光学三维测量技术与应用.

光学三维测量技术与应用梁飞飞135882611492目录第一章三维测量技术概述第二章航空三维激光扫描第三章三维激光扫描技术的应用梁飞飞1388261149梁飞飞135882611499梁飞飞135882611493前言光学三维测量技术是集光、机、电和计算机技术于一体的智能化、可视化的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以得到物体的三维轮廓，获得物体表面点的三维空间坐标。随着经济的发展和科技的进步，光学三维测量技术由于非接触、快速测量、精度高的优点在机械、汽车、航空航天等制造工业及服装、玩具、制鞋等民用工业得到广泛的应用，其中三维激光扫描技术发展的最为成熟，应用也最为广泛。梁飞飞135882611494三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。三维测量技术概述三维扫描测量仪梁飞飞1358826114951.1接触式测量物体三维接触式测量的典型代表是三坐标测量机(CMM，CoordinateMeasuringMachine)。它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。缺点是测量速度慢，对环境要求较高。梁飞飞13588261149671.2非接触测量法非接触式三维测量不需要与待测物体接触，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量，图1出非接触式三维测量技术中常用的三种电磁波谱和主要的测量技术。梁飞飞1358826114981.2.1常用的非接触式三维测量波谱91.2.2常用的光学三维测量基本原理常用的光学三维测量基本原理有3种：飞行时间法、干涉法和三角法(见图1)。飞行时间法：飞行时间法是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，一般采用激光，通过测量光波的飞行时间来获得距离信息，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据。以对信号检测的时间分辨率来换取距离测量精度，常用于大尺度远距离的测量。梁飞飞1358826114910干涉法：干涉测量是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光，利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差，从而获得物体表面的深度信息。特点：测量精度高但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的形貌和微小位移，不适于大尺度物体的检测。梁飞飞1358826114911光学三角测量法：光学三角法是最常用的一种光学三维测量技术，以传统的三角测量为基础，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。梁飞飞13588261149122.航空三维激光扫描三维激光扫描系统按照扫描平台的不同分为：航空激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。航空激光扫描系统一般采用激光测距原理，辅以扫描系统获取所需的三维信息，系统主要由激光测距系统、光电扫描仪及控制处理系统等组成。梁飞飞13588261149132.1激光测距原理目前最常用的激光测距法有脉冲法和相位法。脉冲式激光测距原理：z=cΔt/2，其中C为光速，Δt为间隔时间。相位激光测距原理：从测距仪发出的光波经反射器反射再返回测距仪，然后由测距仪的测相系统对光波往返一次的相位变化进行测量，经过计算后可以得到距离信息。这种测距仪都配置被称为合作目标的反射镜，一般应用于精密测距中。梁飞飞13588261149142.2航空三维激光扫描15航空三维激光扫描与摄影测量技术是将三维激光扫描仪和航空摄像机装载在飞机上，利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术。通过基于全球定位系统(GPS)和惯性测量装置(IMU)的机载定位定向系统(POS)联接，构成当今世界上摄影测量与遥感领域最先进的LIDAR(LishtDetectionandRanger)对地观测系统。航空三维激光扫描系统一般由四个子系统组成：激光雷达发射接收系统，定位系统，数据获取、控制、显示系统，基于地面的数据处理系统。梁飞飞13588261149163.三维激光扫描技术的应用光学三维形状测量技术的应用范围很广，从传统的制造业到新兴的三维动画产业和虚拟现实领域等。梁飞飞13588261149173.1服装制作三维扫描仪可以快速地测得人体的外形尺寸，获得其立体彩色模型，把这些数据与服装CAD技术结合，可以在计算机中的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计，设计出最合适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果。183.2航天飞机外形检测为航天器发射安全，美国特别制定防止发射时热防护系统被破坏的研究计划。发现者号携带一种新的外部检测系统，该系统能检测出宇航飞机外壳热防护面小于毫米尺寸的破坏点。这种外部检测系统是由加拿大Neptec公司研制的三维激光扫描仪，它采用1500nm的激光，不受光照条件变化的影响，工作不受昼夜限制。193.3地形地貌测量航空三维激光扫描技术可以用于地面的航空遥感定位和影像获取，还可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标，同时，它也是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。20光学三维测量技术的主要特点是实时性、主动性、适应性好。光学三维测量数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的数据后处理，由于无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；三维激光扫描技术和GPS等技术结合起来形成的航空三维激光扫描技术，可以直接获取真实地表的高精度三维信息，具有传统摄影测量方法无法取代的优越性，在诸多领域得到更深入和更广泛的应用。目前我国在这方面的技术比较薄弱，国外成熟产品只能用于民用因此，我们应当借鉴国外的经验，研究开发自己的适用系统，给国家的经济建设和国防建设提供技术手段。梁飞飞13588261149小结