劉燕京博士

目前市場(chǎng)上銷售的射程大于10米的三維激光掃描儀有許多不同的型號(hào)。如何看懂各個(gè)廠家的參數(shù)和配置，性能的優(yōu)劣，盡量不受銷售代表的誤導(dǎo)，選擇適合自己應(yīng)用的型號(hào)，是一個(gè)比較困難的問題。本文現(xiàn)就一些常見的問題做一個(gè)簡(jiǎn)要的和客觀的介紹。

問題一：三維激光掃描儀的類型：

目前市場(chǎng)上銷售的三維激光掃描儀按掃描方式劃分有兩種：

-基于時(shí)間-飛行差原理（掃描儀激光發(fā)射器：脈沖式）

-基于相位差原理（掃描儀激光發(fā)射器：連續(xù)波式）

問題二：兩種類型的三維激光掃描儀的銷售情況如何?

基于時(shí)間-飛行差的三維激光掃描儀約占總數(shù)量的75%以上，而基于相位差三維激光掃描儀約占總數(shù)量的25%。

問題三：兩種類型的三維激光掃描儀的主要性能特點(diǎn)如何?

(1).基于時(shí)間-飛行差的三維激光掃描儀的性能特點(diǎn)：

（a）.射程：大于200米，最遠(yuǎn)的甚至達(dá)到6,000米。

當(dāng)我們閱讀射程的技術(shù)參數(shù)時(shí)，要注意廠家所給出該射程是在什么反射率下所得到的。因?yàn)椴煌奈矬w（石頭，樹，土地，玻璃，汽車，建筑物，煤等）具有不同的反射率，對(duì)激光的反射強(qiáng)度不同，三維激光掃描儀入射到該物體時(shí)所反射回來激光的飛行距離也不同（即射程不同）。

通常所講的射程是指當(dāng)三維激光掃描儀掃瞄反射率90%的物體（如棱鏡，反射片等）時(shí)，所能夠達(dá)到的最遠(yuǎn)射程。如果掃瞄到山坡（40-50%）射程會(huì)降低；當(dāng)掃瞄瀝青道路（20-25%）時(shí)，射程會(huì)更低。

為了嚴(yán)格起見，要注意不同的激光掃描儀使用不同的激光器，其發(fā)射的激光的波長(zhǎng)不同，因此物體對(duì)應(yīng)于不同的波長(zhǎng)顯現(xiàn)不同的反射率。目前市場(chǎng)上三維激光掃描儀所使用的激光器的波長(zhǎng)范圍在533nm到1550nm。

影響射程的客觀條件有以下幾點(diǎn)，請(qǐng)注意：

(i)                陰天或艷陽天。差別不大。但是，太陽光特別強(qiáng)時(shí)，射程會(huì)下降。

(ii)             小雨或霧天。對(duì)于射程會(huì)有影響，取決于雨的大小。因?yàn)橛晁畷?huì)濕潤(rùn)土地、山坡和樹林，顯著降低物體的反射率

(iii)           白天或黑夜。在黑夜掃描時(shí)所獲取的激光點(diǎn)的噪音會(huì)少，激光點(diǎn)密度稍微大些，距離稍長(zhǎng)些。

(iv)            空氣中的污染度會(huì)影響掃描的數(shù)據(jù)質(zhì)量和射程。

在某些廠家代理為客戶演示時(shí)，客戶往往發(fā)現(xiàn)所獲取的射程達(dá)不到這些廠家所聲稱的射程的一半，問題較普遍。原因是有一些廠家的射程參數(shù)有“泡沫”，請(qǐng)不要太相信。

另外，對(duì)于相位差的三維激光掃描儀，要注意設(shè)備參數(shù)的論述。許多廠家常常把最遠(yuǎn)無模糊(Ambiguity)測(cè)量（基于相位差的測(cè)量原理）的射程當(dāng)作儀器的射程。這是錯(cuò)誤的概念。

(b).精度：對(duì)于中距離脈沖掃描式三維激光掃描儀(最大射程：<2,000米)：±2mm–±7mm(測(cè)量距離<50米時(shí))；對(duì)于超長(zhǎng)距離脈沖掃描式三維激光掃描儀(最大射程：<6,000米)：±15mm(測(cè)量距離50米以內(nèi)時(shí))。距離測(cè)量準(zhǔn)確度和精度高是基于時(shí)間-飛行差的三維激光掃描儀的一個(gè)性能特點(diǎn)。

在使用時(shí)，用戶往往發(fā)現(xiàn)實(shí)際獲取的精度達(dá)不到廠家所給出的精度參數(shù)。除了使用者的技術(shù)和熟練程度外，另外一個(gè)原因是有一些廠家的精度參數(shù)有“泡沫”，請(qǐng)不要太相信。

對(duì)于相位差的三維激光掃描儀，其測(cè)量精度隨距離的增加而急劇下降。當(dāng)距離小于10米時(shí)，其精度與Riegl的VZ-400和VZ-1000的精度相當(dāng)；但是，當(dāng)距離大于50米后，其精度明顯下降，不如Riegl，天寶和徠卡的基于飛行時(shí)間差的掃描儀。

