三維激光掃描儀的原理與其應(yīng)用

（完整版）三維激光掃描儀的原理與其應(yīng)用三維激光掃描儀2。1三維激光掃描儀研究背景自上個(gè)世紀(jì)60年代激光技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)，激光技術(shù)以其單一性和高聚積度在20世紀(jì)獲得巨大發(fā)展.實(shí)現(xiàn)了從一維到二維直至今天廣泛應(yīng)用的三維測(cè)量的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了無(wú)合作目標(biāo)的快速高精度測(cè)量。而且數(shù)字地球，數(shù)字城市等一系列概念的提出，我們可以看到:信息表達(dá)從二維到三維方向的轉(zhuǎn)化，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的過(guò)渡將是推動(dòng)我國(guó)信息化建設(shè)和社會(huì)經(jīng)資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要武器。目前，各種各樣的三維數(shù)據(jù)獲取工具和手段不斷地涌現(xiàn)，推動(dòng)著三維空間數(shù)據(jù)獲取向著實(shí)時(shí)化、集成化、數(shù)字化、動(dòng)態(tài)化和智能化的方向不斷地發(fā)展，三維建模和曲面重構(gòu)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1].傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)主要是單點(diǎn)精確測(cè)量，難以滿足建模中所需要的精度、數(shù)量以及速度的要求.而三維激光掃描技術(shù)采用的是現(xiàn)代高精度傳感技術(shù)，它可以采用無(wú)接觸方式，能夠深入到復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作?？梢灾苯荧@取各種實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)，得到被測(cè)物體表面的采樣點(diǎn)集合“點(diǎn)云",具有快速、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的特點(diǎn)?；邳c(diǎn)云模型的數(shù)據(jù)和距離影像數(shù)據(jù)可以快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型，并能獲得三維空間的線、面、體等各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如測(cè)繪、計(jì)量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測(cè)、虛擬現(xiàn)實(shí)等.其中，地面三維激光掃描技術(shù)的研究，已經(jīng)成為測(cè)繪領(lǐng)域中的一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。它采用非接觸式高速激光測(cè)量的方式，能夠獲取復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，最終由后處理數(shù)據(jù)的軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，能以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源和不同項(xiàng)目的需要。目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到文物的保護(hù)、建筑物的變形監(jiān)測(cè)、三維數(shù)字地球和城市的場(chǎng)景重建、堆積物的測(cè)定等多個(gè)方面。2.2三維激光掃描技術(shù)研究現(xiàn)狀2。2。1主要的三維激光掃描儀介紹隨著三維激光掃描技術(shù)研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)掃描儀的商家也越來(lái)越多.主要的有瑞士Leica公司，美國(guó)的FARO公司和3DDIGITAL公司、奧地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法國(guó)MENSI公司、中國(guó)的北京榮創(chuàng)興業(yè)科技發(fā)展公司等。這些掃描儀在掃描距離、掃描精度、點(diǎn)間距和數(shù)量、光斑點(diǎn)的大小等指標(biāo)有所不同⑵.主要的分類(lèi)見(jiàn)圖1一1和表1-1。圖1-1目前市場(chǎng)上幾種三維激光掃描系統(tǒng)產(chǎn)品圖結(jié)合實(shí)際工程的需要，根據(jù)項(xiàng)目的需求進(jìn)行綜合考慮，選擇最合適的掃描儀。