激光雷達3D掃描儀如何工作？

魔猴君  知識堂   302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“結構光”來掃描物體。相機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行三角測量，并利用這些數據生成3D掃描。質量取決于所用的照片和相機。

激光雷達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，我們將重點介紹激光雷達3D掃描，了解其工作原理、與其他兩種主要技術的比較、應用領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圖像。來源：Sanborn Total Geospatial Solutions

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

激光雷達與紅外線

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

紅外掃描儀很常見，價格也相對便宜，但與激光雷達不同，它們不太適合大面積或結構。成本和準確性是選擇使用哪種掃描儀時要考慮的主要因素。

雖然從技術上來說，你可以使用昂貴的激光雷達系統來掃描椅子，但對于此類項目來說，這既不實用也沒有必要。激光雷達非常昂貴且精確，更適合掃描大面積區域或結構，例如建筑物。

激光雷達與攝影測量

費城社區學院側門的攝影測量模型。來源：Pete Aaslestad/Aaslestad.com

攝影測量法使用多張照片對點進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精確。

如果您已經擁有高分辨率攝像設備，或者不需要激光雷達系統帶來的額外性能和費用，那么攝影測量是一個非常好的選擇。如果您的項目涉及掃描數英里的區域或大型建筑物，您可能仍想考慮使用激光雷達。

實際應用

華盛頓特區的激光雷達圖像。來源：USGS.gov

激光雷達通常用于土地測量和小眾應用，但也可用于對區域和結構進行3D打印掃描。雖然激光雷達最為精確，但價格也非常昂貴，因此提供激光雷達技術的公司通常不會在宣傳材料和網站上列出價格。

對于小型或低預算項目，由于成本原因，激光雷達根本不實用。盡管存在成本問題，但激光雷達仍然是大型項目的首選，例如繪制洪泛區和建筑物地圖。它還可用于解決一些小眾的3D掃描需求，例如“自動駕駛”汽車和機器人。

案例研究：天文學和太空探索

阿波羅15號激光雷達掃描的月球表面地圖。來源：NASA

早在1971年，NASA就發射了一枚土星五號火箭，作為阿波羅15號登月任務的第一步。這是首次使用激光雷達技術的任務。

激光雷達曾用于從軌道繪制月球表面地圖，其精細程度是其他儀器無法比擬的。激光雷達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：環境保護與勘探

2014年埃爾多拉多國家森林“國王大火”的激光雷達圖像。來源：NASA

激光雷達曾用于確定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確的方式回答有關損失嚴重程度和范圍的問題。由于激光雷達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境。

例如，激光雷達可用于確定哪些地區未來可能遭受洪水等災害。正如“國王之火”中的情況一樣，它還可用于估計自然災害后的損失并確定應將恢復工作重點放在何處。激光雷達不僅可用于繪制城市地圖，還可通過探測茂密的森林/叢林樹冠下的結構來尋找失落的城市。一個項目在墨西哥發現了一座失落的城市，其建筑數量與曼哈頓一樣多！

編譯整理：ALL3DP