(c).最大激光發(fā)射頻率：2,000–300,000赫茲。

物理意義：最大激光發(fā)射頻率越高，在同等技術(shù)要求的條件下，掃描所需要的時(shí)間越短，效率越高。如：發(fā)射頻率為300,000赫茲的Riegl的VZ-400比發(fā)射頻率為27,000-30,000赫茲的LMS-Z620快10倍，比天寶的GX(發(fā)射頻率：5,000赫茲)快60倍。換句話說：你用GX去掃描一個(gè)物體需要60分鐘，在同等條件下，用VZ-400只要1分鐘。

(d).掃描速度：不同廠家的產(chǎn)品相差較大。

Riegl的最快。

其新型號(hào)VZ-400和VZ-1000全景360°景觀掃描需時(shí)，僅需7秒鐘。由于Riegl的設(shè)備內(nèi)置有高精度的電子測(cè)角儀，因此，不需要考慮設(shè)備放置的水平角度：愛怎么放就怎么放。大多數(shù)工程項(xiàng)目的一站激光掃描(水平360°掃瞄)只需要1-2分鐘；拍照需要90秒（全景360°）。加上豎立三腳架，安裝設(shè)備，開始掃瞄和搬站，額外需要2-3分鐘。

其次為徠卡的C-10(激光發(fā)射頻率為50,000赫茲)。全景360°景觀掃描需時(shí)：120秒鐘。大多數(shù)工程項(xiàng)目的一站掃描(水平360°)需要10-16分鐘。加上豎立三腳架，安裝設(shè)備，設(shè)置反射片或球，開始掃瞄和搬站，額外需要6分鐘以上。

Optech和天寶的較慢：大多數(shù)工程項(xiàng)目的一站掃描(水平360°)需要60--90分鐘以上。但是，天寶又推出了一款新的機(jī)型：CX，激光發(fā)射頻率提高到30,000赫茲，掃描速度應(yīng)該提高到與徠卡的C-10和Riegl的老款LMS-Z系列相當(dāng)。

Riegl的激光掃描儀開機(jī)即可使用，不需要預(yù)熱。而其他的品牌一般需要預(yù)熱30分鐘后才能進(jìn)行測(cè)量。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)的項(xiàng)目都需要進(jìn)行幾站甚至是幾十站的數(shù)據(jù)獲取與拼接，由此多站累積的外業(yè)工作時(shí)間總量相差更為明顯。

多站點(diǎn)激光掃瞄、拍照和數(shù)據(jù)拼接。

通常，在進(jìn)行每一站的掃瞄時(shí)，在掃描區(qū)域內(nèi)放置10個(gè)以上的標(biāo)靶（反射片、反射圓柱或反射球），以保證相鄰兩站所掃描的公共（重疊）部分里至少有5個(gè)公用的標(biāo)靶，基于同名點(diǎn)（公共點(diǎn)）來實(shí)行兩站數(shù)據(jù)的拼接。因此，在每站的掃瞄完成之前或之后，還要對(duì)這些標(biāo)靶進(jìn)行粗掃瞄（找到標(biāo)靶的位置），和精細(xì)掃瞄（確定中心點(diǎn)，在相鄰兩站的激光點(diǎn)云圖中找出拼接準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)點(diǎn)）。所需掃瞄時(shí)間約等于或大于進(jìn)行一次全景掃瞄的時(shí)間。

這里，有一點(diǎn)需要引起大家的注意：通常使用的標(biāo)靶為大小100mm的圓片或150mm的圓球。放置的距離一般在5-30米以內(nèi)。當(dāng)我們的掃描儀的掃瞄距離超過200米時(shí)，使用近距離的標(biāo)靶來校對(duì)和拼接遠(yuǎn)距離的激光點(diǎn)云，就會(huì)帶來放大的測(cè)量誤差。

但是，對(duì)于200米外的小反射片和圓球，由于目標(biāo)小，距離遠(yuǎn)，掃描后所獲得的點(diǎn)云密度小，點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離大，要精確地確定中心點(diǎn)是不可能的。

因此，有些用戶采用直徑為3米或更大的圓型標(biāo)靶，將其放置在200米之外，進(jìn)行掃瞄。雖然，精度有所提高。但是由于在如此遠(yuǎn)的距離上激光點(diǎn)的發(fā)散度的原因，達(dá)到標(biāo)靶的激光光斑的大小會(huì)從近距離的1.5mm增加到200米的30mm，激光點(diǎn)之間的密度也從1mm增加到15mm以上，如此，精確地確定圓心和圓球心的位置，還是很困難的。

有些用戶在對(duì)不同的激光掃描儀做現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試和精度測(cè)試時(shí)，吃驚地發(fā)現(xiàn)：有些廠家的產(chǎn)品的射程雖然能夠達(dá)到1,000米或更遠(yuǎn)，但是，當(dāng)掃瞄距離超過400米時(shí)，多站點(diǎn)激光的數(shù)據(jù)拼接后的精度很差，甚至連1米的精度也達(dá)不到，對(duì)于同一個(gè)區(qū)域進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的精度會(huì)更差。

