激光掃描技術(shù)與影像測量技術(shù)

1、 光學(xué)測量原理與技術(shù)論文 三維激光掃描技術(shù)與攝影測量技術(shù)學(xué) 院：航空宇航學(xué)院 專 業(yè)：測試計量技術(shù)及儀器學(xué) 號： SX1301116 姓 名： 史璐 指導(dǎo)老師： 曾捷老師 南京航空航天大學(xué)二O一四年 一 月目錄第一章 ：緒論31.1三維激光掃描技術(shù)31.2 攝影測量技術(shù)41.3雙目測量理論4第二章：國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r52.1三維激光掃描技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r52.2攝影測量國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r6第三章：三維激光掃描系統(tǒng)分類及其特點103.1三維激光掃描系統(tǒng)的分類103.2三維激光掃描系統(tǒng)的特點103.3三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢11第四章：三維激光掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)的在變形監(jiān)測中的應(yīng)用134.1三維激光

2、掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用134.2攝像測量技術(shù)在機翼變形監(jiān)測中的應(yīng)用14第五章：總結(jié)17三維激光掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)第1章 ：緒論1.1三維激光掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)是基于測繪技術(shù)發(fā)展起來的,但測繪方法不同于傳統(tǒng)測繪技術(shù),傳統(tǒng)測繪技術(shù)是單點定位的高精度測量目標(biāo),它是對指定目標(biāo)中的某一點位進(jìn)行精確而確定的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量,進(jìn)而得到一個單獨的或一些離散的點坐標(biāo)數(shù)據(jù),這類技術(shù)有如三坐標(biāo)測量儀、經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀等,而三維激光掃描儀則是對確定目標(biāo)的整體或局部進(jìn)行完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量,這就意味著激光測量單元必須進(jìn)行從左到右,從上到下的全自動高精度步進(jìn)測量(即掃描測量),進(jìn)而得到完整的、全

3、面的、連續(xù)的、關(guān)聯(lián)的全景點坐標(biāo)數(shù)據(jù),這些密集而連續(xù)的點數(shù)據(jù)也叫做點云,這也就使三維激光掃描測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍,這個飛躍也意味著三維激光掃描測繪技術(shù)可以真實描述目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)及形態(tài)特性,并通過掃描測量點云編織出的/外皮來逼近目標(biāo)的完整原形及矢量化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),這里統(tǒng)稱為目標(biāo)的三維重建。三維激光掃描測繪技術(shù)的測量內(nèi)容是高精度測量目標(biāo)的整體三維結(jié)構(gòu)及空間三維特性,并為所有基于三維模型的技術(shù)應(yīng)用而服務(wù);傳統(tǒng)三維測量技術(shù)的測量內(nèi)容是高精度測量目標(biāo)的某一個或多個離散定位點的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)及該點三維特性。前者可以重建目標(biāo)模型及分析結(jié)構(gòu)特性,并且進(jìn)行全面的后處理測繪及測繪目標(biāo)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何內(nèi)容。如:幾何尺寸、長度

4、、距離、體積、面積、重心、結(jié)構(gòu)形變,結(jié)構(gòu)位移及變化關(guān)系、復(fù)制、分析各種結(jié)構(gòu)特性等;而后者僅能測量定位點數(shù)據(jù)并且測繪不同定位點間的簡單幾何尺寸,如:長度、距離、點位形變、點位移等。三維激光掃描測量原理:每一個掃描云點的測量都是基于三角測量原理進(jìn)行的,并且根據(jù)激光掃描的傳感驅(qū)動進(jìn)行三維方向的自動步進(jìn)測量。三角測量原理的實現(xiàn)是通過激光發(fā)射器發(fā)出的激光束經(jīng)過反光鏡(三角形的第一個角點)發(fā)射到目標(biāo)上,形成反光點(三角形的第二個角點),然后通過CCD(三角形的第三個角點)接受目標(biāo)上的反光點,最后,基于兩個角度及一個三角底邊計算出目標(biāo)的景深距離(Y坐標(biāo)),再經(jīng)過激光束移動的反光點的位移角度差及Y坐標(biāo)等計算出

