文獻(xiàn)檢索 三維激光掃描技術(shù)及應(yīng)用

1、文獻(xiàn)檢索報(bào)告單課題名稱：三維激光掃描系統(tǒng)研究及應(yīng)用院 系： 光電工程學(xué)院 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 成 績(jī)： 2012年 10月 26日 姓名：_ _ 學(xué)號(hào)：_ _ 班級(jí)：_ _  成績(jī)：_課題：三維激光掃描系統(tǒng)研究及應(yīng)用檢索工具一：名稱： 三維激光掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)研究 網(wǎng)址： 20:8002/kns50/detail.aspx?dbname=CDFD2007&filename=2007078661.nh類型： 博士論文 檢索途徑： 中國(guó)知網(wǎng)檢索詞： 三維激光掃描（3D laser scanning）、技術(shù)(technology

2、)、原理（principle）檢索結(jié)果記錄：摘要：為獲取三維數(shù)據(jù)信息及對(duì)所獲得的三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，首先介紹了陜西科技大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室三維激光掃描系統(tǒng)的組成及工作原理，對(duì)三維激光掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)如攝像機(jī)標(biāo)定、影響測(cè)量精度因素、散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的消除以及點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮問題的研究進(jìn)行了概述，并指出該技術(shù)的應(yīng)用在某些方面還需進(jìn)一步完善和改進(jìn)。0 引 言隨著圖形應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，如何將現(xiàn)實(shí)世界的立體信息快速的轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)成了人類追求的一個(gè)目標(biāo)。三維激光掃描技術(shù)是整個(gè)三維數(shù)據(jù)獲取和重構(gòu)技術(shù)體系中最新的技術(shù)該技術(shù)以獲取被測(cè)物體三維輪廓數(shù)據(jù)為目的，主要包括數(shù)據(jù)測(cè)量與數(shù)據(jù)后續(xù)處理，與傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)

3、手段有很大的區(qū)別。它能夠快速獲取物體表面每個(gè)采樣點(diǎn)的空間位置坐標(biāo)，然后借助于計(jì)算機(jī)軟件處理，用點(diǎn)、線、多邊形、曲線、曲面等形式將立體模型描述出來(lái)，便可以重建出實(shí)體的表面模型。三維激光掃描技術(shù)真正做到了直接從實(shí)物進(jìn)行快速的逆向三維數(shù)據(jù)采集及模型重構(gòu)，即從二維到三維的全景三維實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)重構(gòu)。伴隨著光電傳感器件以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日趨成熟，其技術(shù)也得到了不斷的豐富和發(fā)展，越來(lái)越廣泛的應(yīng)用對(duì)該技術(shù)的發(fā)展也提出了更高的要求。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高效率、低成本、高精度、高質(zhì)量的空間數(shù)據(jù)采集、處理，協(xié)同GPS 定位技術(shù)應(yīng)用可以解決一直困擾中國(guó)數(shù)字化信息采集的難題。1 三維激光掃描系統(tǒng)的組成(1) 三維激光掃描

4、儀：本實(shí)驗(yàn)中選擇功率為3 mW 的半導(dǎo)體砷化鎵激光器。掃描儀使用高30 cm，寬度1 mm 長(zhǎng)度200cm 左右的激光面(又稱激光刀)取代點(diǎn)激光測(cè)距中的點(diǎn)激光。激光面和物體交會(huì)可生成一條測(cè)線。這條測(cè)線相當(dāng)于5001024 個(gè)激光點(diǎn)，因而從理論上說(shuō)可以提高采樣速度5001024 倍。(2) 視頻采集卡(即圖像采集卡)：視頻采集卡是系統(tǒng)中非常重要的部件，它將CCD 送出的視頻信號(hào)先進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，再輸出YUV 信號(hào)并壓縮。本系統(tǒng)視頻采集部分不僅接收攝像系統(tǒng)傳來(lái)的視頻信號(hào)，還要接受載有方位角信息的脈沖信號(hào)，從中分離出同步信號(hào)、像點(diǎn)信號(hào)和方位角信號(hào)。(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：這個(gè)系統(tǒng)主要完成對(duì)視頻采集系統(tǒng)