眾所周知，Riegl公司生產(chǎn)一系列長(zhǎng)距離和高精度的激光掃描儀，用戶使用后都非常滿意。

VZ-1000：射程1,400米（反射率小于等于90%）

VZ-4000：射程4,000米（反射率小于等于90%）

VZ-6000：射程6,000米（反射率小于等于90%）

如何拼接和校對(duì)距離在更遠(yuǎn)的激光點(diǎn)云呢？也就是：1,000米，1,500米，3,000米，6,000米？

為了提高效率，減少拼接的時(shí)間，同時(shí)提高拼接的精度，Riegl公司開發(fā)了先進(jìn)的多站點(diǎn)平插拼接軟件－RiScanMulti-StationAdjustmentModule。使用該軟件時(shí)，將某一站掃描儀的笛卡爾坐標(biāo)系設(shè)置為參考坐標(biāo)系，然后將其它各站的坐標(biāo)系通過對(duì)對(duì)應(yīng)物體的激光點(diǎn)云進(jìn)行三個(gè)方向（x，y，z)的平移和兩個(gè)極化坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)軸（θ，φ）的轉(zhuǎn)動(dòng)，向參考坐標(biāo)系投影和重合。在處理的過程中，會(huì)不斷地告訴使用者，拼接后的精度如何，可繼續(xù)重復(fù)該過程，直到最后達(dá)到1mm的拼接精度。

有了這個(gè)技術(shù)的重大創(chuàng)新，Riegl就在世界上率先解決了長(zhǎng)期困擾使用者的一個(gè)重大難題。

另外，還可使用全站儀對(duì)標(biāo)靶測(cè)量，獲得靶心的絕對(duì)坐標(biāo)，然后，在精細(xì)掃瞄后所獲得的對(duì)應(yīng)靶心引進(jìn)該坐標(biāo)，從而獲得對(duì)應(yīng)區(qū)域的坐標(biāo)。

(2)基于相位差的三維激光掃描儀的性能特點(diǎn)：

a.射程：<120米，室內(nèi)。室外的射程要短些。

b.精度：<±1mm(距離：<1米)； ±5mm(距離：<25米)：>±12mm(距離：>50米)。隨著距離的增加，精度下降快。

c.最大激光發(fā)射頻率：300,000–1,200,000赫茲。

d.掃描速度：隨所設(shè)定的激光發(fā)射頻率變化。如

自：http：//www.zf-laser.com/Datenblatt_IMAGER%205006i_E_10.09.2008.pdf

掃描速度快和激光點(diǎn)云密度高是相位差激光掃描儀的優(yōu)勢(shì)。在近距離時(shí)，其掃描的精度非常高，但是在20米以外的距離上，精度下降很快，相比于基于飛行時(shí)間差的激光掃描儀來說，稍遜一籌。

在許多實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于如汽車一部分的一個(gè)站點(diǎn)的掃描常常選用10分鐘的掃描時(shí)間，以便獲取較好的點(diǎn)云密度。

e.太陽光和室外光線對(duì)掃描點(diǎn)數(shù)和精度影響大。不適宜在強(qiáng)陽光下進(jìn)行大于20米的測(cè)距工作。

 f.植被覆蓋區(qū)域：不能夠應(yīng)用。

 g.使用范圍局限：在掃描對(duì)象具有多重目標(biāo)的情況(如網(wǎng)狀、籬笆、樹木后的房子，設(shè)備)下不能使用。

 h.由于玻璃或其他有機(jī)透明玻璃對(duì)于光有反射和折射，所以，基于相位差的

激光掃描儀的部分光學(xué)部件和中央的旋轉(zhuǎn)部分是沒有遮蓋的。因此，灰塵和水汽等污染物很容易進(jìn)入到反射棱鏡的表面和旋轉(zhuǎn)部件的內(nèi)部，不適合在塵土飛揚(yáng)和水汽較多的地方(如施工工地，礦山、隧道等)長(zhǎng)期使用。

問題四：目前哪些行業(yè)應(yīng)用三維激光掃描儀比較成熟?都使用哪些種類?

通常，基于相位差的三維激光掃描儀多用于室內(nèi)的應(yīng)用：如數(shù)字工廠(石油、天然氣、化工、汽車、重工業(yè)、等工廠、輪船、飛機(jī))的生成，交通事故和犯罪現(xiàn)場(chǎng)重建、鐵路軌道掃描和最近應(yīng)用的隧道掃描。這些應(yīng)用的特點(diǎn)：近距離，高點(diǎn)云密度，毫米--厘米---分米精度。

基于脈沖掃描式三維激光掃描儀應(yīng)用范圍廣，除了能夠在上述的室內(nèi)等應(yīng)用中使用，還能夠在室外的環(huán)境中使用，基本不受限制。

如：室外應(yīng)用：地形地貌測(cè)量、礦山開采、土木工程、水利、水電、公路、鐵路、電站、建筑等工程、滑坡監(jiān)測(cè)、泥石流監(jiān)測(cè)、河水和海水對(duì)港口碼頭和堤壩的侵蝕變化、隧道施工過程掃描(超、欠挖等)，橋梁和隧道的變形監(jiān)測(cè)，文化遺產(chǎn)數(shù)字化建檔和分析、三維建筑物模型生成等。

至于說到要使用哪種類型或型號(hào)的激光掃描儀，應(yīng)該根據(jù)具體的要求，選擇不同的激光掃描儀。沒有一款激光掃描儀能夠滿足所有的要求。

問題五：生產(chǎn)基于時(shí)間-飛行差的三維激光掃描儀廠家都有哪些廠家?