LeicaHDS2500，比較適用于視場(chǎng)角度小的掃描物體，最佳測(cè)量距離為50m—60m時(shí)，其點(diǎn)位精度可達(dá)到6mm,觀測(cè)范圍是40°X40°。而LeicaHDS3000擇比較適用于建筑土木工程、施工監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)等項(xiàng)。因?yàn)椋?0m處測(cè)距精度為4mm,觀測(cè)范圍為360°X270°，掃描范圍為300m（90%反射率）和134m（18%反射率）；還有LeicaHDS4500可以測(cè)量到10萬(wàn)-50萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，觀測(cè)范圍為360°X310°，最佳掃描范圍為1m—25m,這樣比較適合在短時(shí)間內(nèi)獲取大量高清晰測(cè)量數(shù)據(jù)的工程項(xiàng)目，如一些難以進(jìn)入內(nèi)部而且比較復(fù)雜的工作現(xiàn)場(chǎng)、隧道、工業(yè)儀器設(shè)備制造和文物修復(fù)還原工程應(yīng)用等.LeicaHDS6000每秒可以測(cè)量到50萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，觀測(cè)范圍為360°X310°，掃描范圍為79m（90%反射率）和50m（18%反射率），運(yùn)用當(dāng)前的技術(shù)革新手段，采用合理的方法減少了測(cè)量過(guò)程中需要的控制點(diǎn)的點(diǎn)數(shù)，提高了野外作業(yè)的效率.Rigel公司根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)研究的需求，生產(chǎn)的三維激光掃描儀有機(jī)載激光掃描儀LMS-Q560、地面三維激光掃描儀LMS—Z420i、工業(yè)激光掃描儀LMS—Q120等；Optech公司的ILRIS-3D,是一臺(tái)具有完整、完全便攜式的激光影像與數(shù)字化的測(cè)圖系統(tǒng)的儀器,掃描范圍在3m-1500m之間，可用于工程項(xiàng)目、商業(yè)策劃、采礦和工業(yè)市場(chǎng);MENSI公司的產(chǎn)品主要是短距離高精度的3D測(cè)量應(yīng)用，能夠達(dá)到0.25mm的精度，為工業(yè)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，設(shè)備加工和質(zhì)量監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域提供了全新的測(cè)量手段；KonicaMinolta公司的VIVID9i是專為逆向工程而設(shè)計(jì)的，掃描范圍僅10米以內(nèi)，屬于超短程三維激光掃描系統(tǒng).表1-1三維激光掃描系統(tǒng)分類(lèi)劃分指標(biāo)儀器類(lèi)型承載平臺(tái)機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)車(chē)載三維激光掃描系統(tǒng)固定站式三維激光掃描系統(tǒng)手持三維激光掃描儀掃描距離遠(yuǎn)程，最遠(yuǎn)距離300米OptechILRIS-3D中程，最遠(yuǎn)距離100mLeicaHDS3000短程，最遠(yuǎn)距離10m-25mLeicaHDS4500超短程，最遠(yuǎn)距離10m以內(nèi)，faro激光掃描測(cè)量臂掃描現(xiàn)場(chǎng)矩形掃描系統(tǒng)環(huán)形掃描系統(tǒng)穹形掃描系統(tǒng)掃描方式線掃描系統(tǒng)面掃描系統(tǒng)測(cè)距原理脈沖飛行時(shí)間差測(cè)距相位差測(cè)距三角測(cè)量原理2。2。2激光雷達(dá)技術(shù)的一般流程激光雷達(dá)技術(shù)包含從外業(yè)的數(shù)據(jù)采集到配準(zhǔn)，數(shù)據(jù)的預(yù)處理到最后成果的輸出和應(yīng)用等系列過(guò)程。（1）外業(yè)數(shù)據(jù)的獲取掃描前需要準(zhǔn)備的工作主要包含兩部分：一是控制網(wǎng)布設(shè)，二是掃描站點(diǎn)布設(shè)。而控制網(wǎng)的布設(shè)主要考慮到控制點(diǎn)之間的通視性和控制網(wǎng)的幾何圖形，同時(shí)要結(jié)合實(shí)地不同的情況需要進(jìn)行合理的選點(diǎn).在布設(shè)好的控制網(wǎng)基礎(chǔ)上，可以設(shè)立站點(diǎn)，站點(diǎn)的設(shè)計(jì)既要保證能夠完全采集所需要的對(duì)象的數(shù)據(jù)，還要能和控制網(wǎng)聯(lián)立起來(lái)，以便整體距離影像配準(zhǔn)及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。