三維激光掃描分類及工作流程

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上一、 地面激光掃描系統(tǒng)1、概述地面激光掃描儀系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測(cè)量中的全站儀，它由一個(gè)激光掃描儀和一個(gè)內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機(jī)，以及軟件控制系統(tǒng)組成。二者的不同之處在于激光掃描儀采集的不是離散的單點(diǎn)三維坐標(biāo)，而是一系列的“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)。這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以直接用來進(jìn)行三維建模，而數(shù)碼相機(jī)的功能就是提供對(duì)應(yīng)模型的紋理信息。2、工作原理三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算日標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值。三維激光掃描測(cè)量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面

2、內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標(biāo)。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。3、作業(yè)流程整個(gè)系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，它采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。（1）、數(shù)據(jù)獲取利用軟件平臺(tái)控制三維激光掃描儀對(duì)特定的實(shí)體和反射參照點(diǎn)進(jìn)行掃描，盡可能多的獲取實(shí)體相關(guān)信息。三維激光掃描儀最終獲取的是空間實(shí)體的幾何位置信息，

3、點(diǎn)云的發(fā)射密度值，以及內(nèi)置或外置相機(jī)獲取的影像信息。這些原始數(shù)據(jù)一并存儲(chǔ)在特定的工程文件中。其中選擇的反射參照點(diǎn)都具有高反射特性，它的布設(shè)可以根據(jù)不同的應(yīng)用目的和需要選擇不同的數(shù)量和型號(hào)，通常兩幅重疊掃描中應(yīng)有四到五個(gè)反射參照點(diǎn)。（2）、數(shù)據(jù)處理1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)獲取完畢之后的第一步就是對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，應(yīng)用過濾算法剔除原始點(diǎn)云中的錯(cuò)誤點(diǎn)和含有粗差的點(diǎn)。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別分類，對(duì)掃描獲取的圖像進(jìn)行幾何糾正。2)數(shù)據(jù)拼接匹配一個(gè)完整的實(shí)體用一幅掃描往往是不能完整的反映實(shí)體信息的，這需要我們?cè)诓煌奈恢脤?duì)它進(jìn)行多幅掃描，這樣就會(huì)引起多幅掃描結(jié)果之間的拼接匹配問題。在掃描過程中

4、，掃描儀的方向和位置都是隨機(jī)、未知的，要實(shí)現(xiàn)兩幅或多幅掃描的拼接，常規(guī)方法式是利用選擇公共參照點(diǎn)的辦法來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。這個(gè)過程也叫作間接的地理參照。選取特定的反射參照目標(biāo)當(dāng)作地面控制點(diǎn)，利用它的高對(duì)比度特性實(shí)現(xiàn)掃描影像的定位以及掃描和影像之間的匹配。掃描的同時(shí)，采用傳統(tǒng)手段，如全站儀測(cè)量，獲得每幅掃描中控制點(diǎn)的坐標(biāo)和方位，再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計(jì)算就可以獲得了實(shí)體點(diǎn)云數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的絕對(duì)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。這一系列工作包含著人工參與和計(jì)算機(jī)的自動(dòng)處理，是半自動(dòng)化完成的。（3）、建模1) 算法選擇在數(shù)據(jù)處理完成后，接下來的工作就是對(duì)實(shí)體進(jìn)行建模，而建模的首要工作是數(shù)學(xué)算法的選擇。這是一個(gè)幾何圖形反演的過程，算

5、法選擇的恰當(dāng)與否決定最終模型的精度和和數(shù)據(jù)表達(dá)的正確性。2) 模型建立和紋理鑲嵌選擇了合適的算法，可以通過計(jì)算機(jī)直接對(duì)實(shí)體進(jìn)行自動(dòng)建模。點(diǎn)云數(shù)據(jù)保證了表面模型的數(shù)據(jù)(DSM)，而影像數(shù)據(jù)保證了邊緣(Edges)和角落(Comer)的信息完整和準(zhǔn)確。通過自動(dòng)化的軟件平臺(tái)，用獲取的點(diǎn)云強(qiáng)度信息和相機(jī)獲取的影像信息對(duì)模型進(jìn)行紋理細(xì)節(jié)的描述。3) 數(shù)據(jù)的輸出與評(píng)價(jià)基于不同的應(yīng)用目的，可以把數(shù)據(jù)輸出為不同的形式，直接為空間數(shù)據(jù)庫或工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)源。然而數(shù)據(jù)的精度和質(zhì)量如何呢，能否滿足各種應(yīng)用的要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行綜合的評(píng)估分析仍是很重要的一步，評(píng)估的模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要根據(jù)不同的應(yīng)用目的來確定。4、特點(diǎn)（1）可