徠卡Leica：瑞士公司。通過收購美國的Cyra公司而進(jìn)入三維激光掃描儀的生產(chǎn)領(lǐng)域，目前生產(chǎn)和研發(fā)均在瑞士，原來Cyra公司的管理和研發(fā)人員相繼在2011年離開公司，http：//www.leica-geosystems.com/hds/en/lgs_5210.htm。目前只生產(chǎn)一款設(shè)備C-10和她的簡(jiǎn)化版本C-5，舊的型號(hào)有ScanStaion2。通過向澳大利亞Maptek公司OEM貼牌銷售HDS4400，HDS8800，簡(jiǎn)化版HDS8400以及改進(jìn)版HDS8000。

Optech：位于加拿大的多倫多市，www.optech.on.ca。生產(chǎn)ILRIS系列三維激光掃描儀。

天寶Trimble：美國公司。通過收購法國的MENSI公司，www.mensi.com。自己生產(chǎn)二款產(chǎn)品GX和CX，通過對(duì)美國的BasisSoftwareInc.公司的SurphaserER-XS貼牌，銷售型號(hào)為FX。通過OEM，銷售Faro公司的Focus3D。

Maptek：澳大利亞的礦山軟件大公司，也生產(chǎn)主要應(yīng)用于礦山的三維激光掃描儀，www.isite.com。目前銷售型號(hào)有：I-SiTE4400，I-SiTE8800和簡(jiǎn)化版I-SiTE8400以及改進(jìn)版I-SiTE8000。

拓普康。日本。生產(chǎn)GLS1500型號(hào)(老款為GLS1000)。

Riegl：位于奧地利的維也納市附近，是規(guī)模最大的二維和三維激光掃描儀生產(chǎn)廠家(1991年開始生產(chǎn)激光測(cè)距儀)，也是唯一一家可提供全數(shù)字化信號(hào)三維激光掃描儀(VZ-400，VZ-1000，VZ-4000和VZ-6000)的廠家。www.riegl.com。

問題六：生產(chǎn)基于相位差的三維激光掃描儀廠家都有哪些廠家?

Z&F：德國公司，最早的生產(chǎn)基于相位差的三維激光掃描儀廠家(1993年)，www.zf-laser.com。

Faro：美國公司。通過收購德國的IQvolution公司，www.faro.com。

Callidus：德國公司，生產(chǎn)的三維激光掃描儀可以在飛行時(shí)間差和相位差之間交換進(jìn)行掃描，www.callidus.de。

BasisSoftwareInc.美國，www.surphaser..com

問題七：脈沖激光的發(fā)射頻率是什么?

脈沖激光的發(fā)射頻率即PRR(PulseRepetitionRate)脈沖重復(fù)頻率。它表達(dá)的是激光器每秒中所發(fā)射的脈沖激光的個(gè)數(shù)，即赫茲。由于激光是受激發(fā)射的光，所以，PRR不是一個(gè)恒量，有一個(gè)變化的幅度。如我們說：激光脈沖發(fā)射頻率是5,000赫茲，也就是它可能有時(shí)發(fā)射4,950赫茲，有時(shí)發(fā)射5,010赫茲。通常，車載、船載和機(jī)載的激光掃描儀用的是二維激光掃描儀，有時(shí)，車載和船載系統(tǒng)也用三維激光掃描儀。不論是二維還是三維激光掃描儀，都是對(duì)一維激光掃描儀(或稱測(cè)距儀)通過馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)和/或棱鏡的運(yùn)動(dòng)而制作的。激光脈沖的發(fā)射頻率越高，在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的激光點(diǎn)云的數(shù)量越多。每一個(gè)激光點(diǎn)云的形狀呈近似于高斯分布的正弦波，脈沖寬度為幾個(gè)納秒。一般來講，為了達(dá)到最高的精度，在掃描時(shí)，我們要選擇設(shè)備的最高的激光發(fā)射頻率和最小的遞增角度，使得掃描的激光點(diǎn)云密度達(dá)到設(shè)備的最大值。對(duì)于不同廠家的設(shè)備，其激光脈沖的發(fā)射頻率PRR不同。從天寶(GX：5000赫茲，新款CX：30,000赫茲)、Optech(5,000-10,000赫茲)、徠卡(50,000赫茲)、I-SiTE(4,400和8,800赫茲)，Riegl的LMSZ-Z系列(27,000-30,000赫茲)以及VZ系列(300,000赫茲)。一般來講，激光脈沖的發(fā)射頻率越高，激光掃描的角度遞增越小，它在完成一個(gè)全景(360°水平)最高點(diǎn)密度掃描所需要的時(shí)間越短，即掃描速度越快。因此我們?cè)谶x擇激光掃描儀時(shí)，要挑選PRR高的參數(shù)，以提高工作效率。同時(shí)，也要選擇角度分辨率高的參數(shù)，以求達(dá)到較高的點(diǎn)密度。