外業(yè)數(shù)據(jù)掃描就是通過(guò)實(shí)際的掃描站點(diǎn)布設(shè)，根據(jù)特征合理的掃描點(diǎn)間距和范圍，采集多個(gè)視角、多個(gè)位置的數(shù)據(jù)構(gòu)成完整的目標(biāo)對(duì)象。（2）距離影像的配準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)采集包含不同視點(diǎn)和位置的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要統(tǒng)一到一個(gè)整體的位置，必須要在相鄰站點(diǎn)中尋找控制點(diǎn)或類(lèi)似的公共部分，通過(guò)這些特征條件來(lái)利用這些約束關(guān)系將距離影像配準(zhǔn)，最終將所有距離影像統(tǒng)一到基準(zhǔn)坐標(biāo)系中。坐標(biāo)系統(tǒng)也要根據(jù)具體情況而定，一般需要轉(zhuǎn)換到測(cè)量坐標(biāo)系或者是建筑坐標(biāo)系，或者是空間對(duì)象的局部坐標(biāo)系。（3）數(shù)據(jù)的預(yù)處理數(shù)據(jù)預(yù)處理包含噪聲削減與去除兩部分。距離影像的原始數(shù)據(jù)噪聲包含兩部分，一部分是由于激光雷達(dá)本身在獲取對(duì)象表面數(shù)據(jù)過(guò)程中，包含有外界不相干目標(biāo)的遮擋而產(chǎn)生的距離影像數(shù)據(jù)本身存在的噪聲。另一種噪聲就是數(shù)據(jù)配準(zhǔn)過(guò)程中存在誤差產(chǎn)生，最常見(jiàn)的就是數(shù)據(jù)疊加產(chǎn)生的“厚度”⑶，在利用數(shù)據(jù)之間，需要對(duì)這些噪聲做一定的處理工作，對(duì)于第一類(lèi)數(shù)據(jù)噪聲通?？梢圆捎檬止みx擇刪除的方法，對(duì)于后者一般采用重疊區(qū)域的重采樣或者其它削減的手段.（4）成果制作與輸出激光雷達(dá)技術(shù)最直接的成果就是整體的距離影像模型和三維的重建模型，影像可制作的成果包含原始的模型、剖面、特征體和數(shù)據(jù)模型（包含三角網(wǎng)、Nurbs、簡(jiǎn)單幾何模型等）.也可以制作彩色的模型，輸出正射影像圖和立體模型等。2。3三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀2。3。1在文化遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用中的研究現(xiàn)狀在信息技術(shù)時(shí)代高度發(fā)展的今天，文化遺產(chǎn)的數(shù)字化發(fā)展程度已經(jīng)成為評(píng)價(jià)一個(gè)國(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要標(biāo)志之一。用現(xiàn)代信息技術(shù)可使文化遺產(chǎn)數(shù)字化，具有重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)意義。文化遺產(chǎn)數(shù)字化可以保存一份真實(shí)的、完整的數(shù)據(jù)記錄，一旦出現(xiàn)意外破壞，可以根據(jù)這些真實(shí)的數(shù)據(jù)重新進(jìn)行修復(fù)和完善；文化遺產(chǎn)數(shù)字化將為旅游業(yè)發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇，基于數(shù)字技術(shù)的旅游網(wǎng)絡(luò)業(yè)，可以建立虛擬旅游景點(diǎn)，全面開(kāi)發(fā)旅游文化資源，徹底改變旅游服務(wù)模式，成為網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)中“異軍突起”的一支力量，這樣的“旅游活動(dòng)"也與當(dāng)代“素質(zhì)教育”的基本主題產(chǎn)生了重大聯(lián)系，它提高現(xiàn)代人的文化素質(zhì)與涵養(yǎng)，還有助于人們形成現(xiàn)代文化的思想，從而對(duì)現(xiàn)代人的精神世界產(chǎn)生影響；文化遺產(chǎn)數(shù)字化將激發(fā)現(xiàn)代教育不斷向前發(fā)展，在數(shù)字技術(shù)教育產(chǎn)品市場(chǎng)需求大量增加的情況下，大量可接觸和不可接觸的文化遺產(chǎn)正在轉(zhuǎn)化為最有價(jià)值的產(chǎn)業(yè)資源，利用數(shù)字化信息技術(shù)在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中再現(xiàn)真實(shí)的歷史地理信息，能夠與博物館、圖書(shū)館、檔案館的文字資料、文物圖像實(shí)現(xiàn)“鏈接”，甚至可輔以不同領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的咨詢與解說(shuō)，使得傳統(tǒng)的課堂教育與廣義的文化信息資源實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鏈接，從而將傳統(tǒng)的應(yīng)試教育與素質(zhì)教育走向一個(gè)新的領(lǐng)域.