6、以在較短的時(shí)間內(nèi)獲取關(guān)于目標(biāo)對(duì)象的高精度、高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)（2）自動(dòng)化（3）非接觸測(cè)量，夜間測(cè)量（4）數(shù)據(jù)信息豐富（三維坐標(biāo)、強(qiáng)度信息、色彩信息）（5）數(shù)據(jù)量大，設(shè)備貴，作業(yè)員要求高5、應(yīng)用（1） 地面景觀形體測(cè)量：地面景觀形體測(cè)量可為三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、三位測(cè)量及逆向工程、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)提供服務(wù)，能夠快速、高精度地完成復(fù)雜的古建筑測(cè)量、大型景觀三維數(shù)字設(shè)計(jì)與模版制作。（2） 復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的測(cè)量與建模：利用激光掃描儀分段掃描，獲得各站上復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將不同站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理以及粗差剔除、利用公共點(diǎn)進(jìn)行拼接、合并和應(yīng)用響應(yīng)的軟件就可以生成這些復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的模型，為設(shè)備

7、的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型參考，極大的提高了工作效率。（3） 建筑與文物的保護(hù)：工作流程基本同（2），這樣做成的電子文獻(xiàn)，易于保存，能詳細(xì)了解表面，隨時(shí)方便地得到等值線、截面、剖面等。當(dāng)建筑和文物遭到破壞后能及時(shí)準(zhǔn)確而有效的提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)。（4） 城市三維可視化模型的建立：在街道上對(duì)建筑物的內(nèi)外進(jìn)行三維激光掃描，掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，運(yùn)用數(shù)據(jù)濾波和分類算法獲得地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。也適用于GIS數(shù)據(jù)庫更新，旅游向?qū)Ш吞摂M現(xiàn)實(shí)制作等。（5） 帶狀地形測(cè)圖測(cè)量和礦山測(cè)量：（6） 森林和農(nóng)業(yè)資源調(diào)查：應(yīng)用激光掃描儀對(duì)森林里的樹木進(jìn)行掃描，可以非常準(zhǔn)確的了解某時(shí)刻的森林現(xiàn)狀。不

8、同時(shí)間測(cè)量結(jié)果比較還能了解森林動(dòng)態(tài)變化。（7） 變形監(jiān)測(cè)：以均勻的精度高密度地測(cè)量，測(cè)量的數(shù)據(jù)可以獲得更多的信息，特別是局部詳細(xì)變形信息。二、車載激光掃描系統(tǒng)1、概述車載激光掃描系統(tǒng)是集成了激光掃描儀，CCD相機(jī)以及數(shù)字彩色相機(jī)的數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)，GPS接收機(jī)，基于車載平臺(tái)，由激光掃描儀和攝影測(cè)量獲得原始數(shù)據(jù)作為三維建模的數(shù)據(jù)源。2、 作業(yè)流程（1）數(shù)據(jù)采集首先，利用GPS對(duì)載車進(jìn)行定位，獲得準(zhǔn)確的測(cè)量原點(diǎn)大地坐標(biāo)。再利用GPS和IMU對(duì)載車測(cè)繪基準(zhǔn)的姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，得到大地坐標(biāo)系下三維激光掃描儀的高低角、偏航角以及滾動(dòng)角。然后，利用三維激光掃描儀對(duì)測(cè)繪點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，得到測(cè)繪點(diǎn)相對(duì)于測(cè)繪基準(zhǔn)

9、的方向角、高低角以及距離。通過坐標(biāo)換算的到測(cè)繪點(diǎn)的大地坐標(biāo)。目標(biāo)屬性等信息通過CCD相機(jī)同步采集的照片進(jìn)行辨識(shí)。（2）數(shù)據(jù)處理高速視頻攝像機(jī)的圖像信息不參與三維真實(shí)場(chǎng)景建模，主要用于測(cè)量場(chǎng)景記錄。在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中，通過對(duì)高精度定位定向系統(tǒng)各傳感器測(cè)量信息的處理得到車輛行駛的準(zhǔn)確路線和姿態(tài)；通過對(duì)激光掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)、線、面特征的提取可確定測(cè)量物體的三維幾何形狀；利用高精度定位定向系統(tǒng)輸出的位置和姿態(tài)信息、從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取測(cè)量物體三維幾何形狀及從面線陣CCD相機(jī)測(cè)量信息中提取的線性特征和紋理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二三維真實(shí)場(chǎng)景建模。目前常見的三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，使用的都是面陣相機(jī)進(jìn)行紋理信息采集。數(shù)據(jù)

