三維激光掃描技術與應用實例

維激光掃描技術與應用實例三吳旭祥

隨著科技不斷發(fā)展,測繪技術不斷更新，地形測量的方法由傳統(tǒng)的平板白紙測圖、經(jīng)緯儀測圖等，發(fā)展到現(xiàn)在的全站儀、GPS實時動態(tài)定位(RTK)、數(shù)字攝影測量等，近幾年，地形測量一體化技術飛速發(fā)展，測量領域的高精度儀器越來越多。三維激光掃描儀就是其中的一種，它的發(fā)展更推動了地形測量向高科技立體圖形的發(fā)展。傳統(tǒng)地形測量平板白紙測圖經(jīng)緯儀測圖現(xiàn)今地形測量全站儀測圖GPS-RTK測圖數(shù)字攝影測量地形測量一體化·三維激光掃描

數(shù)字測圖技術的發(fā)展

三維激光掃描技術的概念三維激光掃描儀（3Dlaserscanner）通過放射激光來掃描獲得被測物體表面三維坐標和反射光強度的儀器。三維激光掃描技術(3DLaserScanningTechnology)

三維激光掃描技術，是通過三維激光掃描儀獲得目標物體的表面三維數(shù)據(jù)；對獲得的數(shù)據(jù)進行處理、計算、分析；進而利用處理后的數(shù)據(jù)從事后續(xù)工作的綜合技術。三維激光掃描技術又稱為“實景復制技術”，它不同于單純的測繪技術，主要面對高精度逆向工程的三維建模與重構。接受非接觸目標的方法，無需反射棱鏡，對掃面目標物體不需進行任何表面處理，干脆采集物體表面的三維數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)完全真實牢靠。非接觸測量采樣點數(shù)據(jù)遠遠高于傳統(tǒng)測量的采樣點數(shù)據(jù),脈沖式激光掃描方法的采樣點數(shù)可達到數(shù)千點/秒,而相位式的激光測量更可高達數(shù)十萬點/秒。數(shù)據(jù)采樣率高三維激光掃描技術可以不受掃描環(huán)境的影響主動放射激光,通過自身放射的激光的回波信息來解得目標物表面點的三維坐標信息。主動放射掃描光源三維激光掃描可以快速的獲得高精度,高辨別率的海量的點位數(shù)據(jù),就可以高效率的獲得目標物表面點的三維坐標,從而達到高辨別率的目的。高辨別率、高精度通過干脆獲得數(shù)字信號采集數(shù)據(jù)的,所以具有全數(shù)字特征,便利進行后期處理和輸出,且它的后期處理軟件與其他軟件有很好的共享性。數(shù)字化兼容性好多學科融合涉及現(xiàn)代電子、光學、機械、限制工程、圖像處理、計算機視覺、計算機圖形學、軟件工程等技術，是多種先進技術的集成。

三維激光掃描技術的特點傳統(tǒng)工程測量中，對三維數(shù)據(jù)的獲得主要有：RTK定位皮尺量測全站儀特征點采集基于光學攝影測量原理的近景攝影測量、航空攝影測量等;接受三維激光掃描技術的方法：無需設置反射棱鏡進行無接觸測量，在人員難以企及的緊急地段運用優(yōu)勢明顯;突破單點測量方式，以高密度、高辨別率獲得掃描物體的海量點云數(shù)據(jù)，對目標描述細致、采樣速率高，傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)；三維激光掃描技術與傳統(tǒng)測量技術的區(qū)分B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23三維激光掃描儀可以獲得高密度的觀測目標的表面海量數(shù)據(jù)，采樣速率高，對目標的描述細致。三維激光掃描技術與傳統(tǒng)測量技術的區(qū)分三維激光掃描儀按掃描平臺機載激光掃描系統(tǒng)地面型激光掃描系統(tǒng)便攜式激光掃描系統(tǒng)有效掃描距離短距離激光掃描儀中距離激光掃描儀長距離激光掃描儀航空激光掃描儀其最長掃描距離不超過3m，適合用于小型模具的量測，不僅掃描速度快且精度較高最長掃描距離小于30m，多用于大型模具或室內(nèi)空間的測量掃描距離大于30m，主要應用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測量掃描距離大于1km，并且需要配備精確的導航定位系統(tǒng)，可用于大范圍地形的掃描測量