5、送來(lái)的信號(hào)的精密測(cè)量，高速存貯，并在適當(dāng)時(shí)候由主處理機(jī)取回?cái)?shù)據(jù)，形成物體的三維數(shù)據(jù)供后續(xù)處理用。(4)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)：平臺(tái)能夠在指令控制下平穩(wěn)地啟動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)，平臺(tái)上設(shè)置的方位角傳感器可以產(chǎn)生方位角脈沖信號(hào)。(5)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)：電腦主機(jī)采用IBMPC Pentium2.8G，120G高速硬盤，1GDDR內(nèi)存的配置，由接口、總線以及專用板卡把系統(tǒng)其它部分聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡控制機(jī)械轉(zhuǎn)臺(tái)的起停、轉(zhuǎn)速，通過(guò)圖像采集卡從CCD 攝像機(jī)采集圖像。圖像處理、數(shù)值計(jì)算等工作也都在主機(jī)上完成。2 三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理本系統(tǒng)z 軸方向上固定攝像機(jī)和激光器，可以作上下移動(dòng)，激光器固定于傳感器中央，半導(dǎo)體激

6、光器直接投射出線結(jié)構(gòu)光到物體表面，與物體表面相交成一光條，激光器兩旁固定兩臺(tái)攝像機(jī)用來(lái)攝取光條圖像(如圖2 所示)。x 軸和y 軸方向可以作平行工作臺(tái)的x、y 方向移動(dòng)。三維激光掃描的基本思想是用具有特殊結(jié)構(gòu)形狀的激光光源投射到待測(cè)物體上，形成光條紋，然后用左右兩側(cè)的攝像機(jī)拍攝的圖像提取激光條紋的三維信息，激光發(fā)生器和左右攝像機(jī)同步圍繞被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)，從而快速獲取被測(cè)物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。陜西科技大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室三維激光掃描系統(tǒng)采用一套快速采集物體表面數(shù)據(jù)的硬件系統(tǒng)電路，與計(jì)算機(jī)相連即可實(shí)時(shí)處理來(lái)自左右攝像機(jī)輸出的視頻信號(hào)，獲取被測(cè)物體的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。工作時(shí)先確定掃描速度，根據(jù)零件大小確定掃描

7、的輪廓等參數(shù)，然后在計(jì)算機(jī)控制下按一定的路徑掃描，由攝像頭獲取的圖片在計(jì)算機(jī)中經(jīng)過(guò)細(xì)化、離散等處理得到空間的三維坐標(biāo)點(diǎn)，最后對(duì)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)云過(guò)濾、擬合生成三維圖形。傳感器前方固定了一個(gè)電控平移臺(tái)，通過(guò)調(diào)整傳感器的位置，保證投射光平面垂直于電控平移臺(tái)的移動(dòng)方向。在電控平移臺(tái)上固定一個(gè)電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)，掃描時(shí)，將被測(cè)物體放在電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)送信號(hào)至控制箱，從而控制電控平移臺(tái)和電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)按照一定的運(yùn)動(dòng)流程移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，形成光平面相對(duì)于物體的掃描運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到測(cè)量物體表面3D輪廓的目的。最后，系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)采集器送來(lái)的物體外型輪廓線的原始數(shù)據(jù)和方位角數(shù)據(jù)，計(jì)算出物體輪廓線的三維坐標(biāo)，按用戶數(shù)

8、控加工的要求輸出精確的物體外形三維數(shù)據(jù)文件和三維數(shù)控加工文件。3 三維激光掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)研究3.1 攝像機(jī)標(biāo)定攝像機(jī)標(biāo)定就是從CCD 攝像機(jī)獲取的圖像信息出發(fā)來(lái)計(jì)算三維空間中物體的幾何信息，并由此重建和識(shí)別物體。而空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下這些參數(shù)必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，這個(gè)過(guò)程被稱為是攝像機(jī)標(biāo)定。攝像機(jī)標(biāo)定一直是三維激光掃描系統(tǒng)乃至整個(gè)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)研究中的關(guān)鍵問題2。攝像機(jī)標(biāo)定過(guò)程實(shí)際上是三維視覺模型重建的過(guò)程，也是確定攝像機(jī)外部參數(shù)(包括攝像機(jī)相對(duì)世界坐標(biāo)的位置及方

