激光雷达3D扫描仪如何工作？

魔猴君  知识堂   18天前

流行的3D扫描方法

3D Systems的Sense3D是一款手持式红外扫描仪。来源：3D Systems

3D扫描物体有多种方法。最佳方法通常取决于您的预算和要扫描的物体。

3D扫描仪通常使用以下三种方法之一：

红外扫描仪使用红外线或“结构光”来扫描物体。相机检测投射到物体表面的光线的扭曲，以确定物体的尺寸。

摄影测量使用照片对距离和深度进行三角测量，并利用这些数据生成3D扫描。质量取决于所用的照片和相机。

激光雷达将激光从物体上反射回来以测量距离和深度，从而形成3D扫描。

在本文中，我们将重点介绍激光雷达3D扫描，了解其工作原理、与其他两种主要技术的比较、应用领域以及一些案例研究。

工作原理

南太平洋一艘船只的激光雷达图像。来源：Sanborn Total Geospatial Solutions

激光雷达的工作原理与雷达基本相同，主要区别在于，激光雷达使用的是激光束，而不是微波能量源。光速是一个已知常数，因此可以通过激光脉冲从物体上反弹并被激光雷达传感器接收所需的时间来测量传感器与物体之间的距离。这使得激光雷达可以用作一种“测距仪”，以高度详细的信息确定高度或表面几何形状。

激光雷达与红外线

使用红外ATLAS 3D扫描仪进行扫描。来源：Murobo LLC/Kickstarter

红外扫描仪很常见，价格也相对便宜，但与激光雷达不同，它们不太适合大面积或结构。成本和准确性是选择使用哪种扫描仪时要考虑的主要因素。

虽然从技术上来说，你可以使用昂贵的激光雷达系统来扫描椅子，但对于此类项目来说，这既不实用也没有必要。激光雷达非常昂贵且精确，更适合扫描大面积区域或结构，例如建筑物。

激光雷达与摄影测量

费城社区学院侧门的摄影测量模型。来源：Pete Aaslestad/Aaslestad.com

摄影测量法使用多张照片对点进行三角测量以形成比红外线更精确的扫描，但仍然不如激光雷达精确。

如果您已经拥有高分辨率摄像设备，或者不需要激光雷达系统带来的额外性能和费用，那么摄影测量是一个非常好的选择。如果您的项目涉及扫描数英里的区域或大型建筑物，您可能仍想考虑使用激光雷达。

实际应用

华盛顿特区的激光雷达图像。来源：USGS.gov

激光雷达通常用于土地测量和小众应用，但也可用于对区域和结构进行3D打印扫描。虽然激光雷达最为精确，但价格也非常昂贵，因此提供激光雷达技术的公司通常不会在宣传材料和网站上列出价格。

对于小型或低预算项目，由于成本原因，激光雷达根本不实用。尽管存在成本问题，但激光雷达仍然是大型项目的首选，例如绘制洪泛区和建筑物地图。它还可用于解决一些小众的3D扫描需求，例如“自动驾驶”汽车和机器人。

案例研究：天文学和太空探索

阿波罗15号激光雷达扫描的月球表面地图。来源：NASA

早在1971年，NASA就发射了一枚土星五号火箭，作为阿波罗15号登月任务的第一步。这是首次使用激光雷达技术的任务。

激光雷达曾用于从轨道绘制月球表面地图，其精细程度是其他仪器无法比拟的。激光雷达还曾用于绘制火星表面和地球的地形图，以及测量行星之间的距离，例如从地球到火星的距离。

案例研究：环境保护与勘探

2014年埃尔多拉多国家森林“国王大火”的激光雷达图像。来源：NASA

激光雷达曾用于确定2014年加州埃尔多拉多国家森林“大火”造成的损失。这有助于以高效和准确的方式回答有关损失严重程度和范围的问题。由于激光雷达可以以这种方式绘制大面积地图，因此它有助于我们了解我们的环境。

例如，激光雷达可用于确定哪些地区未来可能遭受洪水等灾害。正如“国王之火”中的情况一样，它还可用于估计自然灾害后的损失并确定应将恢复工作重点放在何处。激光雷达不仅可用于绘制城市地图，还可通过探测茂密的森林/丛林树冠下的结构来寻找失落的城市。一个项目在墨西哥发现了一座失落的城市，其建筑数量与曼哈顿一样多！

编译整理：ALL3DP