（完整版）三維激光掃描儀的原理與其應(yīng)用利用三維激光掃描技術(shù)，對(duì)文物實(shí)體和實(shí)景進(jìn)行拍攝建模，對(duì)僅留殘跡的古建筑、古遺址實(shí)施計(jì)算機(jī)三維圖形模擬還原、再現(xiàn)本來(lái)的風(fēng)貌；或利用計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)可以進(jìn)行三維物體設(shè)計(jì)應(yīng)用于文物的復(fù)仿制工藝中；或用于文物三維模型重建、保存數(shù)據(jù)、輔助修復(fù)等，從而將文物的展示、保護(hù)提高到一個(gè)嶄新的階段，推動(dòng)文博行業(yè)更快地進(jìn)入信息時(shí)代，實(shí)現(xiàn)文物展示和保護(hù)的現(xiàn)代化。2.3.2在空間信息技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀地球空間信息技術(shù)是當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)之一，信息的獲取、處理及應(yīng)用是其研究的三大主題。空間信息的快速獲取與自動(dòng)處理技術(shù)也是“數(shù)字地球”、“數(shù)字城市”急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的測(cè)距測(cè)角工程測(cè)量方法，在理論、設(shè)備和應(yīng)用等諸多方面都已相當(dāng)?shù)某墒?，新型的全站儀可以完成工業(yè)目標(biāo)的高精度測(cè)量,GPS可以全天侯精確定位全球任何位置的三維坐標(biāo)，但它們多用于稀疏目標(biāo)點(diǎn)的高精度測(cè)量，對(duì)于目標(biāo)點(diǎn)密集的物體及水下目標(biāo)、目標(biāo)點(diǎn)眾多且處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體等，它們則顯得無(wú)能為力了。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的發(fā)展為人們獲取豐富的空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段.激光掃描技術(shù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、電荷耦合（CCD）等技術(shù)相結(jié)合，在大范圍數(shù)字高程模型（DTM）的高精度實(shí)時(shí)獲取、城市三維模型重建、局部區(qū)域的地理信息獲取等方面表現(xiàn)出強(qiáng)勁的優(yōu)勢(shì)成為攝影測(cè)量與遙感技術(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充.當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外很多科研院校正在加快三維激光影像掃描技術(shù)的基礎(chǔ)理論和技術(shù)應(yīng)用方面的研究。為促進(jìn)激光掃描技術(shù)的發(fā)展和加強(qiáng)在這方面的交流，ISPRSWGIII/3將研究的主體定為從激光掃描儀和其它傳感器獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，ISPRSWGV/3將研究的主體定為地面激光掃描儀。它們會(huì)定期舉行會(huì)議，加大系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者、數(shù)據(jù)供應(yīng)商和用戶之間的交流，展示最近的研究成果，討論以后的發(fā)展趨勢(shì)和潛在的應(yīng)用等.三維激光掃描技術(shù)在空間信息領(lǐng)域正如火如荼的進(jìn)行著，并隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及從點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建三維模型數(shù)據(jù)處理方法的日益完善，更好的服務(wù)于人類(lèi)，滿足人們的要求，提高人民的生活水平.2。3。