9、向的參數(shù))和內(nèi)部參數(shù)(包括內(nèi)部幾何參數(shù)及光學(xué)參數(shù)) 的過(guò)程。其標(biāo)定的目的是建立物體的三維世界坐標(biāo)和計(jì)算機(jī)采集到與其對(duì)應(yīng)的二維圖像坐標(biāo)之間的關(guān)系。這種關(guān)系的建立，使得我們可以通過(guò)采集的二維圖像來(lái)恢復(fù)物體的三維信息。目前，根據(jù)應(yīng)用背景的不同，計(jì)算機(jī)視覺標(biāo)定方法主要可以分為傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法和自標(biāo)定方法：前者依賴于已知尺寸和形狀的標(biāo)定物計(jì)算攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)，這個(gè)已知尺寸和形狀的標(biāo)定物稱為標(biāo)定標(biāo)靶或者標(biāo)定塊。一般而言，用于攝像機(jī)標(biāo)定的標(biāo)定塊上的特征點(diǎn)的世界坐標(biāo)已知(在實(shí)踐中應(yīng)該是容易測(cè)定的)，特征點(diǎn)的圖像坐標(biāo)容易求取。后者利用攝像機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中周圍環(huán)境的圖像與圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。它是種

10、新興的標(biāo)定方法，其漸漸成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在許多特定領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間，如通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)等。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)攝像機(jī)標(biāo)定方法應(yīng)用在場(chǎng)合所要求的精度很高且攝像機(jī)的參數(shù)不經(jīng)常變化時(shí)。自標(biāo)定方法在標(biāo)定過(guò)程中尚有不足之處，如在某些情況下，自標(biāo)定技術(shù)得到的解不是惟一的，即使在圖像噪聲很小時(shí)，求解的值與實(shí)際值也有較大的差別，故不適合高精度的三維反求應(yīng)用。3.2 測(cè)量精度精度是決定一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)劣的主要因素之一。影響三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量精度的因素較多，主要有離散誤差、環(huán)境光背景噪聲、特征提取的精度、鏡頭畸變(由于攝像機(jī)光學(xué)系統(tǒng)存在裝配誤差和加工誤差，使得物體點(diǎn)在攝像機(jī)圖像平面上

11、實(shí)際所成的像與理想成像之間存在光學(xué)畸變，物體點(diǎn)在攝像機(jī)成像面上實(shí)際所成的像與理想成像之間存在有光學(xué)畸變誤差)、標(biāo)定誤差、表面散斑、攝像頭景深、圖像中心偏移、圖像信號(hào)的穩(wěn)定性以及雙攝像機(jī)的安裝裝置對(duì)精度的影響等方面。其中以標(biāo)定誤差、鏡頭景深(一般對(duì)景深影響的因素主要有光圈、攝距與焦距)的影響為最大。鑒于以上各種因素的影響，為了提高三維激光掃描系統(tǒng)的精度，目前采用的措施有：圖像的亞像素提取技術(shù)，提高視覺傳感器的分辨能力(系統(tǒng)分辨率越高，越能真實(shí)反映物體表面細(xì)節(jié)，但是過(guò)高的水平和深度分辨率會(huì)對(duì)CCD 攝像頭和圖像采集卡提出更高的要求，而過(guò)高的垂直分辨率會(huì)導(dǎo)致掃描時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或使同步掃描系統(tǒng)速度太快，由此

12、而來(lái)，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量太大，數(shù)據(jù)處理速度緩慢。因此，系統(tǒng)分辨率的確定必須考慮現(xiàn)有常用CCD 和圖像卡的分辨率及掃描系統(tǒng)的掃描速度)；改進(jìn)標(biāo)定模型和標(biāo)定方法降低標(biāo)定誤差(主要是攝像機(jī)的標(biāo)定)；嘗試不同的硬件和結(jié)構(gòu)提高鏡頭的景深。3.3 散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的消除在三維激光掃描過(guò)程中，由于雜散光、背景光或者CCD內(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲、電噪聲、圖像采集卡本身和信號(hào)在電子電路傳輸過(guò)程中帶來(lái)的隨機(jī)噪聲，還有運(yùn)行中其它一些意外因素的影響都會(huì)給采集的圖像質(zhì)量帶來(lái)很大的影響，因此激光掃描到的數(shù)據(jù)點(diǎn)可能會(huì)重疊，也可能會(huì)有少部分的無(wú)用點(diǎn)，即噪聲點(diǎn)，并且這些點(diǎn)都是沒有規(guī)律且具有散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的性質(zhì)。噪聲點(diǎn)依據(jù)其性質(zhì)可以分為兩大類：

