摘 要：本文论述了道路交通事故现场三维扫描技术的原理，针对三维扫描中存在的问题提出改进意见，在吸取国外道路交通事故现场三维扫描的基础上，结合我国道路交通的实际情况，对运用三维扫描技术现场采集交通事故信息的方法进行探讨。
0 引言
交通事故现场勘查是事故调查的重要组成部分，是事故调查的关键，现场勘查质量直接影响到事故处理的质量。事故现场勘查的主要内容有：现场摄影、绘制现场图、现场测量、采集物证等。
交通事故是由人、车、路之间发生的冲突引起的事件。所有交通事故的发生都处在一定的道路位置，这是交通事故案件区别于其他刑事案件的重要特征。交通事故现场反映着大量的、真实的事故证据，是我们判定事故发生过程、分析事故成因、认定事故责任的基础。
由于道路交通日益繁忙，事故现场情况复杂，不可能长时间的封闭现场。在短时间内进行现场勘查存在较大困难。
随着信息技术、图像技术的发展，通过事故现场图像处理采集信息成为事故现场勘查的发展方向。交通事故现场3D激光扫描技术是运用激光扫描仪对事故现场进行三维扫描，对事故现场的三维扫描图像进行分析研究，通过现场扫描图像采集事故现场数据。由于现场三维扫描所需的时间短，现场所有的信息可以记录在扫描的图像上，对事故现场勘查有着重要的作用。
1 三维激光扫描系统的原理
采用激光进行高精度的定位、测量已经有三十多年的历史。随着相关技术的发展，是的激光扫描技术成为现实。激光扫描的过程，实际上就是一个不断数据采集和处理的过程。通过具有一定分辨率的点（坐标x，y，z）与激光扫描设备构成一个坐标系。
通过激光扫描仪的测角和测距从而计算出测点的三维坐标（x，y，z）。
图1
图中盘点p点为地面扫描点，o点为扫描仪中心位置。
地面三维激光扫描仪通过数据采集获得测距观测值S，时钟编码控制器同步实时的测量出每个激光脉冲的横向扫描角度观测值α和纵向扫描观测值θ。扫描仪在内部坐系统内，计算出P点的三维坐标。
x=scosθ cosα
y= scosθ sinα
z=ssinθ
激光扫描仪通过对扫描对象的点对点的扫描，实时高速的计算出被扫描点的三维坐标，被扫描的每个点组成点云图（cloud point）。通过对点云图的分析处理就可以采集被扫描对象的数据信息。
2 系统构成和特点
2．1 系统构成
激光扫描系统主要由三部分组成：发射与接收、控制系统、处理系统。
图2 现场扫描
发射与接受系统的主要功能是发射和接收激光束。一个激光脉冲发射体在触发脉冲的作用下，激光发出一个极窄的高速激光脉冲，通过扫描镜的转动射向被扫描点，同时，激光信号被取样而得到激光主波脉冲。扫描系统的扫描镜收集被测点发射回的激光回波信号并将其转变称为电信号。控制系统主要功能是通过内置驱动电机精确控制扫描镜的转动，使得激光束沿着横轴方向和纵轴方向快速扫描。处理系统的功能是根据目标测距的时间延时与扫描镜的横、纵向角度计算出目标点的三位坐标。处理系统还可以根据点云图输出扫描场景的信息。
2．2 系统特点
三维激光扫描系统是一种非接触式主动测量系统，可以进行大面积高密度三维数据采集。具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快、不需要建立控制点就可以建立模型的特点。三维激光影像数据可以提供首次回波脉冲和尾次回波脉冲测量数据，同时也融合了激光反射强度和物体色彩等信息，为扫描目标的分析提供了进一步的研究内容。三维扫描获得的数据点云图可以建立高精度的数字现场模型。通过对建立模型的分析，采集事故现场的信息。
图3 事故现场扫描
图4 由扫描数据生成的平面图
目前无棱镜反射激光扫描的射程已经达到1500米，测距精度达到毫米级。完全能够符合事故现场勘查的精度要求。
3 事故现场的应用
交通事故现场扫描有四个步骤，一是确定事故现场的测量范围。二是进行现场扫描生成点云图。三是进行场景拼接。四是进行三维建模。
3．1 现场扫描范围确定
事故现场的范围不仅仅是车辆碰撞的区域，还应包括车辆在事故形成过程中的痕迹以及物证的区域。例如，在车辆制动的过程中制动痕迹。这类印迹往往距离较长，在确定扫描范围的过程中应包括在内。
对于事故现场范围不大，可以以伤亡人员和车辆以及各种痕迹比较集中的为中心向外扩展，由中心向外推进。
对于事故现场范围较大，各种现场痕迹比较分散的现场，为了防止远处痕迹被破坏，应从周围向中心，由外向内进行扫描。
对于造成重特大伤亡的事故现场，可以从事故起点向终点进行分段扫描还或从容易被破坏的位置开始进行扫描。
3．2 现场点云图
点云图是在扫描范围内对目标实施逐点测距、测角, 所有测量点组成的集合。
图5 车辆轮胎地面痕迹点云图