5、Z,X坐標(biāo)。1.2 攝影測量技術(shù)攝影測量，就是利用對測量物體攝影所獲得的像片來解求被攝物體的空間坐標(biāo)和繪制設(shè)計圖的理論、技術(shù)的測量方法。即利用各種攝像機，獲取三維物體的二維圖像（這就是實際空間坐標(biāo)系和攝像機平面坐標(biāo)之間的透視變換），通過多個攝像機從不同方向拍攝的兩幅或兩幅以上的二維圖像，利用交會原理，以及相對定向與絕對定向等綜合出物體的三維曲面輪廓。通過對攝影得到的光學(xué)圖像進(jìn)行的各種幾何參數(shù)和其他參數(shù)的測量，都可認(rèn)為是攝影測量的范疇。此法對被測物體上的采樣點的非接觸的三維數(shù)字化攝影測量的精度很高，而且很通用。攝影測量是光學(xué)圖像處理的最重要和最普遍的應(yīng)用之一。1.3雙目測量理論不管在三維激光掃描

6、技術(shù)和攝像測量技術(shù)中，雙目測量理論都相當(dāng)重要，通過雙目測量理論將得到的圖像轉(zhuǎn)換為三維立體坐標(biāo)。雙目測量理論是從2個視點觀察同一物體得到不同視角下的感知圖像，通過計算分析同一三維點不同圖像中對應(yīng)圖像點的視差來獲取物體表面的三維形狀信息。已知同一個點在2個攝像機下的圖像坐標(biāo)和內(nèi)、外參數(shù)(內(nèi)參數(shù)包括攝像機的焦距、主點坐標(biāo)以及各種畸變參數(shù)；外參數(shù)是指左右兩個攝像機坐標(biāo)系之間的旋轉(zhuǎn)矩陣T和平移矩陣R)，就可以利用三角測量原理求得未知點在物方世界坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。第二章：國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2.1三維激光掃描技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r目前,隨著科技的不斷發(fā)展,三維激光掃描技術(shù)越來越成熟,地面三維激光掃描系統(tǒng)因其便捷性

7、、高效性、穩(wěn)定性等優(yōu)點,在古建筑物和文物保護(hù)、城鎮(zhèn)規(guī)劃、交通方面以及變形監(jiān)測領(lǐng)域等已有廣泛的應(yīng)用。1999年來自斯坦福大學(xué)和華盛頓大學(xué)的30人小組利用三維激光掃描測量系統(tǒng)對米開朗琪羅的大一巨雕像進(jìn)行了測量,拍攝了7000幅彩色數(shù)碼照片,最終建立了包含20億個多邊形和7000彩色數(shù)碼照片的大衛(wèi)模型。2002年,美國拍德尤大學(xué)(Purdue university)對印第安納州的兩座橋梁進(jìn)行了掃描測量,建立兩座橋梁的復(fù)雜三維模型。2005年到2006年,西安四維航測遙感中心與秦兵馬俑博物館合作完成了秦始皇兵馬俑二號坑的掃描、數(shù)據(jù)拼接及三維建模。2006年,希臘vassilios PAGOUNIS等使

8、用徠卡HDS25OO激光掃描儀來獲取道路十字路口的行車道和路邊空間幾何數(shù)據(jù),用于道路安全分析和交通事故模擬。2008年,瑞典Khaled Nabbout將地面移動式三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用于城鎮(zhèn)規(guī)劃中測量道路、鐵路和隧道。國內(nèi)外學(xué)者對地面三維激光掃描系統(tǒng)在變形監(jiān)測方面的應(yīng)用都進(jìn)行了相應(yīng)的研究和試驗。美國佛羅里達(dá)州運輸部對佛羅里達(dá)州I10出口的30號橋梁加載外力,并利用ILRIS-3D激光掃描儀監(jiān)測其變形,從而分析該橋梁的承受能力,并在所需外界條件、需要人員、測量時間、測量總點數(shù)、測量精度、成果輸出等方面與傳統(tǒng)監(jiān)測手段相比較,認(rèn)為三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用在變形監(jiān)測方面是可行的。2003年,加拿大的Tec