13、一類是不想被掃描的物體而被掃描儀獲取的點(diǎn)集；另一類是被掃描目標(biāo)物體上位置有偏差或位置不合理的點(diǎn)集。前者應(yīng)被刪除，后者則應(yīng)該側(cè)重調(diào)整噪聲點(diǎn)的位置。另外，點(diǎn)的密度也在隨著物體的梯度和CCD 的位置而變化。由于這些不屬于掃描實(shí)物的本身的數(shù)據(jù)也被記錄到了數(shù)據(jù)文件中，必須先予以刪除。從實(shí)際掃描數(shù)據(jù)的分析中發(fā)現(xiàn)，散亂數(shù)據(jù)一般都是孤立的數(shù)據(jù)點(diǎn)或數(shù)據(jù)點(diǎn)列，其周圍缺乏必要的與其它數(shù)據(jù)點(diǎn)的聯(lián)系，所以設(shè)計(jì)一個(gè)小型滑動(dòng)窗，以每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心，調(diào)整一定的距離閾值，判斷其相鄰的數(shù)據(jù)行上的點(diǎn)是否在此閾值之內(nèi)，如果在，則表明此數(shù)據(jù)點(diǎn)在物體掃描數(shù)據(jù)的聚集中，保留此數(shù)據(jù)點(diǎn)，反之，則刪除。圖3為在理想的數(shù)據(jù)點(diǎn)中添加了雜散點(diǎn)的坐標(biāo)

14、圖，從圖中可以看出，在圓周數(shù)據(jù)點(diǎn)周圍含有一些雜散點(diǎn)。3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮處理在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，壓縮技術(shù)對(duì)于提高工作效率及降低硬盤空間成本都是具有極其現(xiàn)實(shí)的意義。采用激光掃描法采集的數(shù)據(jù)量往往十分密集9，數(shù)據(jù)量一般都在數(shù)兆字節(jié)，甚至達(dá)數(shù)十兆字節(jié)，即使處理了噪聲點(diǎn)，數(shù)據(jù)量仍然很大，這樣的數(shù)據(jù)通常形象的被稱為“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。一般不會(huì)直接使用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線或曲面的重構(gòu)，因?yàn)槟菢幼?，?huì)使計(jì)算效率大大降低，消耗更多內(nèi)存，而且重構(gòu)出的曲線、曲面的精度并不一定高，甚至誤差會(huì)很大。隨著測(cè)量精度要求的提高，三維激光掃描儀獲取的很多“點(diǎn)云”數(shù)目包含大量的冗余數(shù)據(jù)，因此要對(duì)“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選壓縮處理。一般的篩選壓縮

15、方法就是設(shè)定一個(gè)最小距離，然后沿掃描線方向比較相鄰兩點(diǎn)的距離，小于閾值的就刪除；還可以連接掃描線首末兩點(diǎn)，從中間點(diǎn)中選取與兩點(diǎn)距離最接近的點(diǎn)作為中斷點(diǎn)，然后以第一點(diǎn)與中間點(diǎn)之間、中間點(diǎn)與最后一點(diǎn)之間重復(fù)上述過(guò)程，知道所求的距離小于某一固定閾值中止，將點(diǎn)排序即可。還有人采用了斜率法和曲率不連續(xù)法用于數(shù)據(jù)點(diǎn)的判斷篩選，并應(yīng)用到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)中。4 結(jié)束語(yǔ)三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題，由于該技術(shù)在我國(guó)剛剛起步，為實(shí)現(xiàn)研究的完整性，進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用水平，包括測(cè)量速度、精度、操作方便性，以及彩色信息匹配的準(zhǔn)確程度等，所以在以下方面還需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)：(1)進(jìn)一步改進(jìn)標(biāo)定方法，對(duì)

16、標(biāo)定計(jì)算進(jìn)行誤差修正，提高系統(tǒng)三維測(cè)量的精度。(2)做到系統(tǒng)小型化，能夠自由攜帶。(3)選配不同焦距的鏡頭以便適應(yīng)不同大小及形狀的掃描工件。(4)應(yīng)繼續(xù)開拓視覺測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域。比如在線的質(zhì)量控制，產(chǎn)品檢測(cè)以及三維仿真等方面的應(yīng)用。但從需求上來(lái)說(shuō)，三維激光掃描技術(shù)發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮模鼘⒊粩嗵岣呔?、靈活性、易用性的方向發(fā)展。參考文獻(xiàn):1 花向紅,馬立廣.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究D.武漢:武漢大學(xué),2005.2 謝勇輝.三維激光掃描系統(tǒng)的標(biāo)定自動(dòng)化技術(shù)及精度研究D.武漢:華中科技大學(xué),2004.3 孫長(zhǎng)庫(kù),陶立.彩色三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究D.天津:天津大學(xué),2005.4 王建宇

