2.1 测距方法
• 激光测距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。 • 测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。 2.1.1三角测距法:
三角法测距是借助三角形几何关系，求得扫描中心到扫描对象的 距离。
L：基线长； γ：发射光线与基线的夹角； λ：入射光线与基线的夹角； α激光扫描仪的轴向自旋转角度
2.4 转换方法
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。 在坐标转换中，设立特制的定向识别标志，通过计算识 别标志的中心坐标，采用公共点坐标转换，求得两坐标系之 间的转换参数。
Oc成像透视中心，物镜的光学主点； Oc-xcyczc：原摄像机坐标系； Ow-xwywzw：世界坐标系，Pw（xw,yw,zw）：世界坐标系上的空间点； Pn(Xn,Yn)：CCD传感器相面坐标；由于镜头畸变实际成像点Pd（Xd，Yd）； 成像于计算机图像坐标中像坐标为（u，v）。
• • • • • • 非接触测量 数据采样率高 主动发射扫描光源，不受扫描环境的影响 具有高分辨率 数字化采集,兼容性好 易扩展性，易于和其他设备结合
5 三维激光扫描技术的发展趋势
（1） 点云数据处理软件的公用化和多功能化，实现实时数据共享 及海量数据处理； （2） 在硬件固定的情况下，测量方法和算法上提高精度，多种方 法相结合； （3） 进一步扩大扫描范围，实现全圆球扫描，获得被测景物空间 三维虚拟实体显示； （4） 与其他测量设备（如GPS、IMU、全站仪等）联合测量，实时 定位、导航，并扩大测程和提高精度； （5） 三维激光扫描仪与摄像机的集成化，在扫描的同时获得物体 影像，提高点云数据和影像的匹配精度； （6）多源数据的智能化融合处理及多传感器的集成
空间任意一点世界坐标与对应计算机图像坐标中像素坐标的转 换关系：
k 是镜头径向畸变系数;dx和dy 分别是水平和垂直方向上CCD感光阵列 的像元间距; sx是由于图像采集扫描或抽样时延误差而引起的水平方向 不确定比例因子uo、v o为像面中心(透视中心在计算机图像的像素坐标)。 所有参数中： f ， sx， k ， dx ， dy， uo ， vo 为摄像机参数，需要通过
三角法测量距离较短，适合于近距测量.测量范围几厘米到几米， 精度可达微米级
2.1.2脉冲测距法
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。
C：光速; △t:测得激光信号往返传播的时间差
脉冲法的测量距离较远（几十米到几百千米），但是其测距 精度较低（厘米级），现在大多数三维激光扫描仪都使用这 种测距方式.
为什么要使用光三维扫描技术？ 三维测量： 传统测量所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD 出图）。 数字化的今天，三维已经代替二维。三维激光扫描仪 每次测量的数据直接包含点的空间坐标信息甚至还有其他关键 信息。 快速扫描： 常规测量手段里，一点的坐标进行测量时间长。测量速度已 经不能满足现代测量的需求。三维激光测量速度极快。 用途： 通过三维激光扫描，获得被测目标的三维点云数据，根据点 云数据进行三维重构。
三维激光扫描技术
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三维激光扫描技术 三维激光扫描的原理 三维激光扫描系统组成 三维激光扫描技术的优点 三维激光扫描技术的发展趋势 激光扫描技术的应用
1 激光三维扫描技术
三维激光扫描技术，又称“实景 复制技术”。它通过激光扫描测量的方 法，获取被测对象表面的三维坐标数据。 采集空间点位信息，快速建立物体的三 维影像模型的一种技术手段。
脉冲测距法和相位测距法测得距离向坐标的转换原理
X=Scosθcosα Y＝Scosθsinα Z＝Ssinθ
α ：发射激光光束的水平方向和x轴夹角角度 ； θ：发射激光光束垂直方向角度 ； S：扫描点到仪器的距离值 ；
三种测距法的比较
2.2 测角方法
2.2.1 角位移测量法 扫描仪工作是由步进电机驱动的，由步进电机步距角 和步数，获得角位移。 步进电机步距角 Nr：电机的转子齿数; m : 电机的相数； b是各种连接绕组的线路状态数及运行拍数。 得到θb的基础上，可得扫描棱镜转过的角度值，进而得每 个激光脉冲横向、纵向扫描角度观测值为α、θ。 3.2.2 线位移测量法 适用于：系统由激光发射器，直角棱镜和CCD 元件组成。 当三维激光扫描仪转动时，出射的激光束将形成线性 的扫描区域，CCD 记录线位移量，根据其与距离S的比值则 可得扫描角度值。
摄像机标定确定。 光平面参数r1 , r2,r3,r4, r5,r6,r7 , r8,r9, tx,ty,tz表示从摄像机坐标系到世界坐 标系的转换关系，通过光平面标定确定
像素坐标到世界坐标的映射:
按照坐标转换关系，从已知的像素坐标数据 (u ,v)（即（Xn，Yn））， 求取对应点在世界坐标系下坐标 (xw,yw,zw).
6 三维激光扫描技术的应用
（1）测绘工程领域
（2）结构测量方面
（3）娱乐业
（4）建筑、古迹测量方面
（5）紧急服法
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。
扫描控制装置主要有：摆动扫描镜、旋转正多面体扫描镜。
摆动扫描镜为平面反射镜，由电机驱动往返振荡，扫描速度较慢， 适合高精度测量。 旋转正多面体扫描镜在电机驱动下绕自身对称轴匀速旋转，扫描 速度快。
获得点云信息后点云信息处理、模型的三维重建
3 三维激光扫描系统组成
三维激光扫描系统组成：一般是由激光发射器、接收器，激 光自适应聚焦控制单元，光路调节装置，光机电自动传感装置，以 及后续处理用的计算机等。
一种三维激光扫描系统图：
仪器性能指标举例——徕卡ScanStation2
4 三维激光扫描技术的优点
2.1.3 相位测距法
相位测距法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。
C：光速
ᶲ ：激光信号往返传播产生的相位差
f：脉冲的频率
相位测距方法是一种间接测距方式，测距精度较 高（毫米数量级），主要应用在精密测量和医学研 究，精度可达到毫米级。
原始图像
三维点云数据图像 （ 点云数据：扫描资料以点的形式记录， 每 一个点包含有三维坐标，甚至其它 信息）
三维重构
2 三维激光扫描的原理
• 三维激光扫描：对确定目标完整的三维坐 标数据测量, 全景点坐标数据（点云数 据）。 • 为了获得被测目标的三维坐标信息，其测 量原理主要分为测距、角位移、扫描、定 向四个方面。