9、hnical university of British Columbia使用三維激光掃描儀對華盛頓Cascade山區(qū)發(fā)生的大規(guī)模的泥石流進(jìn)行了測量,對此次坍塌的土方量和地形的變化情況進(jìn)行了分析。2004年,斯洛伐克學(xué)者應(yīng)用三維激光掃描儀對Gabcikovo"水電站船閘進(jìn)行蓄水前后的變形監(jiān)測,取得了符合理想精度的結(jié)果和良好的經(jīng)濟效益。同年,Hsiao等人提出了將地面三維激光掃描儀與全站儀或者GPS相結(jié)合的方法來獲取和配準(zhǔn)地形的點云數(shù)據(jù),然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到二維平面與現(xiàn)有的電子地形圖比較。2005年羅德安等分析了三維激光影像掃描技術(shù)在變形監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可行性、技術(shù)優(yōu)勢和存在的問題,認(rèn)為基

10、于三維激光掃描技術(shù)的整體形變監(jiān)測是可行的。2006年張國輝在將三維激光掃描儀對某露天礦的高陡邊坡進(jìn)行變形監(jiān)測時,提出了兩種變形監(jiān)測方案,一是在變形體表面放置球形標(biāo)志,通過比較各時段掃掐數(shù)據(jù)中相同球心的坐標(biāo)變化來提取變形信息;二是根據(jù)點云數(shù)據(jù)建變形體的數(shù)字高程模型,統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)后用基于模型求差的方法分析變形。2006年,Tsakiri等人在實驗中將標(biāo)志放置在變形體上,利用三維激光掃描儀對變化前后的標(biāo)志進(jìn)行掃描,驗證了儀器可檢測士0.5mm的變形量。2007年趙群等對國家體育館內(nèi)大跨度的鋼架滑移過程應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行了變形監(jiān)測及分析。同年,英國的Gethin ROBERTS等使用三維激光掃描

11、儀監(jiān)測建筑物變形,分析得到在3-53m的距離范圍內(nèi)用三維激光掃描儀和全站儀觀測混凝土梁的變形量,其精度是一致的。香港Andrew Wang等在監(jiān)測邊坡不穩(wěn)實驗中,使用三維激光掃描儀快速記錄坡身表面運動和裂縫,實驗表明這一方式比傳統(tǒng)測量方式(如GPS)更優(yōu)越,而且獲取的表面運動數(shù)據(jù)和布設(shè)在表面的傾角傳感器獲得的數(shù)據(jù)能很好的吻合。2.2攝影測量國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r自 1839 年攝影技術(shù)發(fā)明以后便用于測量，這可以說是攝影測量的開始。至1900 年為止，所用的方法還只是交會攝影測量，即是將攝影機安置在一條基線的兩端進(jìn)行攝影，然后量測像點在像片上的位置，求其方向線再作交會計算，以求其大地位置和高程。至二十世

12、紀(jì)初，發(fā)明了立體觀測方法后，德國人普夫銳士(Pulfrich) 制成了立體坐標(biāo)量測儀，歐瑞 (Orel) 又發(fā)明了自動立體測圖儀，于是形成了地面立體攝影測量。但是，地面上進(jìn)行攝影，存在著視界不廣，前景遮蔽后景，精度不均勻等不可克服的缺點。于是，很自然地人們就在解決空中攝影方面進(jìn)行了巨大的努力。第一次世界大戰(zhàn)中，航空技術(shù)有了迅速發(fā)展，同時由于軍事上的需要，促使航空攝影測量有了很大發(fā)展。其發(fā)展大致分為三個階段：模擬攝影測量，解析攝影測量，數(shù)字?jǐn)z影測量。1) 模擬攝影測量所謂模擬攝影測量，即是利用幾何反轉(zhuǎn)的特性（攝影可逆性），設(shè)法把航攝時獲得的無數(shù)對同名點的兩張相鄰像片，保持航攝瞬間的相對狀態(tài)來進(jìn)行

13、投影，此時，各同名點的攝影光線必然仍對對相交于地面某相應(yīng)的地物點上。顯然，由無數(shù)對同名光線交點組成的立體模型與所攝地區(qū)的地表面完全吻合。利用這一原理，德國、蘇聯(lián)、瑞士等國家先后制成了多倍投影測圖儀、立體測圖儀、精密立體測圖儀 A8、A10、B8、D2、CIIP 等等，由于這些儀器均采用光學(xué)投影器、機械攝影器或光學(xué)機械投影器來模擬攝影過程，所以我們稱之為模擬攝影測量儀器。這一發(fā)展時期也就稱為模擬攝影測量時代。至六、七十年代這種類型的儀器發(fā)展到了頂峰。2) 解析攝影測量電子計算機和計算技術(shù)的發(fā)展，開辟了解析攝影測量的新紀(jì)元。1957 年，美國人海拉瓦 (Helava) 提出了攝影測量的新概念，就是