17、,袁夏.三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用技術(shù)D.南京:南京理工大學(xué),2006.5 謝勇輝.三維激光掃描系統(tǒng)的標(biāo)定自動(dòng)化技術(shù)及精度研究D.武漢:華中科技大學(xué),2004.6 杜樸.三維人體輪廓數(shù)字化及尺寸測(cè)量技術(shù)研究D.天津:天津大學(xué),2006.7 葛寶臻,孫明睿.三維數(shù)字可視化技術(shù)的研究D.天津:天津大學(xué),2004.8 胡勇,王從軍.基于計(jì)算機(jī)視覺的三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)J.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(1):16-18.9 董明曉,鄭康平,姚斌.曲面重構(gòu)中點(diǎn)云數(shù)據(jù)的壓縮處理研究J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2004(5):67-70.10 陶立,孫長(zhǎng)庫(kù).基于結(jié)構(gòu)光掃描的彩色三維信

18、息測(cè)量技術(shù)J.光電子·激光,2006,17(1):111-114.檢索工具二：名稱： 探討三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 網(wǎng)址： 類型： 會(huì)議論文 檢索途徑： 百度搜索引擎 檢索詞： 三維激光掃描（3D laser scanning）、應(yīng)用（application）、技術(shù)(technology)檢索結(jié)果記錄：摘要：三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測(cè)繪技術(shù)，被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。通過(guò)河傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)的比較，介紹了三維激光掃描儀的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)，探討了三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)果表明：三維激光掃描技術(shù)，拓寬了測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用范圍。隨著對(duì)三維激光掃描技術(shù)的深入研究，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹?lái)越廣闊。1 引

19、言近些年來(lái)，隨著工程測(cè)量服務(wù)領(lǐng)域的不斷拓寬及三維設(shè)計(jì)制造對(duì)測(cè)量精度的要求，傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器如全站儀、斷面儀等已經(jīng)不能滿足高精度的三維坐標(biāo)采集和“逆向工程”的需要。相比這些傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)具有極大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是在數(shù)據(jù)采集方面，具有高效、快捷、精確、簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。2 三維激光掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)，采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，來(lái)獲取地形或復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)，最終通過(guò)后處理軟件對(duì)采集的云點(diǎn)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型，以多種不同的數(shù)據(jù)格式輸出，來(lái)滿足空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。2.1系統(tǒng)組成（1

20、）三維激光掃描儀；（2）數(shù)碼相機(jī)；（3）后處理軟件；（4）電源及附屬設(shè)備。2.2 工作原理三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過(guò)被測(cè)目標(biāo)信號(hào)接收器接收來(lái)自目標(biāo)體反射回來(lái)的激光脈沖，通過(guò)每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角nr和豎向掃描角p，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)(云點(diǎn))，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。2.3三維激光掃描技術(shù)特點(diǎn)三維激光掃描技術(shù)，具有精度高、速度快、分辨率高、非接觸式、兼容性好等優(yōu)勢(shì)，被

21、譽(yù)為“測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命”。通過(guò)與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，如全站儀、近景攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量等類比分析，主要有以下特點(diǎn)：1)非接觸式。三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，不需反射棱鏡，直接對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面云點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣、人員無(wú)法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法完成，此時(shí)三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。2)數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)。三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機(jī)、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)

22、展性。3)高分辨率。三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。4)應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)。由于其良好的技術(shù)特點(diǎn)，在工程建設(shè)各領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。對(duì)使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適合野外測(cè)量。3三維激光掃描技術(shù)由于三維激光掃描儀技術(shù)特別適合于對(duì)大面積的、表面復(fù)雜的物體進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，所以其應(yīng)用范圍極廣。3.1文物修復(fù)對(duì)受損的文物進(jìn)行修復(fù)時(shí)，要求無(wú)接觸測(cè)量，傳統(tǒng)測(cè)量無(wú)法勝任，但現(xiàn)在可充分利用激光掃描儀的非接觸測(cè)量特點(diǎn)以及高分辨率和高精度云點(diǎn)數(shù)據(jù)，獲取建筑物表面的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提供修復(fù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，對(duì)文物進(jìn)行修復(fù)。3.2邊坡變形監(jiān)測(cè)三維激光掃描技術(shù)可以獲取高密度

