三维激光扫描技术与应用实例

CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics维激光扫描技术与应用实例三吴旭祥CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics随着科技不断发展,测绘技术不断更新，地形测量的方法由传统的平板白纸测图、经纬仪测图等，发展到现在的全站仪、GPS实时动态定位(RTK)、数字摄影测量等，近几年，地形测量一体化技术飞速发展，测量领域的高精度仪器越来越多。三维激光扫描仪就是其中的一种，它的发展更推动了地形测量向高科技立体图形的发展。传统地形测量•平板白纸测图•经纬仪测图现今地形测量•全站仪测图•GPS-RTK测图•数字摄影测量地形测量一体化·三维激光扫描数字测图技术的发展CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics三维激光扫描技术的概念三维激光扫描仪（3Dlaserscanner）通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器。三维激光扫描技术(3DLaserScanningTechnology)三维激光扫描技术，是通过三维激光扫描仪获取目标物体的表面三维数据；对获取的数据进行处理、计算、分析；进而利用处理后的数据从事后续工作的综合技术。三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，它不同于单纯的测绘技术，主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构。CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics采用非接触目标的方法，无需反射棱镜，对扫面目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。非接触测量采样点数据远远高于传统测量的采样点数据,脉冲式激光扫描方法的采样点数可达到数千点/秒,而相位式的激光测量更可高达数十万点/秒。数据采样率高三维激光扫描技术可以不受扫描环境的影响主动发射激光,通过自身发射的激光的回波信息来解得目标物表面点的三维坐标信息。主动发射扫描光源三维激光扫描可以快速的获取高精度,高分辨率的海量的点位数据,就可以高效率的获取目标物表面点的三维坐标,从而达到高分辨率的目的。高分辨率、高精度通过直接获取数字信号采集数据的,所以具有全数字特征,方便进行后期处理和输出,且它的后期处理软件与其他软件有很好的共享性。数字化兼容性好多学科融合涉及现代电子、光学、机械、控制工程、图像处理、计算机视觉、计算机图形学、软件工程等技术，是多种先进技术的集成。三维激光扫描技术的特点CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics传统工程测量中，对三维数据的获取主要有：RTK定位皮尺量测全站仪特征点采集基于光学摄影测量原理的近景摄影测量、航空摄影测量等;采用三维激光扫描技术的方法：无需设置反射棱镜进行无接触测量，在人员难以企及的危险地段使用优势明显;突破单点测量方式，以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据，对目标描述细致、采样速率高，传统方法难以实现；三维激光扫描技术与传统测量技术的区别CollegeofSurveyingAndGeo-InformaticsB1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23三维激光扫描仪可以获取高密度的观测目标的表面海量数据，采样速率高，对目标的描述细致。三维激光扫描技术与传统测量技术的区别CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics三维激光扫描仪按扫描平台机载激光扫描系统地面型激光扫描系统便携式激光扫描系统有效扫描距离短距离激光扫描仪中距离激光扫描仪长距离激光扫描仪航空激光扫描仪其最长扫描距离不超过3m，适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且精度较高最长扫描距离小于30m，多用于大型模具或室内空间的测量扫描距离大于30m，主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量扫描距离大于1km，并且需要配备精确的导航定位系统，可用于大范围地形的扫描测量三维激光扫描仪的分类CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics1.生产厂家较少，三维激光扫描仪市场近乎垄断；2.新技术的前期应用伴随着高投入；3.三维激光扫描仪的使用单位较少；三维激光扫描仪作为测绘界的最新技术和仪器，在国内的应用还处于起步阶段，有以下几个方面的问题和发展趋势：越来越多的国内外测绘仪器厂家开始涉足三维激光扫描仪的研发生产工作，越来越多的生产施工单位开始熟悉并使用三维激光扫描仪，仪器的价格会随之下降。仪器价格较昂贵难以满足普通用户的需求精度检测没有形成完整体系硬件得到进一步改进，激光扫描仪有更高的测量精度，应用精度会不断提高，各系统之间的融合性会逐步加强。工程应用技术标准和规范还未出台；数据精度处理算法应用滞后；各品牌仪器的数据兼容性差；数据处理方法较繁琐点云数据的内业处理相对繁琐；数据处理方法尚未完善；数据处理软件功能会不断加强，三维建模的方法会不断优化。三维激光扫描技术存在的问题与发展趋势CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics三维激光扫描技术的组成核心是激光发射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元、CCD技术、光机电自动传感装置等。利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，获取大量的点云数据，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。