3在其他領(lǐng)域應(yīng)用研究現(xiàn)狀隨著三維激光掃描技術(shù)、三維建模的研究以及計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，逐步從科學(xué)研究發(fā)展到進(jìn)入了人們?nèi)粘Ｉ畹念I(lǐng)域。在制造業(yè)中，基于三維激光掃描儀數(shù)據(jù)的快速原型法為產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了另一種思路，縮短了設(shè)計(jì)和制造周期、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，極大地滿足了工業(yè)生產(chǎn)的需求，它與虛擬制造技術(shù)（VirtualManufacturing）一起，被稱為未來(lái)制造業(yè)的兩大支柱技術(shù)，目前已成為各國(guó)制造科學(xué)研究的前沿學(xué)科和研究焦點(diǎn)。在牙齒矯正和顱骨修復(fù)等醫(yī)療領(lǐng)域利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重構(gòu)和造型［4］基于三維激光掃描儀重建的三維模型，可直接應(yīng)用到國(guó)防單位、法律執(zhí)行機(jī)關(guān)及政府機(jī)構(gòu)等安全辨認(rèn)上。在電腦游戲業(yè)方面，制作者盡量追求游戲的真實(shí)和畫(huà)面的華麗，于是三維游戲應(yīng)運(yùn)而生，從人物到場(chǎng)景，利用三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)構(gòu)建三維場(chǎng)景，不但具有很好的視覺(jué)效果和沖擊力，而且人物設(shè)計(jì)及豪華的3D場(chǎng)景刻畫(huà)極為精致細(xì)膩，對(duì)比以前比較呆板的2D游戲，其在真實(shí)性和吸引力上的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的.在電影特技制作方面，也有著廣泛的應(yīng)用。演員、道具等由掃描實(shí)物建立計(jì)算機(jī)三維模型后，許多危險(xiǎn)的鏡頭只需要在計(jì)算機(jī)前操作鼠標(biāo)就可以完成，而且制作速度快、效果好。最近幾年，三維建模技術(shù)運(yùn)用于電影制作取得了令人驚異的進(jìn)展。三維激光掃描技術(shù)的介入促進(jìn)了應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的大量需求成為研究的動(dòng)力。的動(dòng)力。第2章點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)算法的概述2。1配準(zhǔn)的意義和概念距離影像又稱點(diǎn)云，由無(wú)數(shù)具有灰度或彩色信息的空間點(diǎn)陣構(gòu)成。在影像合并拼接或配準(zhǔn)過(guò)程中，這種陣列形式可能被打亂，這時(shí)候距離影像中的點(diǎn)陣就變成散亂的點(diǎn)。由于被掃描物體或場(chǎng)景的復(fù)雜性和三維激光掃描儀的本身視場(chǎng)角掃描距離的限制，每次掃描只能獲取物體或場(chǎng)景某一個(gè)部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù).為了獲得完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，就必須從不同角度和不同位置對(duì)物體或場(chǎng)景進(jìn)行掃描。但是由于每次掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中，每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，都是相對(duì)于該掃描儀，是一個(gè)獨(dú)立的坐標(biāo)系.因此就需要通過(guò)配準(zhǔn)算法，將幾站處于不同坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系下，以得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，這個(gè)過(guò)程就是配準(zhǔn)。如下圖：激光雷達(dá)的影像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含極坐標(biāo)系、球坐標(biāo)系、柱坐標(biāo)系等多種，根據(jù)掃描儀的不同得到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也有差別，但最后獲取的距離影像都可以轉(zhuǎn)換成空間直角坐標(biāo)的形式表示。單幅距離影像的初始狀態(tài)一般都是以掃描儀中心為原點(diǎn)的獨(dú)立坐標(biāo)系，起始水平方向與儀器擺放的位置方向和儀器自身檢測(cè)的定位方向有關(guān)，垂直方向則跟儀器擺放的水平程度有關(guān).