10、處理包括數(shù)據(jù)預(yù)處 、數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)分類和建筑物特征提取。1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理目的就是將車載激光掃描樂統(tǒng)采集的GPS數(shù)據(jù)、三維激光掃描儀數(shù)據(jù)等聯(lián)合解算得到數(shù)據(jù)后處理所用的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。2) 數(shù)據(jù)濾波主要是去除測(cè)量噪聲和提取地面點(diǎn)，得到后續(xù)處理所需要的原始數(shù)據(jù)。3) 數(shù)據(jù)分類以自動(dòng)化和人工交互相結(jié)合的形式實(shí)現(xiàn)，目的是將濾波后的激光掃描數(shù)據(jù)區(qū)分為地面點(diǎn)和其他不同種類的地物點(diǎn)。4) 建筑物特征提取從分類后的數(shù)據(jù)巾提取建筑物數(shù)據(jù)，從中提取建筑物特征。3、特點(diǎn)1) 該系統(tǒng)借助于搭載在運(yùn)動(dòng)載體上的傳感器并輔之以導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行載體的絕對(duì)位置獲取通過建立相對(duì)位置傳感器和絕對(duì)位置傳感器統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)和空間基準(zhǔn)完成數(shù)據(jù)的

11、融合，既滿足建模的高效、精細(xì)，又滿足測(cè)量的高精度。2) 數(shù)據(jù)信息豐富。獲取的點(diǎn) 數(shù)據(jù)包含物體表面精細(xì)的數(shù)據(jù)信息，每個(gè)點(diǎn)均帶有三維坐標(biāo)信息和回光強(qiáng)度值，真實(shí)地展現(xiàn)了物體的原貌，可以有效解決形狀復(fù)雜物體的建模問題。3) 在城市人口、建筑密集區(qū)，無地面控制點(diǎn)的情況下，可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、快速地采集目標(biāo)地物的三維信息。4) 與機(jī)載系統(tǒng)相比，獲取數(shù)據(jù)為三維空間物體立面的幾何信息，距離物體較近，數(shù)據(jù)精度也相對(duì)提高，節(jié)約了成本。4、應(yīng)用： （1） 公路測(cè)量，維護(hù)和勘察，公路檢測(cè)，公路幾何模型（2） 道路設(shè)施（3） 電力設(shè)施（4） 測(cè)繪工程領(lǐng)域:鐵路測(cè)繪，河道測(cè)繪（5） 結(jié)構(gòu)分析（立交橋）（6） 淹水評(píng)估分析（7

12、） 在GIS系統(tǒng)中的疊加分析（8） 滑坡變形測(cè)量與危害分析，滑石和流水分析（9） 交通流量分析，安全評(píng)估和環(huán)境污染評(píng)估（10） 土石方量分析（11） 駕駛視野和安全分析（12） 城市建模（13） 海事、軍事、勘測(cè)等三、機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)1、概述機(jī)載三維掃描系統(tǒng)是一種集激光掃描儀（Scanner）、全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)以及高分辨率數(shù)碼相機(jī)等技術(shù)于一身的光機(jī)電一體化集成系統(tǒng)，用于獲得激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)并生成精確的數(shù)字高程模型（DEM）、DSM（數(shù)字表面模型），同時(shí)獲取物體DOM（數(shù)字正射影像）信息，通過對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，DSM、DOM可得到真實(shí)的三維場(chǎng)景圖。它將三維激光掃

13、描儀和航空數(shù)碼攝像機(jī)裝載在飛機(jī)上,利用激光測(cè)距原理和航空攝影測(cè)量原理,快速獲取地球表面坐標(biāo)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。2、作業(yè)流程（一）數(shù)據(jù)獲?。?）在航飛前要制訂飛行計(jì)劃。航飛計(jì)劃應(yīng)包括航帶劃分，確定飛行高度、速度、激光脈沖頻率、航帶寬度、激光反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)速度、數(shù)碼相機(jī)方位元素及定位、相機(jī)拍攝時(shí)間間隔等，并將各航帶的首尾坐標(biāo)及其他導(dǎo)航坐標(biāo)輸入導(dǎo)航計(jì)算機(jī)內(nèi)，在飛行導(dǎo)航控制軟件的輔助下進(jìn)行飛行作業(yè)。（2）安置GPS接收機(jī)。為保證飛機(jī)飛行各時(shí)刻的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的精度，需要在地面沿航線布設(shè)一定數(shù)量的GPS基準(zhǔn)站，同時(shí)將GPS流動(dòng)站安置在飛機(jī)上。（3）激光掃描測(cè)量。預(yù)先設(shè)置好掃描鏡的擺動(dòng)方向和擺動(dòng)角度，當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，