三維激光掃描儀的分類1.生產(chǎn)廠家較少，三維激光掃描儀市場近乎壟斷；2.新技術的前期應用伴隨著高投入；3.三維激光掃描儀的運用單位較少；

三維激光掃描儀作為測繪界的最新技術和儀器，在國內(nèi)的應用還處于起步階段，有以下幾個方面的問題和發(fā)展趨勢：越來越多的國內(nèi)外測繪儀器廠家起先涉足三維激光掃描儀的研發(fā)生產(chǎn)工作，越來越多的生產(chǎn)施工單位起先熟悉并運用三維激光掃描儀，儀器的價格會隨之下降。儀器價格較昂貴難以滿足一般用戶的需求精度檢測沒有形成完整體系硬件得到進一步改進，激光掃描儀有更高的測量精度，應用精度會不斷提高，各系統(tǒng)之間的融合性會逐步加強。工程應用技術標準和規(guī)范還未出臺；數(shù)據(jù)精度處理算法應用滯后；各品牌儀器的數(shù)據(jù)兼容性差；數(shù)據(jù)處理方法較繁瑣點云數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理相對繁瑣；數(shù)據(jù)處理方法尚未完善；數(shù)據(jù)處理軟件功能會不斷加強，三維建模的方法會不斷優(yōu)化。

三維激光掃描技術存在的問題與發(fā)展趨勢三維激光掃描技術的組成核心是激光放射器、激光反射鏡、激光自適應聚焦限制單元、CCD技術、光機電自動傳感裝置等。利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，獲得大量的點云數(shù)據(jù)，可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。系統(tǒng)組成工作原理

三維激光掃描系統(tǒng)的組成和原理由激光器對被測目標放射一個光脈沖，然后接收系統(tǒng)接收目標反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖來回的時間來算出目標的距離：t的測量：在確定時間起始點之間用時鐘脈沖填充計數(shù)。t開始結束t=NT時鐘脈沖測距方法——脈沖激光測距

三維激光掃描系統(tǒng)的組成和原理接受無線電波段的頻率對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光來回一次所產(chǎn)生的相位延遲，再依據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離，即用間接方法測定出光經(jīng)來回所需的時間。t短距離、高精度，精度可達毫米級。

三維激光掃描系統(tǒng)的組成和原理測距方法——相位差測距測量過程中由投影裝置把光柵圖像投影到被測物體表面,同時運用相機拍攝下經(jīng)被測物體表面調(diào)制而發(fā)生變形的光柵圖像,然后通過對變形的光柵圖像進行處理,計算出代表物體高度的相位信息。

三維激光掃描系統(tǒng)的組成和原理測距方法——結構光測距

原理

參數(shù)飛行時間結構光脈沖法相位差法激光發(fā)射裝置固體激光器（紅寶石、YAG）連續(xù)光源激發(fā)器（He-Ne）連續(xù)光源激發(fā)器（He-Ne）測量距離遠近非常近測量精度低高非常高掃描速度慢快慢

三維激光掃描系統(tǒng)的組成和原理測距方法——不同測距原理技術的對比精確度Accuracy：是指測得值與真實值之間相符合的程度。精密度Precision：指在相同條件下N次重復測定結果相符合的程度。鑒于不行能獲得真實值，只能用更精密儀器的測量值作為近似真實值，且精確度與精確度之間有確定的相關性，故實際中用精確度Accuracy來衡量儀器的測量性能。

