激光雷達(dá)3D掃描儀如何工作？

魔猴君  知識(shí)堂   16天前

流行的3D掃描方法

3D Systems的Sense3D是一款手持式紅外掃描儀。來源：3D Systems

3D掃描物體有多種方法。最佳方法通常取決于您的預(yù)算和要掃描的物體。

3D掃描儀通常使用以下三種方法之一：

紅外掃描儀使用紅外線或“結(jié)構(gòu)光”來掃描物體。相機(jī)檢測投射到物體表面的光線的扭曲，以確定物體的尺寸。

攝影測量使用照片對距離和深度進(jìn)行三角測量，并利用這些數(shù)據(jù)生成3D掃描。質(zhì)量取決于所用的照片和相機(jī)。

激光雷達(dá)將激光從物體上反射回來以測量距離和深度，從而形成3D掃描。

在本文中，我們將重點(diǎn)介紹激光雷達(dá)3D掃描，了解其工作原理、與其他兩種主要技術(shù)的比較、應(yīng)用領(lǐng)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達(dá)圖像。來源：Sanborn Total Geospatial Solutions

激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)基本相同，主要區(qū)別在于，激光雷達(dá)使用的是激光束，而不是微波能量源。光速是一個(gè)已知常數(shù)，因此可以通過激光脈沖從物體上反彈并被激光雷達(dá)傳感器接收所需的時(shí)間來測量傳感器與物體之間的距離。這使得激光雷達(dá)可以用作一種“測距儀”，以高度詳細(xì)的信息確定高度或表面幾何形狀。

激光雷達(dá)與紅外線

使用紅外ATLAS 3D掃描儀進(jìn)行掃描。來源：Murobo LLC/Kickstarter

紅外掃描儀很常見，價(jià)格也相對便宜，但與激光雷達(dá)不同，它們不太適合大面積或結(jié)構(gòu)。成本和準(zhǔn)確性是選擇使用哪種掃描儀時(shí)要考慮的主要因素。

雖然從技術(shù)上來說，你可以使用昂貴的激光雷達(dá)系統(tǒng)來掃描椅子，但對于此類項(xiàng)目來說，這既不實(shí)用也沒有必要。激光雷達(dá)非常昂貴且精確，更適合掃描大面積區(qū)域或結(jié)構(gòu)，例如建筑物。

激光雷達(dá)與攝影測量

費(fèi)城社區(qū)學(xué)院側(cè)門的攝影測量模型。來源：Pete Aaslestad/Aaslestad.com

攝影測量法使用多張照片對點(diǎn)進(jìn)行三角測量以形成比紅外線更精確的掃描，但仍然不如激光雷達(dá)精確。

如果您已經(jīng)擁有高分辨率攝像設(shè)備，或者不需要激光雷達(dá)系統(tǒng)帶來的額外性能和費(fèi)用，那么攝影測量是一個(gè)非常好的選擇。如果您的項(xiàng)目涉及掃描數(shù)英里的區(qū)域或大型建筑物，您可能仍想考慮使用激光雷達(dá)。

實(shí)際應(yīng)用

華盛頓特區(qū)的激光雷達(dá)圖像。來源：USGS.gov

激光雷達(dá)通常用于土地測量和小眾應(yīng)用，但也可用于對區(qū)域和結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D打印掃描。雖然激光雷達(dá)最為精確，但價(jià)格也非常昂貴，因此提供激光雷達(dá)技術(shù)的公司通常不會(huì)在宣傳材料和網(wǎng)站上列出價(jià)格。

對于小型或低預(yù)算項(xiàng)目，由于成本原因，激光雷達(dá)根本不實(shí)用。盡管存在成本問題，但激光雷達(dá)仍然是大型項(xiàng)目的首選，例如繪制洪泛區(qū)和建筑物地圖。它還可用于解決一些小眾的3D掃描需求，例如“自動(dòng)駕駛”汽車和機(jī)器人。

案例研究：天文學(xué)和太空探索

阿波羅15號激光雷達(dá)掃描的月球表面地圖。來源：NASA

早在1971年，NASA就發(fā)射了一枚土星五號火箭，作為阿波羅15號登月任務(wù)的第一步。這是首次使用激光雷達(dá)技術(shù)的任務(wù)。

激光雷達(dá)曾用于從軌道繪制月球表面地圖，其精細(xì)程度是其他儀器無法比擬的。激光雷達(dá)還曾用于繪制火星表面和地球的地形圖，以及測量行星之間的距離，例如從地球到火星的距離。

案例研究：環(huán)境保護(hù)與勘探

2014年埃爾多拉多國家森林“國王大火”的激光雷達(dá)圖像。來源：NASA

激光雷達(dá)曾用于確定2014年加州埃爾多拉多國家森林“大火”造成的損失。這有助于以高效和準(zhǔn)確的方式回答有關(guān)損失嚴(yán)重程度和范圍的問題。由于激光雷達(dá)可以以這種方式繪制大面積地圖，因此它有助于我們了解我們的環(huán)境。

例如，激光雷達(dá)可用于確定哪些地區(qū)未來可能遭受洪水等災(zāi)害。正如“國王之火”中的情況一樣，它還可用于估計(jì)自然災(zāi)害后的損失并確定應(yīng)將恢復(fù)工作重點(diǎn)放在何處。激光雷達(dá)不僅可用于繪制城市地圖，還可通過探測茂密的森林/叢林樹冠下的結(jié)構(gòu)來尋找失落的城市。一個(gè)項(xiàng)目在墨西哥發(fā)現(xiàn)了一座失落的城市，其建筑數(shù)量與曼哈頓一樣多！

編譯整理：ALL3DP