地面激光扫描(Terrestrial laser scanning，TLS)作为一种新技术可以直接获取高质量的空间信息三维数据，具有实时性强、精度高、扫描速度快、主动性强、通用性强、全数字化、人工干预少等特点，它的出现掀起了一场三维信息采集技术及应用的新革命。近年来，随着三维激光扫描技术在测量精度、数据处理、三维可视化等方面的进步，其应用领域日益广泛，目前较多应用于三维地面景观测量、高精度数字地面模型的建立、地形测量、古建筑结构测量、建筑物三维重建、变形监测、制造业设计、游戏场景制作、电影特技等领域。
地面激光扫描仪获取的数据主要为目标物体的点云数据，点云包括点的三维位置信息以及强度信息。有的地面激光雷达扫描仪也配置了CCD相机，同时可以采集目标物体的纹理、光谱信息，为目标的三维重建提供相应的纹理数据。
针对不同的应用对象、不同点云数据的特性，地面激光扫描数据处理的过程和方法也不尽相同。概括地讲，整个数据处理过程包括:数据采集、数据预处理、三维重建和模型优化、精度评价。而数据预处理又可以细分为:点云数据去噪、点云数据重采样、点云数据配准、点云数据的精简、点云数据的分块等。三维重建阶段主要包括模型重建、模型重建后的平滑及孔洞修补、残缺数据的处理和纹理映射等。
外业地面激光雷达数据采集系统主要由三维激光扫描仪、数码相机、软件控制平台以及附属设备组成，具体如图13-8所示。
图13-8 外业数据采集系统组成
三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量方式，能够在相对较短的时间内获取空间物体及地面三维表面的高密度、高精度的阵列式几何图形数据，并以点云形式存储。仪器主要由一台高速精准的激光测距仪和一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜构成。获取单站扫描点云数据时，激光扫描仪会为测距仪自定义坐标，激光测距仪主动发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪的距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲纵向扫描角β和横向扫描角α，获得目标点P的相对激光扫描仪中心的坐标。扫描点坐标计算原理如图13-9所示，计算公式如下:
扫描前，可以在测区布设扫描控制点，一般有全站仪或GPS等传统测量方法获取扫描控制点的大地坐标，那么扫描点的三维地理坐标也可获取。系统利用地面三维激光扫描仪获取点云数据及扫描点坐标后，利用数码相机获取地形地物的纹理图片，再由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，转换为绝对坐标或模型数据。
目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，如美国的Leica公司、3D DIGITAL公司、Polhemus公司等，奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、瑞典的TopEye公司、法国的MENSI公司、日本的Minolta公司、澳大利亚的I-SITE公司等。这些产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同。使用时可根据不同的情况，如成本、模型的精度要求等进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪的产品。
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图13-9 扫描点坐标计算原理
利用三维激光扫描仪获取的点云数据构建实体三维几何模型的过程主要包括:数据采集、不同测站数据配准与融合、几何模型重建与后处理、纹理映射。图13-10为基于设站式激光扫描仪采集点云数据到三维重建的流程。
图13-10 基于设站式激光扫描仪采集点云数据到三维重建的流程图
图13-11为三维激光扫描仪获取的某古建筑的点云数据，对应的三维重建效果如图13-12所示。
图13-11 三维激光扫描仪获取的某古建筑的点云数据
图13-12 基于激光扫描点云数据重建的某古建筑三维模型
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