14、用“數(shù)字?jǐn)z影”來代替光學(xué)的、機械的或光學(xué)機械的模擬投影。所謂數(shù)字?jǐn)z影就是利用計算機實時地進(jìn)行共線方程的計算，從面交會被攝物體的空間位置。六十年代初，意大利的OMI 公司與美國的 Bendix 公司合作，制成了世界上第一臺解析測圖儀 AP-1。其后特別是七十年代，解析測圖儀有了較快的發(fā)展，德國、美國、瑞士等都先后生產(chǎn)了 P2、C100、BCI 等新型的解析測圖儀。解析測圖與模擬測圖的主要區(qū)別在于前者使用數(shù)字?jǐn)z影方式，后者使用模擬投影方式；前者為由計算機控制的坐標(biāo)量測系統(tǒng)，后者使用純光學(xué)的、機械的或光學(xué)機械的模擬測圖裝置；前者是計算機輔助的人工操作，后者是完全的手工操作。3) 數(shù)字?jǐn)z影測量1996

15、 年的維也納 ISPRS 大會上，展出了眾多的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng)，它表明數(shù)字?jǐn)z影測量已經(jīng)步入使用階段。所謂數(shù)字?jǐn)z影測量就是以數(shù)字影像為基礎(chǔ)，用電子計算機進(jìn)行分析和處理，確定被攝物體的形狀大小和空間位置及其性質(zhì)的技術(shù)。在數(shù)字?jǐn)z影測量中，計算機不但能完成大多數(shù)攝影測量工作，而且借助模式識別理論，實現(xiàn)目標(biāo)的自動或半自動識別（如識別框標(biāo)和識別同名點等）和提取，從而大大的提高了攝影測量的自動化功能?；谟跋駭?shù)字化儀、計算機、數(shù)字?jǐn)z影測量軟件和輸出設(shè)備構(gòu)成的全數(shù)字化攝影測量系統(tǒng) DPS(Full DigitalPhotogrammetric System) 是攝影測量、計算機立體視覺、模式識別和圖像處理等學(xué)

16、科的綜合成果。數(shù)字?jǐn)z影測量與模擬、解析攝影測量的區(qū)別在于：它處理的原始信息不僅可以是像片，也可以是數(shù)字化影像。同時，影像匹配技術(shù)代替了雙眼觀測，實現(xiàn)了真正意義的自動測圖，它所使用的儀器最終將只是運用計算機及相應(yīng)的外圍設(shè)備。攝影測量從產(chǎn)生到現(xiàn)在，由三十年代的模擬攝影測量，到七十年代的解析攝影測量，發(fā)展到當(dāng)今的數(shù)字?jǐn)z影測量，在很大程度上得益于計算機技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展。隨著數(shù)字?jǐn)z影的發(fā)展，由影像掃描儀、計算機、數(shù)字?jǐn)z影測量軟件及相關(guān)的輸出設(shè)備構(gòu)成的數(shù)字?jǐn)z影測量系統(tǒng) (DPS)，必將取代傳統(tǒng)的測量儀器；數(shù)字化的、三維的、動態(tài)的、多尺度的、實時或準(zhǔn)實時的數(shù)字時代，必將取代模擬的、靜止的、固定比

17、例尺的二維平面的紙介質(zhì)測繪產(chǎn)品的時代。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，為實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的可視化和廣泛應(yīng)用提供了強有力的、更面向用戶的工具和途徑。所謂攝影測量，就是利用對測量物體攝影所獲得的像片來解求被攝物體的空間坐標(biāo)和繪制設(shè)計圖的理論、技術(shù)的測量方法。即利用各種攝像機，獲取三維物體的二維圖像（這就是實際空間坐標(biāo)系和攝像機平面坐標(biāo)之間的透視變換），通過多個攝像機從不同方向拍攝的兩幅或兩幅以上的二維圖像，利用交會原理，以及相對定向與絕對定向等綜合出物體的三維曲面輪廓。通過對攝影得到的光學(xué)圖像進(jìn)行的各種幾何參數(shù)和其他參數(shù)的測量，都可認(rèn)為是攝影測量的范疇。此法對被測物體上的采樣點的非接觸的三維數(shù)字化

