第1章 绪论

1.1 地面三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technology）是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。它是用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标，然后由获得的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术。三维激光扫描技术是继GPS之后的又一项测绘新技术，已成为空间数据获取的重要技术手段。

三维激光扫描技术是一项新兴的获取物体空间数据的方式，同传统的测量手段相比，三维激光扫描技术可以连续、自动、快速地采集大量的目标物表面三维点数据，即点云（Point Clouds），因此具有许多独特的优势，例如：①数据获取速度快，实时性强；②数据量大，精度高；③主动性强，能全天候工作；④全数字特征，信息传输、加工、表达容易。它的工作过程实际上就是不断的数据采集和处理过程，通过具有一定分辨率的空间点所组成的点云图来表达系统对目标物表面的采样结果。传统的测量方式是单点采集数据，获取的是单点数据，而三维激光扫描技术不需要合作目标，因此可以自动、连续、快速地获取目标物表面密集采样点数据，从而提高了测量的效率，拓宽了测绘技术应用领域。

目前，国际上有几十家三维激光扫描仪制造商，已生产出多种型号的三维激光扫描仪，包括微观、短距离、中距离、长距离的三维激光扫描仪。微观、短距离的三维激光扫描技术已经很成熟，主要应用于工业产品的模具、汽车模型、手机模型的设计与制造，精度已达到1μm。长距离的三维激光扫描技术在获取空间目标点数据方面获得了新的突破，主要应用于大型建筑物的测量、数字城市、地形测量、矿山测量和机载激光测高等方面，并且有着广阔的应用前景。

国内对三维激光扫描技术的研究起步较晚，研究的内容主要集中在微观和短距离的领域中，这几年，随着三维激光扫描技术在国内应用的逐步增多，国内很多科研院所和大专院校正在加快三维激光扫描技术的理论与技术方面的研究，并取得了一定的成果。

在过去的几年内，机载激光扫描系统的应用领域，已从获取数字表面模型拓宽到三维对象模型的获取（Maas，2001）。机载激光扫描系统在产品和应用方面已日趋成熟，如瑞典的TopEye机载系统、加拿大Optech公司的ALTM1020GG系统、美国的Fli-Map1系统等都已经应用于快速获取大面积三维地形数据等方面。

地面激光扫描仪这几年发展的也很快，日本东京大学于1998年进行了地面固定激光扫描系统的集成与实验，取得了良好的效果，该大学和研究机构正在积极着手展开较大规模的研究工作。此外，美国、法国和中国香港大学以及国内的一些大学和研究机构正在积极进行这方面的研究工作。清华大学提出了三维激光扫描仪国产化战略，并且研制出了三维激光扫描仪样机，并通过了国家“863”项目验收。北京大学的视觉与听觉信息处理国家重点实验室三维视觉计算与机器人小组在这方面做了不少研究。北京建筑工程学院使用加拿大Optech公司生产的ILRIS-3D三维激光扫描仪在故宫数字化项目中做出了重要贡献。

利用三维激光扫描仪获得的点云数据建立的三维模型与传统航空摄影测量方法建模相比，数据获取速度更快，建立的三维模型更精确，这种三维场景模型在古建筑重建、虚拟现实、地形勘测、数字城市、城市规划、智能交通等诸多领域有着广阔的应用前景和价值，同时也是三维激光扫描技术发展的一个重要方向。

近年来，三维激光扫描技术已成为测绘领域一个新的研究热点。在软件方面，不同厂家的三维激光扫描仪都带有自己的系统软件，Leica公司生产的HDS系列三维激光扫描仪的系统软件Cyclone，将数据采集、管理和建模集成在一起，优于常规光学测量仪器、近景摄影测量以及人工测量方法。还有其他三维激光扫描数据处理软件，如Geomagic、Polywork软件等，这些软件都各有所长，主要用于逆向工程产品建模，在国内针对点云数据建模软件开发的还比较少。