23、、高精度的三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此，對(duì)邊坡的變形監(jiān)測(cè)能反映坡體的總體變形趨勢(shì)和量級(jí)。其操作過(guò)程是對(duì)邊坡定期進(jìn)行掃描，將前、后兩次掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)疊加在一起，然后由處理軟件分析前、后兩次點(diǎn)云數(shù)據(jù)的差別，從而得出邊坡的變形趨勢(shì)和量級(jí)。3.3開采沉陷監(jiān)測(cè)由于三維激光掃描技術(shù)具有快捷、高分辨率、高精度等特點(diǎn)，在進(jìn)行開采沉陷監(jiān)；則是，可以對(duì)地表的移動(dòng)進(jìn)行觀測(cè)，可以快速獲得整個(gè)目標(biāo)區(qū)域的空間位置及垂直相對(duì)位置的變化從而確定整個(gè)地表移動(dòng)區(qū)域的下沉情況。34城鎮(zhèn)地籍測(cè)量在以往的城鎮(zhèn)地籍測(cè)量中，調(diào)查結(jié)果多為圖件和報(bào)表形式。可用性差。而三維激光掃描儀能夠生成形象的三維圖像，對(duì)獲取的三維云點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，方便在電腦上進(jìn)行量測(cè)

24、，精度也有了較大的提高。當(dāng)然，以上只是其部分應(yīng)用。由于其良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在逆向工程、數(shù)字城市、工業(yè)測(cè)量、醫(yī)學(xué)測(cè)量等不同領(lǐng)域均能得到很好的應(yīng)用。4 總 結(jié)由于三維激光掃描技術(shù)具有良好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已成為目前測(cè)繪領(lǐng)域的個(gè)新的熱點(diǎn)。雖然針對(duì)蘭維激光掃描系統(tǒng)的應(yīng)用研究還處于初級(jí)階段，但已在工程建設(shè)中得到了很好的應(yīng)用。隨著研究的深入及與其他測(cè)量技術(shù)的結(jié)合，三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。參考文獻(xiàn)1李秋，秦永智，李宏英激光三維掃描技術(shù)在礦區(qū)地表沉陷監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究J.煤炭工程，20062趙威成，裴亮Cyrax2500三維激光掃描系統(tǒng)在建筑中的應(yīng)用田礦山測(cè)量20063劉正軍，錢建國(guó)，張正鵬，王堅(jiān)三維激光掃描

25、數(shù)據(jù)獲取高分辨率DTM試驗(yàn)研究J.測(cè)繪科學(xué)，20064沈迪宸.我國(guó)工程溺4量的發(fā)展趨勢(shì)與對(duì)策田地理信息世界，1998檢索工具三：名稱：基于單次三維激光掃描的樹木測(cè)量和重建方法 網(wǎng)址：類型： 發(fā)明專利 檢索途徑： 中國(guó)科學(xué)院知識(shí)產(chǎn)權(quán)網(wǎng) 檢索詞： 三維激光掃描（3D laser scanning）、應(yīng)用（application）、專利（patent）檢索結(jié)果記錄：申請(qǐng)?zhí)朇N200810056259.2專利名稱基于單次三維激光掃描的樹木測(cè)量和重建方法申請(qǐng)日2008.01.16公開（公告）號(hào)CN101488226公開（公告）日2009.07.22申請(qǐng)（專利權(quán)）人中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所申請(qǐng)人地址1000

26、80北京市海淀區(qū)中關(guān)村東路95號(hào)發(fā)明人張曉鵬;程章林專利類型發(fā)明專利IPC主分類號(hào)G06T11/00(2006.01)IIPC分類號(hào)G06T11/00(2006.01)I;G06T17/00(2006.01)I;G06K9/36(2006.01)I摘要本發(fā)明一種基于單次三維激光掃描的樹木測(cè)量和重建方法，涉及計(jì)算機(jī)圖形和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，包括步驟：數(shù)據(jù)預(yù)處理，軸向估計(jì)，三維骨架計(jì)算，三維模型生成。本發(fā)明的方法僅利用激光掃描儀單次掃描數(shù)據(jù)得到忠實(shí)于原始樹木的枝干形狀和半徑信息，方法主要操作在二維圖像空間進(jìn)行，算法簡(jiǎn)單有效，重建結(jié)果準(zhǔn)確，在虛擬現(xiàn)實(shí)、電腦游戲、自然場(chǎng)景模擬、城市景觀設(shè)計(jì)等計(jì)算機(jī)圖形學(xué)應(yīng)

