地和地面地形測量。
③滑坡監測和確定滑坡區域：通過比較兩次或多次掃描數據，從而進行分析和確定滑坡區域和對滑坡區域檢測，達到減災防災和對災害造成范圍的確定。
④逆向工程中的應用，是針對一現有工件樣品或模型，利用手持三維激光掃描儀準確快速地將輪廓坐標測得，并加以建構曲面，編輯、修改后傳輸到CAD模型系統，再由工路徑送至加工機，制作所需模具或送到快速成型機將樣品模型制作出來。
結束語
三維激光掃描技術是快速獲取三維空間信息的重要手段之一，特別對于測繪領域來說，伴隨三維激光技術的不斷完善與發展，以及三維控制信息需求的增加，三維空間技術將和現代經典測量技術相互融合，作為一種新的空間數據采集手段，三維激光掃描技術將具有廣闊的發展空間，成為一種普遍在測繪領域應用的新技術手段。
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