18、攝影測量的精度很高，而且很通用。攝影測量是光學(xué)圖像處理的最重要和最普遍的應(yīng)用之一。從傳統(tǒng)意義上說攝影測量主要指對用各種照相機拍攝的可見光圖像進(jìn)行的測量。隨著科技的迅猛發(fā)展，尤其是紅外以及各種射線成像技術(shù)的發(fā)展，攝影測量的范疇不斷擴大。攝影測量按成像手段的不同分成為普通光型、微光型、紅外型、 X 射線型和射線型等。按照測量對象的距離不同，攝影測量可大致分為遙測、遠(yuǎn)景攝影測量、近景攝影測量和顯微（超近景）攝影測量。遙測主要指十幾公里以上的衛(wèi)星攝影測量、航空攝影測量。遠(yuǎn)景攝影測量主要指上百米到幾公里以外的測量，如對高達(dá)建筑物的測量、對火箭發(fā)生過程的測量等。近景攝影測量主要指幾十米到幾十厘米距離的測量

19、。近景攝影測量是為多種學(xué)科的科學(xué)研究、實驗和生產(chǎn)服務(wù)的非接觸性量測手段，因此，特別適合于那些難于接觸的物體（包括動態(tài)物體和不規(guī)則曲面物體）的表面測量，加之它采用了嚴(yán)密的解析計算公式而能獲得很高的量測精度，所以它已經(jīng)逐漸滲入其他學(xué)科領(lǐng)域（如建筑學(xué)，考古學(xué)，結(jié)構(gòu)力學(xué)，材料力學(xué)，建筑工程，醫(yī)學(xué)，公安偵破，雕塑藝術(shù)，模具及造型等等）并得到重視和廣泛應(yīng)用。顯微攝影測量多指對毫米量級以下尺寸利用各種放大和顯微鏡進(jìn)行的測量。傳統(tǒng)攝影圖像的記錄介質(zhì)主要是各種感光膠片，包括靜態(tài)測量的照相底片和動態(tài)測量的各種規(guī)格的電影膠片。近年來快速發(fā)展起來的各種數(shù)字視頻技術(shù)大有取代傳統(tǒng)攝影膠片圖像的趨勢。用數(shù)字?jǐn)z像機和數(shù)字照相

20、機進(jìn)行運動、位置等各種測量更是目前發(fā)展的一大趨勢，并出現(xiàn)了攝影測量學(xué) (video metrics) 的專門術(shù)語。由于數(shù)字視頻與傳統(tǒng)光學(xué)膠片的模擬視頻相比，具有較大的優(yōu)勢，因此直接獲取各種靜態(tài)和動態(tài)的數(shù)字圖像或數(shù)字圖像序列已成為不可扭轉(zhuǎn)的趨勢和事實。同時隨著數(shù)碼相機的廣泛應(yīng)用,價格愈來愈低廉。數(shù)碼相機在測量中的應(yīng)用將是攝影測量發(fā)展的必然趨勢。第三章：三維激光掃描系統(tǒng)分類及其特點3.1三維激光掃描系統(tǒng)的分類三維激光掃描系統(tǒng)按工作原理可分為三類1、脈沖測距法掃描系統(tǒng):從固定中心沿視線方向使用脈沖測距技術(shù)測量距離,測距大于 100m,每秒可測量 1000 點以上。其特點是測量距離遠(yuǎn),而且不受環(huán)境光線