這里，要注意的一點(diǎn)是：激光掃瞄的精度與點(diǎn)的密度不是直接對(duì)應(yīng)的。點(diǎn)密度高，并不一定所獲得的精度高！

Riegl的LMS-Z系列的三維激光掃描儀的激光脈沖的發(fā)射頻率均為>27,000赫茲，它在完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描所需的時(shí)間小于10分鐘。而天寶的GS系列，它在完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描時(shí)所需的時(shí)間大于80分鐘。

Riegl的最新型VZ-400(PRR=300,000赫茲)，完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描所需的時(shí)間小于2分鐘。另一方面，三維激光掃描儀的脈沖發(fā)射頻率和精度是有多重的選擇檔。因此選擇的發(fā)射頻率和精度(即角分辨率)越低，完成一個(gè)全景(360°水平)掃描所需要的時(shí)間越短。

問題八：激光掃描速度ScanRate是什么?

有些廠家，如徠卡，常常給出激光掃描速度：如激光掃描速度5,000點(diǎn)/秒(ScanStation1)或50,000點(diǎn)/秒(ScanStation2)。它實(shí)際上是發(fā)自激光器的單位時(shí)間的激光點(diǎn)數(shù)，PRR即激光重復(fù)發(fā)射頻率。從物理上講，這種定義是不對(duì)的，激光掃描速度應(yīng)該指的是單位時(shí)間內(nèi)激光所掃描的長(zhǎng)度值但是，習(xí)慣成自然，我們也不能要求徠卡公司改變他的習(xí)慣，權(quán)當(dāng)如此。

Riegl的LMS-Z系列的三維激光掃描儀的激光脈沖的發(fā)射頻率均為>27,000赫茲，它在完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描所需的時(shí)間小于10分鐘。而天寶的GS系列，它在完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描時(shí)所需的時(shí)間大于80分鐘。

Riegl的最新型VZ-400(PRR=300,000赫茲)，完成一個(gè)全景(360°水平)的高精度掃描所需的時(shí)間小于2分鐘。另一方面，三維激光掃描儀的脈沖發(fā)射頻率和精度是有多重的選擇檔。因此選擇的發(fā)射頻率和精度(即角分辨率)越低，完成一個(gè)全景(360°水平)掃描所需要的時(shí)間越短。

問題九：如何鑒定設(shè)備的激光發(fā)射頻率或激光掃描速度?

由于到目前為止，也沒有一個(gè)官方的組織和檢校機(jī)構(gòu)來對(duì)激光掃描儀進(jìn)行質(zhì)量鑒定，因此有關(guān)激光掃描儀的發(fā)射頻率、最大測(cè)量距離、測(cè)量精度也沒有一個(gè)統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，只能靠各個(gè)廠家和用戶自己來裁定。在實(shí)際應(yīng)用上，由于物體的形狀、材質(zhì)、反射率、發(fā)射的角度、環(huán)境等的影響，即使激光掃描儀發(fā)射了5,000點(diǎn)/秒，激光掃描儀最多只能接受到1/3，其余的2/3都被散射了。如果垂直方向的角度大于±40°，激光掃描儀在單位時(shí)間內(nèi)所能夠接受到的激光點(diǎn)的數(shù)量還要小于1/3，甚至小于1/5。

因此Riegl公司就專門給出了一個(gè)參數(shù)：MaximumMeasurementRate單位時(shí)間內(nèi)能夠接收(測(cè)量)到的最多激光點(diǎn)云數(shù)目。這是一個(gè)可以由用戶自己來檢查的參數(shù)。

問題十：如何評(píng)價(jià)激光掃描的最大距離?

每一款的激光掃描儀的最大掃描距離與光線的強(qiáng)弱、由此所引起的物體反射率的變化、垂直掃描角度的大小等相關(guān)。

我們知道，當(dāng)光打到物體反射率越高的物體，所反射回來的光信號(hào)越多，強(qiáng)度越高，因此，激光掃描儀的射程也越遠(yuǎn)。因此如果針對(duì)發(fā)射率為80%的物體，設(shè)備的射程能夠達(dá)到400米，那么，針對(duì)發(fā)射率為90%的物體時(shí)，設(shè)備的射程至少應(yīng)該能夠達(dá)到450米。但是，大多數(shù)的地面、建筑物的反射率為40%--50%，大多數(shù)的樹木的反射率為30%--70%，煤和瀝青路面在15%和25%之間，因此在實(shí)際應(yīng)用中，我們要對(duì)設(shè)備的最大射程打折。對(duì)于不同公司的產(chǎn)品，因?yàn)樗麄兯罁?jù)的基礎(chǔ)反射率不同，打折幅度不同。

對(duì)于Riegl的掃描儀，我們給出以下參考數(shù)據(jù)。

對(duì)于地形地貌等應(yīng)用，由于對(duì)于激光點(diǎn)的密度要求不很高，使用Riegl掃描儀時(shí)，可以打8—9折。

對(duì)于其它型號(hào)的三維激光掃描儀，折要打得多些，另外考慮到有些廠家的參數(shù)里有水分，折扣常常要低于5折。

對(duì)于相位差激光掃描儀，標(biāo)定最大測(cè)距100米時(shí)，在室內(nèi)應(yīng)用時(shí)，最大距離應(yīng)該在70米以內(nèi)；在室外應(yīng)用時(shí)，陰天可在60米以內(nèi)使用，晴天30米或不用。要不然，所獲取的數(shù)據(jù)常常變形，拼接處“歪鼻”的效果圖。

問題十一：如何評(píng)價(jià)激光掃描的精度?

