三维激光测量

三维激光扫描测量3Dlaserscanningmeasurement主讲人：测绘121李雅盟三维激光扫描测量3Dlaserscanningmeasurement•【摘要】三维激光扫描技术是近年来发展起来的一门新技术，由于其扫描速度快、直接获得数字信息、非接触性、扫描效率高、使用简单方便等优点，使其在当今工业生产、科技研究、生活等各方面的应用越来越广泛，被誉为继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命。本文将简单向大家介绍三维激光扫描技术的概念、特性、常用的测量仪器、基本原理和地面式三维激光扫描，三维建模的基本流程，以及该技术的应用。•【关键词】三维激光扫描技术、概念、特性、基本原理、三维激光扫描仪、地面式三维激光扫描、三维建模、应用。FARO三维激光扫描仪三维激光扫描测量三维激光扫描技术认识三维激光扫描仪地面式三维激光扫描三维建模的步骤激光扫描技术的应用什么是三维激光扫描？•三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。三维激光扫描技术的特点•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。具有高分辨率、高精度的特点•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。数字化采集,兼容性好三维激光扫描系统组成•三维激光扫描技术的核心是激光发射器、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(包括:激光水平46b步进传感、同轴纵向320b步进自旋转、目标遥控捕捉及取景)等。•三维激光扫描系统的工作原理如图6所示,首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号,经过旋转棱镜,射向目标,然后通过探测器,接收反射回来的激光脉冲信号,并由记录器记录,最后转换成能够直接识别处理的数据信息,经过软件处理实现实体建模输出。三维激光扫描技术与传统测量技术的区别传统测量技术：•三维数据获取主要有:•单点采集三维坐标的方法，如GPS高精度定位、三维坐标测量机、全站仪系统等;•基于光学摄影测量原理的近景摄影测量、航空摄影测量等。三维激光扫描技术：•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；•缺点是与全站仪相比，测量精度相对为低。三维激光扫描技术与传统测量技术的区别三维激光扫描测量三维激光扫描技术认识三维激光扫描仪地面式三维激光扫描三维建模的步骤激光扫描技术的应用三维激光扫描仪——Z+F(德国）三维激光扫描仪——徕卡三维激光扫描仪——Optech三维激光扫描仪的分类:三维激光扫描仪按扫描平台分机载(或星载)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分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工作原理：•无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。•三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。•激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。以RieglLMS-Z420i三维激光扫描仪为例，该扫描仪是以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向则以伺服马达转动仪器来完成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。三维激光扫描测量三维激光扫描技术认识三维激光扫描仪地面式三维激光扫描三维建模的步骤激光扫描技术的应用地面三维激光测量技术•主流设备地面式三维激光扫描仪按扫描方式分（2）基于相位差，又称相位式：利用激光连续波发射，根据光学干涉原理确定干涉相位的测量方法，适用于近距离测量。测量范围一般小于50米，采样点速率可达10000～500000点/秒。（1）基于时间-飞行差，又称脉冲式：从固定中心沿视线测量距离，测距大于100米，采样速率1000点/秒以上；（3）立体相机和机构化光源技术：通过获得两条光线信息，建立立体投影关系。适用于近距离测量，测量范围在20米内，采样点速率100点/秒。地面式三维激光扫描仪按扫描方式•目前，大多数激光扫描仪所采用的工作方式是脉冲激光测距的方法，采用无接触式高速激光测量，以点云形式获取扫描物体表面阵列式几何图形的三维数据。该类仪器主要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统，同时集成数字摄影和仪器内部校正等系统。常见的ILRIS3D，HDS2500，LMS-Z210，GS100和GS200等扫描系统都采用这种工作方式。地面型三维激光扫描系统•整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成。它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终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成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。•目前阶段，需要通过两种类型的软件才能使三维激光扫描仪发挥其功能：一类是扫描仪的控制软件；另一类是数据处理软件。前者通常是扫描仪随机附带的操作软件，既可以用于获取数据，也可以对数据进行相应处理，如Riegi扫描仪附带的软件RiSCANPro；而后者多为第三方厂商提供，主要用于数据处理。Optech三维激光扫描仪所用数据处理软件为Polyworks10.0。地面激光扫描仪系统组成与坐标系地面激光扫描仪测量的基本原理地面三维激光测量技术——工作流程察看现场及测量项目规划点云数据的拼接室内工作：三维数据的处理外业现场扫描控制网建立记录测量过程作业面划分扫描设站的选择靶标的布设扫描参数的设置三维激光扫描测量三维激光扫描技术认识三维激光扫描仪地面式三维激光扫描三维建模的步骤激光扫描技术的应用三维建模的步骤：噪声去除•指除去点云数据中扫描对象之外的数据•在扫描过程中，由于某些环境因素的影响，比如移动的车辆、行人及树木等，也会被扫描仪采集。这些数据在后处理就要删除。多视对齐•指由于被测件过大或形状复杂，扫描时往往不能一次测出所有数据，而需要从不同位置、多视角进行多次扫描，这些点云就需要对齐、拼接称为多视对齐。•点云对齐、拼接可以通过在物体表面布设同名控制点来实现。数据精简•指的是由于点云数据是海量数据，在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下需要对数据进行精简。•常用的精简方法：平均精简、按距离精简曲面重构•为了真实地还原扫描日标的本来面日，需要将扫描数据用准确的曲面表示出来，这个过程叫曲面重构三维建模•经过曲面重构后，就可以进行三维建模，还原扫描日标的本来面日三维激光扫描测量三维激光扫描技术认识三维激光扫描仪地面式三维激光扫描三维建模的步骤激光扫描技术的应用激光扫描技术的应用——测绘工程领域•大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。激光扫描技术的应用——结构测量方面•桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量；管道、线路测量、各类机械制造安装。激光扫描技术的应用——建筑、古迹测量方面•建筑物内部及外观的测量保真、古迹（古建筑、雕像等）的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。激光扫描技术的应用——紧急服务业•反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，灾害预警和现场监测，核泄露监测。激光扫描技术的应用——采矿业•在露天矿及金属矿井下作业，以及一些危险区域人员不方便到达的区域。例如：塌陷区域、溶洞、悬崖边等进行三维扫描。激光扫描技术的应用——娱乐业•用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行的设计，3D游戏的开发，虚拟博物馆，虚拟旅游指导，人工成像，场景虚拟，现场虚拟。