21、影響,但掃描頻率較低,單點定位精度較差,適用于大型工程和室外使用。2、相位干涉法掃描系統(tǒng):此系統(tǒng)的測量原理是利用激光光線發(fā)射連續(xù)波,根據(jù)光學(xué)干涉原理確定干涉相位。該技術(shù)測量范圍一般小于 50m,點采樣速率每秒可達(dá) 10000-50000 點,其特點是測量距離一般,點位精度高,掃描速度快,但是在一定程度上受環(huán)境光線影響,不適宜睛天時在室外進(jìn)行距離大于 20 米的工作。3、三角法掃描系統(tǒng):利用立體相機和機構(gòu)化光源,通過獲得兩條光線信息,建立立體投影關(guān)系。這種方法適用于近距離掃描,受環(huán)境光線影響較大,但掃描頻率快、精度高,適用于室內(nèi)且對精度要求很高的情況,主要應(yīng)用于逆向建模等工程中。3.2三維激光掃

22、描系統(tǒng)的特點三維激光掃描測量技術(shù)徹底改變了以往測量方法，是人們公認(rèn)的，它是繼GPS 全球定位技術(shù)之后測繪領(lǐng)域的一個新紀(jì)元，它之所以能風(fēng)靡全世界，掀起一股測繪領(lǐng)域的新浪潮，自然有它的獨到之處，三維激光掃描技術(shù)作為一種全新的測量技術(shù),具有如下一些特點：(l)主動性：三維激光掃描系統(tǒng)是通過儀器的激光發(fā)射裝置發(fā)射激光束，經(jīng)物體反射回來并被自身的感應(yīng)裝置探測，這樣我們在應(yīng)用儀器進(jìn)行變形監(jiān)測的時候，可以不受白天晚上的限制，它的非接觸行也使得測量在空間上有很大的優(yōu)勢，這種主動式的掃描測量系統(tǒng)給我們帶來隨時隨地的方便。(2)快速性：速度是當(dāng)今時代的生命，三維激光掃描系統(tǒng)能夠快速地獲取被測物體表而的空間信息，可

23、以及時地測定實體表面的三維立體信息,采集物體表面空間三維位置數(shù)據(jù)以及顏色反射強度信息等屬性數(shù)據(jù)，基于不同廠家和型號的掃描儀采樣速度有很大的差別，但是一般每秒采樣個數(shù)最少的也有幾千個點，多則上萬甚至幾十萬個點，是以前測繪工作者不敢想，也是傳統(tǒng)測繪儀器做不到的。(3)實時、動態(tài)性：三維激光測量是軟件控制儀器的，儀器一邊掃描的同時，軟件就會顯示出已經(jīng)測量好的點云數(shù)據(jù)，真正做到了，所見即所得。(4)高密度性：三維激光掃描儀器對物體進(jìn)行掃描時,我們可以設(shè)定采樣間距，不同的被測物體，不同的測量儀器會有所不同，其中可以設(shè)定的采樣間距最小可達(dá)亞毫米及（0.1mm），這樣的采樣密度可以完整的保留目標(biāo)的特征信息，

24、不留死角。(5)高精度性：這個是顯而易見的，激光分散性小，在早期的激光測距中就顯示相互精度超高的有事，同時通過三維機關(guān)測量儀內(nèi)部精確控制發(fā)射激光的角度，可以獲取物體表面高精度的三維坐標(biāo)，三維激光掃描儀獲取點位三維坐標(biāo)的精度在毫米級。這個數(shù)量級完全可以滿足日常生活中的所有要求。(6)非接觸性：傳統(tǒng)的測繪一般都要在被測點位立尺，或者在被測量對象上面貼標(biāo)志點，三維激光掃技術(shù)完全改變了這種傳統(tǒng)的方式，它不需要接觸被測物體，利用這種優(yōu)勢，我們可以放心的對需要保護(hù)的貴重文物、比較危險和難以到達(dá)的如震后災(zāi)區(qū)等區(qū)域進(jìn)行掃描。(7)數(shù)字化、可視化性：三維激光掃描獲取的三維位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)是全數(shù)字的，直接實時的

25、在所連接的 PC 機上顯示出來，可以通過網(wǎng)絡(luò)即時的分享。(8)對工作環(huán)境要求低:傳統(tǒng)的儀器測量收天氣陰晴，客氣濕度的影響，GPS 特別易受輻射的干涉，三維激光掃描儀具防潮防幅的特性,以及主動發(fā)射激光束對白天夜晚沒有要求，可以說在任何環(huán)境下都能工作。3.3三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展趨勢（1） 點云數(shù)據(jù)處理軟件的公用化和多功能化，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)共享及海量數(shù)據(jù)處理；（2） 在硬件固定的情況下，測量方法和算法上提高精度，多種方法相結(jié)合；（3） 進(jìn)一步擴大掃描范圍，實現(xiàn)全圓球掃描，獲得被測景物空間三維虛擬實體顯示；（4） 與其他測量設(shè)備（如GPS、IMU、全站儀等）聯(lián)合測量，實時定位、導(dǎo)航，并擴大測程和提高精