基于相位差的三維激光掃描儀的精度因?yàn)槭芄饩€、物體反射率和掃描角度大的影響，會(huì)經(jīng)常波動(dòng)和變化。因此精度難以確定。它的位置掃描精度隨廠家不同而不同，并且隨著距離的增加而急劇下降。目前美國的Surphaser和德國的Z&F的精度較高，在10米內(nèi)，在理想的條件下，精度可控制在1mm以內(nèi)；在20米以內(nèi)，一般在3mm以內(nèi)；在20-50米之間，精度一般也在8mm以上?；谙辔徊畹娜S激光掃描儀的精度重復(fù)性較差。

基于時(shí)間-飛行差的三維激光掃描儀的精度測(cè)量重復(fù)性好，受光線影響小，目前由德國Freiburg大學(xué)在地下礦井測(cè)試基地中對(duì)VZ-400進(jìn)行測(cè)試所獲取的最高精度達(dá)到2mm（在319米長(zhǎng)的礦井中，連續(xù)進(jìn)行16站的掃瞄，拼接后所獲得的精度）。Riegl公司自己的測(cè)量精度是1.8mm(85米距離)。但是，大多數(shù)的設(shè)備的精度在100米以內(nèi)，為5-10mm。如果垂直掃描角度較大時(shí)，由于激光點(diǎn)云的斑點(diǎn)形狀變形(圓形的成為橢圓或畸形)，也會(huì)使精度顯著降低。

Riegl公司和天寶習(xí)慣以100米的距離來標(biāo)定其產(chǎn)品的測(cè)量精度，而其他廠家喜歡用50米的距離來標(biāo)定，建議不要混淆了。

另外，由于精度與所使用的標(biāo)靶的反射率和形狀以及垂直掃描角度密切相關(guān)，徠卡、Optech、天寶、Z&F、Faro等公司所給出的精度全是在最理想的標(biāo)靶情況下得出的，因此，用戶不可能指望他在使用中能夠重復(fù)廠家所給出的精度，甚至相差很多。如徠卡的scanstation2，廠家給出的點(diǎn)位精度為±6mm，距離精度為±4mm(50米距離)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，即使你使用徠卡推薦的標(biāo)靶，在50米的距離，采用小的垂直掃描角度，你也達(dá)不到8mm的精度，請(qǐng)不要沮喪，因?yàn)樗麄兪褂玫臉?biāo)靶是不一樣的。

但是，Riegl公司的測(cè)量精度往往給的“非常保守”。如LMS-Z420i，廠家給出的精度為±10mm(100米距離)。即使你對(duì)著一堵墻去掃描，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)達(dá)到該精度毫不費(fèi)力。如果你訪問Riegl的網(wǎng)站，其最新型的VZ-400，精度為±5mm(100米距離)。但是，在使用該激光掃描儀對(duì)于建筑物的實(shí)際測(cè)量中，精度為±5mm(受到樹木遮擋的墻面區(qū)域，100米距離)；而在沒有受到樹木遮擋的墻面，其單點(diǎn)距離的測(cè)量精度為<±1.8mm(85米距離)。

固定在一個(gè)位置，使用激光掃描儀多次掃描物體，能夠顯著提高激光掃描儀的測(cè)量精度。但是重復(fù)掃描次數(shù)大于5次后，精度不會(huì)再有提高。提高的幅度約為30%。漢堡大學(xué)對(duì)Riegl的LMS-Z420i進(jìn)行測(cè)試比較，發(fā)現(xiàn)在使用標(biāo)靶的情況下，在50米到200米的距離范圍內(nèi)，其掃描精度優(yōu)于±5mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于廠家自己公布的參數(shù)。而有些公司的實(shí)際測(cè)量精度卻與其公布的相差較大。用戶在閱讀技術(shù)指標(biāo)時(shí)，要有心理準(zhǔn)備。

問題十二：在基于飛行時(shí)間差原理的激光掃描儀的廠家中，技術(shù)大幅領(lǐng)先的廠家是誰?

毫無疑問，在三維激光掃描儀的領(lǐng)域中，在過去的十多年中，Riegl公司一直領(lǐng)導(dǎo)著技術(shù)發(fā)展的潮流和方向。在此，我們可借助于國內(nèi)軍事和民用測(cè)繪界的一位著名的專家李教授的論述：Riegl的全數(shù)字激光掃描儀VZ-400的技術(shù)領(lǐng)先其他廠家至少五年!李教授不僅親自使用和對(duì)比過各個(gè)廠家的主要設(shè)備，并且曾經(jīng)親臨考察過國外的這些廠家，與這些廠家的技術(shù)人員進(jìn)行過深入的交流。武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院和遙感學(xué)院的專家和教授們對(duì)Riegl的三維激光掃描儀評(píng)價(jià)最高，長(zhǎng)期以來一直認(rèn)為Riegl的三維激光掃描儀技術(shù)水平最高，質(zhì)量可靠，故障率極低!