系统组成工作原理三维激光扫描系统的组成和原理CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返的时间来算出目标的距离：2ctdt的测量：在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。t开始结束t=NT时钟脉冲测距方法——脉冲激光测距三维激光扫描系统的组成和原理CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics采用无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返所需的时间。tcL2短距离、高精度，精度可达毫米级。三维激光扫描系统的组成和原理测距方法——相位差测距22nfcLCollegeofSurveyingAndGeo-Informatics测量过程中由投影装置把光栅图像投影到被测物体表面,同时使用相机拍摄下经被测物体表面调制而发生变形的光栅图像,然后通过对变形的光栅图像进行处理,计算出代表物体高度的相位信息。三维激光扫描系统的组成和原理测距方法——结构光测距CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics原理参数飞行时间结构光脉冲法相位差法激光发射装置固体激光器（红宝石、YAG）连续光源激发器（He-Ne）连续光源激发器（He-Ne）测量距离远近非常近测量精度低高非常高扫描速度慢快慢三维激光扫描系统的组成和原理测距方法——不同测距原理技术的对比CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics准确度Accuracy：是指测得值与真实值之间相符合的程度。精密度Precision：指在相同条件下N次重复测定结果相符合的程度。鉴于不可能获得真实值，只能用更精密仪器的测量值作为近似真实值，且精确度与准确度之间有一定的相关性，故实际中用精确度Accuracy来衡量仪器的测量性能。三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数——准确度与精密度扫描仪提供的精度参数点位精度距离精度角精度表面建模精度标靶获取精度CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数——分辨率扫描分辨率包含以下参数：光斑大小点间距距离分辨率一般来说，分辨率越高，表面建模精度越高，重建得到的模型越精细。分辨率随测距原理、实测距离的变化而变化：距离越远光斑越大距离越远点间距越大CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics物理定义：单位时间内扫描物体的长度厂商定义：单位时间内发射（接收）激光点数（受散射等原因，激光发射/接收装置发射N个激光点仅能接收到N/3—N/5个点）三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数——扫描速度主要技术参数——激光发射频率激光发射频率—PRR(PulseRepetitionRate)激光脉冲的发射频率越高，在单位时间内所发射的激光点的数量越多主要技术参数——激光发射频率反射率—投射到物体上面被反射的激光能量与投射到物体上的总激光能量之比,直接影响到激光扫描仪的实际测距能力。CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics当PRR=f时，发射相邻两个激光点的间隔时间：则单位时间内可以发射的激光点数量N为：这与厂商的扫描速度定义相同因此也有厂商将激光发射频率称作扫描速度三维激光扫描系统的主要技术参数PRR与单位时间发射点数N的关系CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics当PRR=f时，发射相邻两个激光点的间隔时间：光速为C，则扫描仪理论最大扫描距离D为：频率越高，射程越近这也是相位式扫描仪普遍射程偏近的原因PRR与扫描距离（激光射程）的关系三维激光扫描系统的主要技术参数CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics扫描距离越远，分辨率越低为了获取更精确的模型，就需要增加PRR以增加发射激光点数量相应地也就增加了扫描时间分辨率与表面建模精度有关与测量精度无关，厂商往往将之混为一谈三维激光扫描系统的主要技术参数•扫描距离（激光射程）与精度的关系•扫描距离（激光射程）与分辨率的关系•精度与分辨率的关系扫描距离越远，精度越低CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics当反射率、扫描距离固定时，可以来衡量三者之间的关系：由于对于实际的待测物体，反射率与扫描距离总是固定点，对任何品牌的扫描仪都是这样，而分辨率则由用户具体需求确定，也可认为是固定值，因此：PRR越高的扫描仪，其扫描速度越快。这也是相位式扫描仪宣称速度快的原因。分辨率越高，扫描速度越慢PRR越高，扫描速度越快•PRR、分辨率与扫描速度的关系三维激光扫描系统的主要技术参数CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics三维激光扫描系统的主要应用领域从应用领域上分：从用途上分：•工厂数字化三维设计改造•数字城市•管道三维工程改造重新设计•数字文物（大佛雕塑景观小区）存档•矿区土方开挖断面和体积量测•建立三维数字化多源数据库•地形测量•土地资源调查•建筑物平、立、剖面图的制作•船舶外形测量考古现场记录•事故现场调查•工程施工质量监控，规划，管理采矿业、测绘工程、结构测量、逆向工程、数字城市、数字工厂、文物保护、虚拟现实、医学、娱乐业、土木工程等。数值计算形变分析——重建目标三维模型——距离测量、面积计算、体积计算、容积计算——前后测量数据对比，分析表面形变三维重建CollegeofSurveyingAndGeo-Informatics隧道量测的主要方面轮廓线放样掌子面定位钢架安装定位开挖方量计算超欠挖分析掌子面测量超前地质预报红外探水地质雷达TSP超前水平钻加深炮孔岩层结构分析喷浆