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)——精確度與精密度掃描儀供應的精度參數(shù)點位精度距離精度角精度表面建模精度標靶獲得精度

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)——辨別率掃描辨別率包含以下參數(shù)：

光斑大小點間距距離辨別率一般來說，辨別率越高，表面建模精度越高，重建得到的模型越精細。辨別率隨測距原理、實測距離的變更而變更：

距離越遠光斑越大距離越遠點間距越大物理定義：單位時間內(nèi)掃描物體的長度廠商定義：單位時間內(nèi)放射（接收）激光點數(shù)（受散射等緣由，激光放射/接收裝置放射N個激光點僅能接收到N/3—N/5個點）

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)主要技術參數(shù)——掃描速度主要技術參數(shù)——激光放射頻率激光放射頻率—PRR(Pulse

Repetition

Rate)激光脈沖的放射頻率越高，在單位時間內(nèi)所放射的激光點的數(shù)量越多主要技術參數(shù)——激光放射頻率反射率—投射到物體上面被反射的激光能量與投射到物體上的總激光能量之比,干脆影響到激光掃描儀的實際測距實力。當PRR=f時，放射相鄰兩個激光點的間隔時間：則單位時間內(nèi)可以放射的激光點數(shù)量N為：這與廠商的掃描速度定義相同因此也有廠商將激光放射頻率稱作掃描速度

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)PRR與單位時間放射點數(shù)N的關系當PRR=f時，放射相鄰兩個激光點的間隔時間：光速為C，則掃描儀理論最大掃描距離D為：頻率越高，射程越近這也是相位式掃描儀普遍射程偏近的緣由PRR與掃描距離（激光射程）的關系

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)掃描距離越遠，辨別率越低為了獲得更精確的模型，就須要增加PRR以增加放射激光點數(shù)量相應地也就增加了掃描時間辨別率與表面建模精度有關與測量精度無關，廠商往往將之混為一談

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)掃描距離（激光射程）與精度的關系掃描距離（激光射程）與辨別率的關系精度與辨別率的關系掃描距離越遠，精度越低當反射率、掃描距離固定時，可以來衡量三者之間的關系：由于對于實際的待測物體，反射率與掃描距離總是固定點，對任何品牌的掃描儀都是這樣，而辨別率則由用戶具體需求確定，也可認為是固定值，因此：PRR越高的掃描儀，其掃描速度越快。這也是相位式掃描儀宣稱速度快的緣由。辨別率越高，掃描速度越慢PRR越高，掃描速度越快PRR、辨別率與掃描速度的關系

三維激光掃描系統(tǒng)的主要技術參數(shù)

三維激光掃描系統(tǒng)的主要應用領域從應用領域上分：從用途上分：工廠數(shù)字化三維設計改造數(shù)字城市管道三維工程改造重新設計數(shù)字文物（大佛雕塑景觀小區(qū)）存檔礦區(qū)土方開挖斷面和體積量測建立三維數(shù)字化多源數(shù)據(jù)庫地形測量土地資源調(diào)查建筑物平、立、剖面圖的制作船舶外形測量考古現(xiàn)場記錄事故現(xiàn)場調(diào)查工程施工質(zhì)量監(jiān)控，規(guī)劃，管理采礦業(yè)、測繪工程、結構測量、逆向工程、數(shù)字城市、數(shù)字工廠、文物疼惜、虛擬現(xiàn)實、醫(yī)學、消遣業(yè)、土木工程等。數(shù)值計算形變分析——重建目標三維模型——距離測量、面積計算、體積計算、容積計算——前后測量數(shù)據(jù)對比，分析表面形變?nèi)S重建隧道量測的主要方面輪廓線放樣掌子面定位鋼架安裝定位開挖方量計算超欠挖分析掌子面測量超前地質(zhì)預報紅外探水地質(zhì)雷達TSP超前水平鉆加深炮孔巖層結構分析噴漿平整度斷面分析噴漿厚度分析二襯厚度分析噴漿厚度分析變形監(jiān)測施工量計算隧道工程監(jiān)控

