激光扫描技术及其应用

郑重申明本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：日期：摘要激光扫描技术是一种新兴空间信息获取技术，作为获取空间数据的有效手段，以其快速、精确、无接触测量等优势在众多领域发挥着越来越重要的作用，尤其是在测绘领域，其在变形监测、3D数字城市、地图测量等等上的快速、良好运用，给测绘又带来了一次技术变革。随着对激光扫描技术的研究进一步深入，其应用领域将更加广泛。本文是一篇研究激光扫描技术及其若干应用的文章，主要从激光的原理和特性入手，来阐述激光扫描仪，包括对激光扫描仪的原理、特点进行叙述，以及激光扫描仪与传统测绘技术的对比，接着重点介绍地面三维激光扫描仪，包括对地面三维激光扫描仪的原理、分类、精度影响因素等等说明，同时列举了地面三维激光扫描仪在公路建模上的一个运用，进行最后是对激光扫描仪的总结和展望。关键词：信息技术、激光、激光扫描测量、激光扫描技术、地面激光扫描仪、点云数据ABSTRACTAsgetspatialdataeffectivemeans,laserscanningtechnologyisonekindofemergingspatialinformationacquisitiontechnology,withitsrapid,accurate,non-contactmeasurementinmanyfieldssuchasadvantageisplayingmoreandmoreimportantrole,especiallyinsurveyingandmappingdomain,itsdeformationmonitoring,3Ddigitalcity,mapmeasurement,etcbytherapid,gooduseofsurveyingandmapping,tobringatechnologicalchangeagain.Withthestudyoflaserscanningtechnique,itsapplicationfieldfurtherwillbemorewidely.Thispaperisastudylaserscanningtechnologyandsomeapplicationarticles,mainlyfromtheprincipleandcharacteristicsoflaser,expoundedthelaserscanner,includinglaserscannerprinciple,characteristics,andlaserscannerdescriptionwithtraditionalmappingtechnologycontrast,thenintroducedtheground3dlaserscanner,includingground3dlaserscannerprinciple,classification,precisioninfluencefactorsandsoon,andenumeratedthegroundthat3dlaserscannerinahighwaymodelingtoapply,finalissummarizedandprospectsoflaserscanner.Keywords：Informationtechnology,laser,laserscanningmeasurement,laserscanningtechnology,groundlaserscanner,thepointclouddata目录第一章绪论...................................................11.1研究背景.................................................11.2研究意义................................................21.2.1达到的目的........................................21.2.2选题的意义........................................21.3发展现状.................................................21．3．1国外的研究介绍...................................21．2．2国内研究简介.....................................51.4主要研究内容.............................................6第二章激光扫描技术...........................................72.1激光.....................................................72.1.1激光原理...........................................72.1.2激光的特性.........................................82.2激光雷达（LIDAR）........................................82.2.1激光雷达工作原理...................................92.2.2激光雷达技术优势...................................92.2.3激光雷达技术应用现状..............................102.3激光扫描仪的原理........................................112.3.1激光扫描方式......................................112.3.2激光扫描仪的测量原理..............................122.4激光扫描仪种类..........................................132.5机载型激光扫描仪........................................142.6激光扫描仪的特点........................................152.7激光扫描技术与传统测量技术的区别........................16第三章地面激光扫描仪.......................................173.1地面激光扫描仪的原理....................................173.2地面激光扫描仪与靶标....................................183.3地面激光扫描仪的分类....................................203.3.1基于测距方式的分类................................203.3.2基于与相机组合方式的分类..........................213.4地面激光扫描仪的方法和数据处理.........................223.4.1地面激光扫描仪的方法..............................223.4.2地面激光扫描仪的数据处理.........................233.5影响地面激光扫描仪精度的因素............................253.5.1角度测量..........................................253.5.2距离测量..........................................253.5.3分辨率............................................253.5.4边缘效应..........................................263.5.5反射特性..........................................263.5.6环境条件..........................................263.6地面激光扫描仪应用实例..................................263.6.1数据采集..........................................263.6.2数据处理及结果....................................273.7地面激光扫描仪的应用....................................29第四章总结与展望...........................................324.1总结....................................................324.2展望....................................................32参考文献......................................................34致谢.........................................错误!未定义书签。1第一章绪论1.1研究背景随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现，人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法，在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量，GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标，但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展，基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流，但它在由三维世界转换为二维影像的过程中，不可避免地会丧失部分几何信息，所以从二维影像出发理解三维客观世界，存在自身的局限性。因此，上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求，如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段，为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代，随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降，它在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够对任意物体进行扫描，且没有白天和黑夜的限制，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描仪产品。21.2研究意义1.2.1达到的目的我们做毕业设计后，应该能够达到如下要求：1