27、用領(lǐng)域和農(nóng)林業(yè)調(diào)查、樹木測(cè)量等鄰域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。主權(quán)項(xiàng)1. 一種基于單次三維激光掃描的樹木測(cè)量和重建方法，其特征在于，包括下列步驟： 1)數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括兩個(gè)子步驟： a)感興趣樹木的分割：選擇合適的視點(diǎn)用激光掃描儀對(duì)樹木進(jìn)行三維測(cè)量，使用聚類方法從掃描得到的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中將感興趣的樹木分割出來(lái)； b)生成樹木深度圖像：將上一步得到的樹木點(diǎn)云表示為深度圖像格式，圖像中各像素點(diǎn)的次序與掃描次序相同，像素的深度值對(duì)應(yīng)各點(diǎn)到掃描儀的距離； 2)軸向估計(jì)，包括五個(gè)子步驟： a)跳躍邊緣提?。菏褂脺箝撝堤崛∩疃葓D像的跳躍邊緣，初步分離不同的枝干； b)初始骨架提?。呵笕∩弦徊椒蛛x枝干在各水平、豎

28、直掃描線方向上的中點(diǎn)及到邊緣的距離，去除非骨架點(diǎn)后得到水平、豎直方向上兩套獨(dú)立的初始骨架點(diǎn)； c)枝干分解：根據(jù)上一步初始骨架點(diǎn)的連續(xù)性在水平、豎直方向上分解樹木枝干，使得每一區(qū)域僅包含一個(gè)枝干或枝干的一部分； d)初始軸向計(jì)算：在初始骨架點(diǎn)的鄰域內(nèi)進(jìn)行快速圓柱擬合求取該點(diǎn)處的軸向； e)軸向求精：綜合兩套初始骨架點(diǎn)及其鄰域內(nèi)的軸向，利用投票技術(shù)得到更準(zhǔn)確更魯棒的軸向信息； 3)三維骨架計(jì)算，包括兩個(gè)子步驟： a)三維骨架點(diǎn)及半徑求?。焊鶕?jù)上一步求得的軸向信息在各橫截面上計(jì)算三維骨架點(diǎn)及半徑； b)骨架點(diǎn)連接：按照各骨架點(diǎn)在三維空間及深度圖像空間的位置、軸向信息連接相鄰的骨架點(diǎn)，形成分段線性骨

29、架； 4)三維模型生成，由上一步得到的骨架和半徑信息生成廣義圓柱模型；分級(jí)骨架模型和廣義圓柱模型可以用于樹木測(cè)量，把廣義圓柱模型離散為網(wǎng)格模型，用于渲染。代理機(jī)構(gòu)名稱中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司代理人姓名周國(guó)城法律狀態(tài)公告日2009.09.16法律狀態(tài)實(shí)質(zhì)審查的生效法律狀態(tài)信息實(shí)質(zhì)審查的生效法律狀態(tài)公告日2009.07.22法律狀態(tài)公開法律狀態(tài)信息公開檢索工具四：名稱：三維激光掃描測(cè)量技術(shù)在海港礁石區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用 網(wǎng)址：20:8002/kns50/detail.aspx?dbname=CJFDTEMP&filename=GAOG201204022類

30、型： 期刊 檢索途徑： 中國(guó)知識(shí)資源總庫(kù) 檢索詞： 三維激光掃描（3D laser scanning）、應(yīng)用（application）檢索結(jié)果記錄：摘要：三維激光掃描測(cè)量具有速度快、點(diǎn)位精度高、采集數(shù)據(jù)完整等特點(diǎn)，可用傳統(tǒng)測(cè)量方法不能測(cè)及的區(qū)域。重點(diǎn)介紹地面型三維激光掃描測(cè)量的工作原理和測(cè)量步驟，并結(jié)合工程實(shí)例就三維激光掃描測(cè)量與近景攝影測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)、測(cè)量精度等進(jìn)行分析比較，可供同類工程參考。1 引 言沿海港口工程中常遇到對(duì)船舶進(jìn)出港威脅極大的礁石， 礁石區(qū)的海底地形測(cè)量通常采用船載定位儀和測(cè)深儀利用高潮時(shí)段進(jìn)行， 低潮時(shí)由人工采用全站儀或GPS 定位儀對(duì)船舶不能到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)測(cè)。有些礁石區(qū)