在過去的三年中，武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院、遙感學(xué)院、測(cè)繪國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室先后采購8臺(tái)Riegl三維激光掃描儀，而且，全是單一來源招標(biāo)購買！

問題十三：為什么掃瞄有些金（銀）光閃閃的物體或建筑物時(shí)，所獲得的掃瞄數(shù)據(jù)常常會(huì)出現(xiàn)黑洞（沒有數(shù)據(jù)）？

對(duì)于許多文物建筑，如北京的一些皇家和宗教寺廟古建筑：故宮、先農(nóng)壇、等建筑物的外表面，都貼了金箔。如果使用可見光（如綠光、紅光和黃光）的三維激光掃描儀去掃瞄這些建筑物表明，相當(dāng)一部分的激光信號(hào)會(huì)被金箔表面所吸收，反射回來的激光信號(hào)很少，造成數(shù)據(jù)的“空洞”即沒有信號(hào)。對(duì)于此類建筑，建議使用近紅外光的三維激光掃描儀如Riegl的VZ-400或VZ-1000。因?yàn)?，該兩款激光掃描儀不僅精度高，掃描速度快，拼接簡(jiǎn)單，而且使用了1550nm（近紅外光波段）的激光器。金光閃閃（可見光波段）的表面不會(huì)吸收該波段的激光，因此，不會(huì)造成數(shù)據(jù)的空洞。

問題十四：目前最新一代的、代表目前最高技術(shù)水平的三維激光掃描儀的主要特征是什么?

有些廠家在推出新型號(hào)的設(shè)備時(shí)，常常標(biāo)榜“下一代”，“最先進(jìn)”等詞句來美化自己的產(chǎn)品。但是實(shí)際上，他所指的技術(shù)水平往往是幾年前Riegl公司就已經(jīng)達(dá)到的。

自從2004年Riegl公司推出革命性的新產(chǎn)品--全數(shù)字化二維激光掃描儀LMS-Q560以來，機(jī)載激光雷達(dá)和移動(dòng)激光雷達(dá)的研究和應(yīng)用進(jìn)入到一個(gè)全新的時(shí)代。

在2008年9月，Riegl公司又推出了技術(shù)難度更高的全數(shù)字化三維維激光掃描儀VZ-400。它標(biāo)志著激光掃描技術(shù)已經(jīng)徹底從模擬信號(hào)的時(shí)代飛躍到數(shù)字化的嶄新時(shí)代。這也是激光掃描技術(shù)發(fā)展過程中的一個(gè)里程碑。

雖然數(shù)字化全波形技術(shù)的許多全新的功能和應(yīng)用尚在研究和開發(fā)中，它已經(jīng)表現(xiàn)出許多突出的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

1.         全新的測(cè)量機(jī)制帶來更準(zhǔn)確、更精確的測(cè)量(從一個(gè)分立的、不太準(zhǔn)確的脈沖半寬度平均值到多達(dá)數(shù)十個(gè)乃至幾百個(gè)更準(zhǔn)確、更精確的數(shù)字化全波形測(cè)量WaveformDigitalization)。

2.         全新的測(cè)量機(jī)制帶來Z方向(激光掃描方向)更精細(xì)的分辨率(從1.5米提高到0.2米或更小)。

3.         實(shí)時(shí)數(shù)字化全波形技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使得對(duì)發(fā)自同一個(gè)激光脈沖的信號(hào)經(jīng)多重物體反射回來的、多達(dá)幾百個(gè)的脈沖信號(hào)進(jìn)行瞬間記錄、瞬間微分?jǐn)?shù)字化、傳輸和存儲(chǔ)成為可能。大幅度地提高數(shù)據(jù)的密度、分辨率、(反映物體形貌的)準(zhǔn)確度、坡度、粗糙度、植被透射率、建筑物頂部和房檐的細(xì)節(jié)和分布等。

4.         所測(cè)量的物體的反射率與激光掃描儀到物體的距離無關(guān)。因此，可以很容易地實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)物體屬性的自動(dòng)分類、特定物的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)和跟蹤等新功能。

5.         對(duì)于所發(fā)射的一個(gè)脈沖，能夠接收到十個(gè)以上(取決于計(jì)算機(jī)、存貯器的配置和發(fā)展水平)到幾百個(gè)回波(真正的三維空間激光點(diǎn)云分布，多重回波)，大大提高了植被的透射率，使得對(duì)在茂密的樹林覆蓋下的地面進(jìn)行三維地形測(cè)量成為可能。

目前只有Riegl公司能夠提供全數(shù)字化的三維激光掃描儀，。筆者進(jìn)一步預(yù)計(jì)：到2015年底，就像膠卷相機(jī)一樣，標(biāo)志著上一代技術(shù)的即獲取模擬信號(hào)的二維激光掃描儀(配置在機(jī)載激光雷達(dá)、車載和船載激光雷達(dá)上)將退出歷史舞臺(tái)，而到2017年底所有的模擬信號(hào)三維激光掃描儀將與我們?cè)僖姟?/SPAN>