26、度；（5） 三維激光掃描儀與攝像機的集成化，在掃描的同時獲得物體影像，提高點云數(shù)據(jù)和影像的匹配精度；（6）多源數(shù)據(jù)的智能化融合處理及多傳感器的集成。第四章：三維激光掃描技術(shù)和攝影測量技術(shù)的在變形監(jiān)測中的應(yīng)用4.1三維激光掃描技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用從傳統(tǒng)的大地測量技術(shù)到 GPS 技術(shù)，地表沉陷監(jiān)測技術(shù)手段的相關(guān)方法及理論研究都已經(jīng)比較深入，但這些技術(shù)都是對有限的測點進(jìn)行觀測。地面三維激光掃描技術(shù)則改變了傳統(tǒng)的單點變形觀測，使傳統(tǒng)的“點測量”方式變?yōu)椤靶螠y量”方式，因此，將其引入到變形監(jiān)測領(lǐng)域具有現(xiàn)實意義。1、點云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換原理在試驗區(qū)域體積較大并存在遮擋情況時，僅用一個測站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其掃

27、描范圍不能將對象完全記錄下來，需要將多個測站的掃描數(shù)據(jù)拼接起來構(gòu)成完整的模型。對于點云拼接，一般采取坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的方法。與三維激光掃描儀工作相關(guān)的坐標(biāo)系主要有儀器坐標(biāo)系、統(tǒng)一坐標(biāo)系和外部絕對坐標(biāo)系三種。利用 4 個目標(biāo)球作為連接點，將 2 個測站掃描的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到某一個測站坐標(biāo)系下，即將儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一坐標(biāo)系。坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化采用七參數(shù)轉(zhuǎn)換公式，轉(zhuǎn)換所需的 7 個參數(shù)的確定最少需要 3 個連接點。三維激光掃描儀配備的球形標(biāo)志由高反射材料做成，對其進(jìn)行高密度掃描后，可自動提取中心坐標(biāo)，因此可用于坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的連接點。當(dāng)連接點數(shù)較多時還可根據(jù)測量平差原理列立觀測值的誤差方程式，組成并解算法方程，求得

28、轉(zhuǎn)換參數(shù)。2 點云數(shù)據(jù)曲面擬合原理要分析整個盆地下沉情況，需要對離散的點云數(shù)據(jù)擬合曲面。對于三維激光掃描儀采集到的數(shù)據(jù) ( x，y，z) ，將其表示為二維系統(tǒng) z = f( x，y) 。假設(shè)該二維系統(tǒng)對應(yīng)的曲面為 S ，則該曲面是未知的，需要根據(jù)已知點 ( x，y，z) 重建曲面 S' ，使之與曲面S 接近。對于曲面重建，有多種插值方法。最鄰近插值法最簡單，所求的函數(shù)值與被插值點最鄰近的節(jié)點函數(shù)值最接近，但是它一般不連續(xù)，形成的曲面比較突兀; 雙線性插值是由一片片的空間二次曲面構(gòu)成的，對于有較大波動的情況，擬合的曲面不光滑，存在尖銳的地方; 雙三次插值擬合的曲面則較進(jìn)行光滑曲面擬合。選

29、取雙三次插值的方法對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合。雙三次插值中，函數(shù) f 在點 (x,y ) 的值是通過矩形網(wǎng)格中最近的 16 個采樣點的加權(quán)平均得到，可通過下式進(jìn)行計算:3. 曲面變形監(jiān)測試驗通過三維數(shù)據(jù)掃描得到點云數(shù)據(jù)，將變形前后的點云數(shù)據(jù)擬合曲面函數(shù)，建立曲面模型。將變形前的曲面和變形后的曲面在同一坐標(biāo)系中畫出，就可以得知在那些位置發(fā)生了變形。然后將兩個曲面方程相減得到變形高程圖。4.2攝像測量技術(shù)在機翼變形監(jiān)測中的應(yīng)用飛機氣動彈性、載荷、武器系統(tǒng)等是飛行試驗的重要科目，這些均與飛機機翼動態(tài)變形有關(guān)。飛機在飛行狀態(tài)的機翼動態(tài)變形影響因素較多，動態(tài)變形造成機翼外載荷大小和分布變化，甚至引起機翼內(nèi)部