31、即使在最高潮時(shí)也不能完全淹沒，低潮時(shí)由于風(fēng)浪太大測(cè)量人員也無(wú)法登上礁石，采用常規(guī)手段根本無(wú)法施測(cè)。港口工程的設(shè)計(jì)和施工均需要準(zhǔn)確的礁石區(qū)位置和高程信息， 以便制定炸礁方案、準(zhǔn)確計(jì)算炸礁方量，顯然采用常規(guī)測(cè)量手段很難達(dá)成目標(biāo)。隨著測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展， 現(xiàn)有的激光三維掃描儀可采用非接觸方式進(jìn)行測(cè)量， 具有采集數(shù)據(jù)速度快、點(diǎn)位精度高、分辨率較高和數(shù)據(jù)完整性好等特點(diǎn)， 將激光三維掃描測(cè)量技術(shù)用于人員無(wú)法到達(dá)的礁石、危崖等區(qū)域，可以解決對(duì)此類區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的難題。2 三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用2.1 三維激光掃測(cè)的實(shí)施步驟1）控制測(cè)量：為得到測(cè)量坐標(biāo)系下礁石區(qū)的地形數(shù)據(jù)就必須進(jìn)行控制測(cè)量， 這是將各測(cè)

32、站的獨(dú)立坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一測(cè)量坐標(biāo)的前提。設(shè)置控制點(diǎn)時(shí)應(yīng)有利于標(biāo)靶的擺放、定向、檢查和掃描，要根據(jù)激光掃描儀的有效測(cè)量距離和地形條件確定控制點(diǎn)間距。為保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的有效拼接與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換， 每個(gè)測(cè)區(qū)至少要設(shè)置3 個(gè)以上且不在同一直線上的平面高程控制點(diǎn)， 同時(shí)還應(yīng)有至少1 個(gè)富余控制點(diǎn)用于檢查和評(píng)價(jià)測(cè)量成果的精度?？刹捎肎PS 靜態(tài)測(cè)量或?qū)Ь€測(cè)量獲得控制點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)， 采用水準(zhǔn)測(cè)量或三角高程測(cè)量獲得控制點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)。2）地形掃描：可采用自由設(shè)站方式架設(shè)激光掃描儀，或?qū)x器架設(shè)在已知點(diǎn)上，通過(guò)后視其他已知點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，類似于全站儀的極坐標(biāo)法測(cè)量。根據(jù)掃描儀的有效觀察距離和地形條件， 應(yīng)采用多個(gè)測(cè)站對(duì)整個(gè)測(cè)區(qū)

33、進(jìn)行多角度觀測(cè)， 相鄰測(cè)站所測(cè)的地形范圍至少要有10 %的重合數(shù)據(jù)，重合區(qū)域應(yīng)有至少3 個(gè)標(biāo)志明顯的公共點(diǎn)，當(dāng)找不到明顯的公共點(diǎn)時(shí)，應(yīng)在相鄰測(cè)站之間的重合區(qū)域設(shè)置標(biāo)耙。掃描時(shí)應(yīng)盡量注意避免人、車輛、船舶和風(fēng)浪等外界環(huán)境干擾。3）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理：外業(yè)采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)必要的檢查后， 首先要根據(jù)相鄰測(cè)站重合部分的明顯標(biāo)志在軟件中進(jìn)行拼接， 拼接時(shí)一般由測(cè)區(qū)的中部開始向周圍擴(kuò)展，形成以首幅測(cè)圖坐標(biāo)為基準(zhǔn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如果在采用自由設(shè)站方式測(cè)量時(shí)相鄰測(cè)站之間有3個(gè)以上的標(biāo)靶控制點(diǎn)， 或儀器架設(shè)在已知點(diǎn)上掃描。有控制數(shù)據(jù)的標(biāo)靶點(diǎn)時(shí)， 則可利用激光掃描反射信號(hào)的強(qiáng)度自動(dòng)尋找標(biāo)靶， 結(jié)合已知數(shù)據(jù)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)測(cè)圖拼接完成后再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)， 至少要用到3 個(gè)標(biāo)靶控制點(diǎn)的坐標(biāo)及高程數(shù)據(jù)，才能生成測(cè)量坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪和精簡(jiǎn)處理目的在于去除測(cè)量過(guò)程中人來(lái)車往的遮擋、風(fēng)浪、被測(cè)物體本身反射不均勻等外界環(huán)境因素對(duì)信號(hào)的干擾， 將相鄰測(cè)站重合區(qū)中的某些重復(fù)數(shù)據(jù)去除，以減少測(cè)量數(shù)據(jù)量。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型，生成三角網(wǎng)并進(jìn)行平滑、補(bǔ)洞、細(xì)分、曲面擬合等處理， 生成數(shù)字高程模型DEM 和等高線， 利用DEM 數(shù)據(jù)可進(jìn)行斷面切割和土石方量的計(jì)算， 再利用相關(guān)專業(yè)測(cè)量軟件即可生成