代表目前最高技術(shù)水平的三維激光掃描儀的應(yīng)具備以下的主要功能：

1.         全數(shù)字化信號(hào)三維激光掃描儀，具備實(shí)時(shí)數(shù)字化全波形技術(shù)－最新一代技術(shù)！

2.         激光發(fā)射頻率高達(dá)100,000赫茲以上－速度快！

3.         配置高分辨率、高精度的數(shù)字化專業(yè)相機(jī)，能夠直接生成正射影像圖和3D影像景觀。結(jié)合激光點(diǎn)云，快速生成各種CAD模型。激光點(diǎn)云結(jié)合數(shù)碼影像快速生成數(shù)字化工廠、3D建筑物模型、二維和三維CAD圖、數(shù)字線劃圖－應(yīng)用廣！

4.         只需要按一下一個(gè)指令鍵，就可以進(jìn)行茂密植被的分離和去除－對(duì)于茂密樹林地形地貌的必須具備的功能！

5.         內(nèi)置GPS和激光鉛垂。如果將設(shè)備安置在控制點(diǎn)上，僅需2個(gè)標(biāo)靶，就可進(jìn)行多站點(diǎn)快速掃描、數(shù)據(jù)快速拼接。

6.         應(yīng)該選擇配備對(duì)人眼安全的激光器。

7.         設(shè)備應(yīng)具有在垂直方向能夠進(jìn)行仰視和俯視掃描的功能。

我們知道，航空攝影時(shí)，當(dāng)視窗角>80°時(shí)，所得到的影像畸變大。同樣，我們?cè)谶M(jìn)行激光掃描時(shí)，如果光學(xué)發(fā)射和接收的結(jié)構(gòu)不動(dòng)，當(dāng)垂直方向的掃描角>100°時(shí)，所獲取的激光數(shù)據(jù)的精度大幅下降。這也是為什么大多數(shù)的激光掃描的垂直掃描角度定在100°以下的原因。但是，在許多的應(yīng)用中，如從山下掃描山頂、從山頂向下掃描峽谷和河流、從地面向上掃描屋檐、從高樓房頂掃描城市中的建筑物等，我們需要在垂直方向進(jìn)行>100°或<0°的掃描，為了保證精度，我們必須借助于掃描云臺(tái)。目前，只有Riegl公司提供這樣的配件。

8.         設(shè)備的故障率低。由于三維激光掃描儀目前基本上全是進(jìn)口的設(shè)備，屬于高度精密的光、機(jī)械、電子部件集成的貴重的產(chǎn)品。一旦出了問題，需要送回國外廠家拆開修理。每次的修理費(fèi)用再加運(yùn)費(fèi)要10萬元以上!來回運(yùn)輸和修理要費(fèi)時(shí)一個(gè)月以上。因此，購買到質(zhì)量可靠、故障率極低的產(chǎn)品才是明智的選擇!購買決定前，多找一些公正的專家和用戶咨詢了解一下。

9.         效率是第一位的!如果你采用Riegl的VZ系列三維激光掃描儀去做工程，每一站的掃描時(shí)間為1到2分鐘，相當(dāng)于其他著名品牌最新的機(jī)型掃描15分鐘，甚至1個(gè)小時(shí)以上。即使使用相位差的三維激光掃描儀掃描也要需要10分鐘以上。那么用VZ系列的完成一個(gè)項(xiàng)目的掃描需要一天的話，用其他的設(shè)備就需要一周以上的時(shí)間。成本和效率的差距就這么大!

10.    對(duì)于多站點(diǎn)的掃描拼接的效率也是用戶選型時(shí)務(wù)必要考慮的一個(gè)要點(diǎn)。因?yàn)橛脩粼谧鲰?xiàng)目時(shí)，往往需要將十站或幾十站的掃描數(shù)據(jù)拼接到一起，因此需要設(shè)置大量的控制點(diǎn)和貼許多的標(biāo)靶(每站需要5分鐘以上的時(shí)間)。然后，在掃描完成后，還要對(duì)這些標(biāo)靶進(jìn)行粗掃瞄和精掃瞄，再手工尋找出每一個(gè)控制點(diǎn)和標(biāo)靶，去除噪音點(diǎn)和假的標(biāo)靶，再進(jìn)行站與站的掃描點(diǎn)云的拼接。該過程在每一站總體大約需要10分鐘。目前，只有Riegl公司開發(fā)出先進(jìn)的硬件和軟件，使得多站激光掃描的數(shù)據(jù)和影像的拼接效率成幾倍的提高。一共只需要貼兩個(gè)標(biāo)靶，然后所做的工作就是將掃描儀架到控制點(diǎn)上，按下“開始”鍵，等掃描和拍照完成后，按下“停止”鍵。然后，就移到下一站，重復(fù)此過程。如此循環(huán)?？稍谝粋€(gè)小時(shí)內(nèi)完成15站的激光掃描和影像拍攝工作。