30、結(jié)構(gòu)載荷的分配變化，導(dǎo)致飛機機翼使用狀態(tài)偏離設(shè)計，甚至影響飛機性能危及飛機安全和壽命。因此，獲取飛機在飛行過程中的機翼三維變形具有重大意義。飛機機翼動態(tài)變形測量由于測量范圍大、改裝實施受限、機載動態(tài)條件影響精度等多種因素，進(jìn)行高精度測量有一定的難度。筆者從攝影測量的基本原理出發(fā)，基于數(shù)字圖形相關(guān)技術(shù)，采用高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機，進(jìn)行飛機機翼三維變形測量。1、測量過程及處理流程機翼變形測量采用攝影測量技術(shù)。在被測區(qū)域布設(shè)標(biāo)志點，為了進(jìn)行大面積的測量，需在被測區(qū)域布設(shè)散斑，在飛機的承力結(jié)構(gòu)件上的不同位置安裝多臺高分辨率數(shù)字?jǐn)z像機，攝像機在飛機上的布局如圖1所示。在被試條件下，對散斑進(jìn)行同步拍攝，將這些

31、圖像數(shù)據(jù)與飛機狀態(tài)數(shù)據(jù)同步高速記錄，之后在地面進(jìn)行事后分析處理。攝像測量設(shè)備進(jìn)行測量需要進(jìn)行標(biāo)識的設(shè)計、控制點的布設(shè)、標(biāo)定及處理。首先，要對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，以得到組成系統(tǒng)的多組攝像機的相對方位以及每個攝像機的內(nèi)部參數(shù)，為圖像處理和三維重建做準(zhǔn)備。其次，使用標(biāo)定的攝相機獲得變形體同步影像序列，對獲取的圖像，根據(jù)測量要求，手工標(biāo)記圖像上感興趣的區(qū)域作為計算區(qū)域，也即確定變形計算和分析的初始狀態(tài)。接著，根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)方法，引入立體視覺理論，結(jié)合攝像機標(biāo)定的結(jié)果進(jìn)行圖像相關(guān)匹配運算，包括同一變形狀態(tài)兩攝像機所同時采集的圖像間的匹配運算以及同一攝像機在不同變形狀態(tài)所采集的圖像間的匹配運算。然后，利用同一

32、變形狀態(tài)兩攝像機所同時采集的圖像間的匹配計算結(jié)果，結(jié)合攝像機標(biāo)定結(jié)果，重建出所標(biāo)記的特征區(qū)域的三維坐標(biāo)；同時，利用同一攝像機在不同變形狀態(tài)所采集的圖像間的匹配運算結(jié)構(gòu)跟蹤特征區(qū)域，使不同狀態(tài)的匹配運算結(jié)果關(guān)聯(lián)起米，以用于變形量的計算。最后根據(jù)三維重建的結(jié)果進(jìn)行位移的計算和分析。圖1攝像機在飛機上的布局2、 攝像機標(biāo)定（1）攝像機標(biāo)定內(nèi)容攝像機標(biāo)定是攝影測量系統(tǒng)中的一項最基本、最重要的工作。攝像機標(biāo)定上要內(nèi)容包括主點位置的測定；主距f的測定：光學(xué)畸變系數(shù)的測定。通過標(biāo)定可以獲得相機的內(nèi)外方位元素及畸變參數(shù)。（2）攝像機標(biāo)定方法攝像機標(biāo)定的方法很多，利用系統(tǒng)的柔性自標(biāo)定法它是基于攝影測量系統(tǒng)全流程來實現(xiàn)的，它的標(biāo)建精度高。3、 立體視覺計算數(shù)字散斑圖像相關(guān)技術(shù)可有效地用于移動或變形物體的二維運動和變形信息測量