点云图中包含的信息有：激光束的水平角度和垂直角度，根据脉冲传播时间技术得到的扫描原点到被扫描点的距离，扫描点的反射强度。根据扫描得到的角度和距离可以计算出扫描点的三维坐标。根据反射强度可以匹配扫描点的颜色。
3．3 三维建模
三维建模是通过软件提供的坐标登记功能，将各测站测得的点云数据组成一个完整的点云模型。利用自动分段处理功能、抽取功能、模型构造功能，将事故现场细节模型化，最终完成事故现场三维建模。
根据事故现场扫描的点云图建立三维地面数字模型，将事故现场的场景再现。通过对现场三维模型的分析，提取事故现场的相关信息。
事故现场模型是使用DEM的数据表达，DEM数据有规则的格网或不规则的三角形TIN组成，规则的格网模型结构适合进行空间结构分析应用，但是其采样点规则分布，造成此类DEM的数据冗余量很大，当对格网DEM进行重新采样时，会造成地面模型失真，TIN模型能够保留地面的特征点，可以防止数据重新采样时造成的失真，所以TIN模型更适合与事故现场建模。
TIN建模的关键是，那三个离散的数据点构成一个最佳的三角形，并使得每个离散采样点均成为三角形定点。
在二维数据建模中，道路地面属于线状数据，由一系列连续的点组成，在三维数据建模中要将其转换成面状数据。实现的方法为：以线上点为中心，以一定宽度为半径，在点的两侧插入新的数据点，组成新的数据点集，其点集为道路的面状点集。在产生新的数据点的同时，采用逐点插入法构建Delaunay三角网。当勘测现场较大或需多方位勘测时, 可移动扫描仪实施另一场景的场景扫描,移站重扫时应注意相邻两扫描范围间应有一定重叠, 并尽量包括场景特征点, 以便系统现场景的无缝拼接。场景拼接是利用相邻两个场景，以相邻两场景的重叠部分共有的特征点为控制点，拼接称为一幅更大范围的现场。
场景拼接实际问题就是把不同坐标系场景转换到一个坐标系下。不同空间直角坐标系中，需要解决坐标转换的参数共有七个：三个平移参数，三个旋转参数以及一个尺度参数。拼接规划坐标系的方法有三种：配对方式（pariwise Registration），全局方式（Global Registration） 和绝对方式（World Registration）。配对方式和全局方式都是以某一幅场景扫描图的坐标系为基准，其他扫描场景的坐标系都转换规划到该场景扫描图的坐标系下。这两种方式的特点是：场景重叠区域内的控制点的坐标值在扫描前是未知的。绝对方式的拼接，其重控制点的坐标值是已知的，在处理扫描数据时，所有的坐标系都规划到控制点的坐标系中。在以绝对方式拼接的过程中不需要两幅扫描的区域内有重叠的部分。
4 结论
交通事故现场的信息采集对交通事故的处理有着重要的意义。由于交通事故现场的特殊性，现场信息采集一直是困扰事故处理的问题。长期以来一直没有很好的方法解决。地面三维激光扫描给我们提供了一个较好的解决方法，也是交通事故现场信息采集技术发展的一个方向。相信随着相关技术的发展，地面激光扫描技术一定会在交通事故现场勘查领域得到广泛的应用。
参考文献：
[1] 郑德华 雷伟刚 . 地面三维激光扫描技术.铁路航测 2003第2期.
[2] 陈宪冬. 基于VRS的交通事故现场三维激光扫描系统研究. 测绘科学 第31卷第6期2006
[3] Vassilios Pagounis Maria Tsakiri,Spridon Palaskas,Barbara Biza,Elizabeth Zaloumi.3D Laser Scanning For Road Safety and Accident Rconstraction.Shaping the Change XXXIII FIG Congress Munich,Germany,Oct.2006
[4] Chris Hyslop.3D Terrestrial Laser
Scanners forPolice Mapping. A disserta -tion submitted for the degree of Bachelor of Surveying with Honours
University of Otago, Dunedin
New Zealand.October 2004
[5] G Huckle and F Marsh COMPARATIVE TESTING OF MEASURING EQUIPMENT FOR USE AT ROAD TRAFFIC ACCIDENT SCENES TRL www.laserscanning.org.uk
作者简介
丁正林：公安部交通管理科学研究所