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用隧道施工與驗收針對隧道工程施工的特殊性，使得隧道測量變成了測量學的難題隧道挖方量的計算多挖欠挖比較緊急的環(huán)境怎樣快速的獲得數(shù)據(jù)這些隨著三維激光掃描技術在隧道施工驗收方面的應用變的迎刃而解，為隧道施工節(jié)約大量成本，降低外業(yè)的緊急系數(shù)，為隧道施工驗收供應最好的解決方案。三維激光掃描法與傳統(tǒng)隧道測量系統(tǒng)（TMS）方法對比

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用兩種方法的效率耗時（分鐘）

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用具體施工步驟：

提前將全部的設備、棱鏡、參考球的高度，調(diào)成一樣。

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用第一步:起先測量,勘測腳架和參考限制點

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用其次步:參考球取代棱鏡，三維激光掃描儀起先測量采集

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用點云數(shù)據(jù)預處理將掃描到的數(shù)據(jù)導入儀器自帶的后處理系統(tǒng)中，對所有站點掃描數(shù)據(jù)進行坐標變換，使其位于同一坐標系內(nèi)點云配準除去點云數(shù)據(jù)中由于某些環(huán)境因素的影響，比如行人和被測實體表面存在的缺陷等點云去噪數(shù)據(jù)精簡

在不影響曲面重構和保持一定精度的情況下，對數(shù)據(jù)進行精簡，從而減少數(shù)據(jù)的處理量，提高處理速度。數(shù)據(jù)導出

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用第三步:在Scene軟件中利用固定限制參考點實現(xiàn)配準拼接

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用可利用信息:

腳架上的掃描數(shù)據(jù)點

腳架上的參考球

內(nèi)建傾角探測器第四步:固定點的配準

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用優(yōu)勢:-在現(xiàn)場耗時是原來的?-后續(xù)處理時間只需原來的?-精確度的提高第五步:過濾器（去噪）和點云數(shù)據(jù)稀釋（精簡）

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用優(yōu)勢:內(nèi)存消耗削減16倍噪聲削減4倍第六步:清掃后的點云,純隧道數(shù)據(jù)——三維視圖

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用第七步:連續(xù)5站的掃描–3D視圖

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用第八步:導入數(shù)據(jù)到專用的隧道軟件RR-Tunnel第九步:統(tǒng)一掃描點的辨別率

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用定義點距統(tǒng)一點云的辨別率第十步:在RR-Tunnel中生成點云

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用隧道計算結果

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用依據(jù)之前的設置，計算實測斷面實測與設計斷面輪廓之間的偏差立刻顯示出來自動輸出AutoCAD的*.dwg格式

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用生成三維視圖生成隧道體積和表面積的計算結果報告自動計算如下·:理論體積實際體積過挖體積欠挖體積理論表面實際表面

…顯示限制區(qū)內(nèi)的欠挖點

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用

限制區(qū)內(nèi)點的三維數(shù)據(jù)被輸出到全自動的隧道施工機械中，解決超欠挖問題。將點云數(shù)據(jù)的三維坐標數(shù)據(jù)導入到全站儀中，全站儀可以用可見激光指示這些點，指導挖機施工。

三維激光掃描系統(tǒng)在隧道施工的應用測量結果指導現(xiàn)場施工

三維激光掃描系統(tǒng)的其他應用礦山、油罐、土石方，是三維激光掃描最強的領域，以海量的真值計算體積，可以動態(tài)實時的測量并上傳。體積的計算：

三維激光掃描系統(tǒng)的其他應用建立數(shù)字三維城市：從測繪的角度，建立厘米級、真彩色、真三維的數(shù)字城市模型。考古文物疼惜：

三維激光掃描系統(tǒng)的其他應用考古挖掘現(xiàn)場記錄、文物數(shù)字化模型、文物復原。