14、紅外激光發(fā)生器向掃描鏡上不停地發(fā)射激光，通過飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)和掃描鏡的運(yùn)動(dòng)反射，使激光束打到地面并覆蓋測(cè)區(qū)，當(dāng)激光束到達(dá)地面或遇到其它障礙物時(shí)被反射回來，被一光電接收感應(yīng)器接收并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)激光發(fā)射至接收的時(shí)間間隔即可精確測(cè)出傳感器至地面的距離。（4）慣性測(cè)量。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，慣性測(cè)量裝置同時(shí)也將飛機(jī)的飛行姿態(tài)測(cè)出來，并和激光的有關(guān)數(shù)據(jù)、掃描鏡的掃描角度一起記錄在磁帶上。（5）數(shù)碼相機(jī)拍攝。利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，需要對(duì)其拍攝時(shí)間間隔和拍攝位置進(jìn)行控制。通常是用GPS系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間和位置控制。（6）數(shù)據(jù)傳輸。航飛數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，將所有的激光掃描測(cè)量數(shù)據(jù)、數(shù)碼影像數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)及慣性測(cè)量數(shù)據(jù)都

15、傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理作準(zhǔn)備。（二）內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理 機(jī)載激光掃描儀原始數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理階段，生成數(shù)字表面模型DSM，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的過濾和特征提取，得到與建模相關(guān)的地形和地物等信息，才可供后續(xù)的應(yīng)用。(1) 原始飛行數(shù)據(jù)。機(jī)載GPS與地面基站GPS的空間位置數(shù)據(jù)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)、激光反射強(qiáng)度信息以及回波數(shù)據(jù)、原始數(shù)碼影像。(2) 航線重構(gòu)。航線重構(gòu)為后期的航帶拼接，接邊檢查提供了數(shù)據(jù)支持。通過對(duì)地面基站GPS數(shù)據(jù)和機(jī)載GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合差分解算，就可以精確確定飛機(jī)飛行軌跡。(3) 激光數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差和異常值剔除。在處理激光測(cè)距原始數(shù)據(jù)時(shí)必須剔除異常點(diǎn)，即測(cè)距遠(yuǎn)大于飛行高度的奇異

16、點(diǎn)或測(cè)距值特別小的無效數(shù)據(jù)。(4) 計(jì)算激光點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。對(duì)飛機(jī)GPS軌跡數(shù)據(jù)、INS飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)、激光測(cè)距數(shù)據(jù)及激光掃描鏡的擺動(dòng)角度數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合處理，最后得到各測(cè)點(diǎn)的(x，Y，z)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。(5) 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用GPsINS組合系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位所提供的定位信息屬于W6S-84坐標(biāo)系，如果測(cè)量結(jié)果屬于其它坐標(biāo)系，則必須解決定位結(jié)果的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。(6) 點(diǎn)位數(shù)據(jù)讀寫。系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)經(jīng)硬件廠商的初步處理后交到用戶手中，由于產(chǎn)品的制造商不同，所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)的格式也不同。(7) 航帶拼接。利用飛行同步獲取的地面高清影像，可以確定和消除航帶間的系統(tǒng)誤差。航帶拼接的目的是提高重疊區(qū)域數(shù)據(jù)精度，滿足接

17、邊地物的連貫性。(8) 多源數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。遙感圖像的成像模式具有多樣性，通?？梢栽谕坏貐^(qū)獲得不同傳感器、不同尺度、不同時(shí)相的數(shù)據(jù)，所以在融合這些多源數(shù)據(jù)時(shí)就必須應(yīng)用圖像配準(zhǔn)技術(shù)，用以校正各類圖像之間的差異。(9) 濾波。目前用于機(jī)載激光掃描數(shù)據(jù)濾波的方法大致可分為數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波法、移動(dòng)窗口法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、基于地形坡度濾波等。(10) 人工編輯。人工交互編輯的目的是剔除自動(dòng)濾波，自動(dòng)分類沒有濾掉的部分粗查和未分類正確的激光點(diǎn)。(11) 接邊檢查。為確保接邊區(qū)域的地物完整和準(zhǔn)確，需要進(jìn)行基于地物特征的算法和目視判讀方法支持。(12) 生成DEMDSM。經(jīng)過上述處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插等運(yùn)算，生成可以滿足工程標(biāo)準(zhǔn)的DEM和DSM。3、特點(diǎn)與傳統(tǒng)航空攝影測(cè)量技術(shù)相比,該技術(shù)具有直接快速獲取三維空間數(shù)