2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的原理配準(zhǔn)是把多個(gè)不同站獲取的數(shù)據(jù)拼合在一起，生成一個(gè)單一的坐標(biāo)系統(tǒng)的過(guò)程。初始的坐標(biāo)系統(tǒng)是由指定的其中某一個(gè)獨(dú)立的基站位置和方向決定的.當(dāng)拼接完成后，多個(gè)ScanWorld就被合并到一個(gè)新的ScanWorld中.圖2-2—1圖2-2—1配準(zhǔn)原理示意圖[22]如圖2-2-1所示，視點(diǎn)1和視點(diǎn)2分別對(duì)同一實(shí)體？進(jìn)行掃描，每一站數(shù)據(jù)相應(yīng)的坐標(biāo)系為Scanworldl和Scanworld2,以這兩站數(shù)據(jù)為參考進(jìn)行配準(zhǔn).以Scanworldl作為基準(zhǔn)，實(shí)際上就是求Scanworld2到Scanworldl的變換參數(shù)，反之亦然。即由三個(gè)角元素（Q、o、k）組成的旋轉(zhuǎn)矩陣R和3個(gè)平移量（AX,AY,AZ）組成的平移向量T。變換條件滿足：、R<、R<y1.=Rz1、p，Xp2<y2}+TPz2p(2-2—1)由上式，就可以將Scanworld2轉(zhuǎn)換到Scanworld1的坐標(biāo)系中。第3章點(diǎn)云配準(zhǔn)方法的應(yīng)用研究3。1配準(zhǔn)前的準(zhǔn)備過(guò)程距離影像文件:該文件來(lái)自Leica公司的各系列掃描儀，我們主要使用的是Scanstaion2,它是全球掃描速度最快的脈沖式三維激光掃描儀，掃描速度50000點(diǎn)/s,是全球第一個(gè)帶有全站儀功能的三維激光掃描，其全方位視場(chǎng)角360°X270°，能夠掃描建筑的天花板或頂棚、橋梁下底面、架空管道支撐架、高大物體的立面、柱狀或塔式建筑物。全站儀的視場(chǎng)角沒(méi)有限制，Scanstaion2的雙軸補(bǔ)償為±5',比全站儀更加靈活和自由，可以根據(jù)測(cè)量控制點(diǎn)完成高精度的導(dǎo)線測(cè)量.

點(diǎn)云數(shù)據(jù)主要以。ptx文件格式存儲(chǔ)，該文件前兩行分別表示點(diǎn)云的行數(shù)和列數(shù)，第四行表示為位移矩陣，第五行至第七行表示為3*3的旋轉(zhuǎn)矩陣，第八行至十一行表示為4*4的變換矩陣，從十二行開(kāi)始至文件結(jié)尾，表示點(diǎn)的坐標(biāo)值和灰度值.其中無(wú)效點(diǎn)坐標(biāo)表示為(0000.500000)，整個(gè)文件可能被分成幾塊這樣的部分。使用WindowsXP操作系統(tǒng)，在CAD2006環(huán)境下安裝Cyclone5.8軟件，在按要求安裝好cyclone軟件.cyclone軟件是采用點(diǎn)線面約束和點(diǎn)云約束的配準(zhǔn)方法，結(jié)合點(diǎn)云配準(zhǔn)與多站距離影像整體配準(zhǔn)的原理實(shí)現(xiàn)的［刃。因此，為驗(yàn)證其各種方法的精度，可以采用Cyclone5°8軟件得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。雙擊運(yùn)行一下sos_cyclone。exe即可。1.運(yùn)行cyclone軟件。2。右鍵單擊SERVERS打開(kāi)Servers的ADD菜單，輸入本地計(jì)算機(jī)名(Richard)，點(diǎn)擊add后創(chuàng)建完服窗Cyc1one-NaviEataiJiltEdjtVanLc>if]gnr4TttlsBalp務(wù)器，如下圖:EilrHitE旺5窗Cyc1one-NaviEataiJiltEdjtVanLc>if]gnr4TttlsBalp務(wù)器，如下圖:EilrHitE旺5塊LaoLs世比GE￡地金茜IfsivifHoe□150：?_JSHDMCUTS云SCMHIFR?云SiaVEE[JIE3UHTCHISFileEditViawConfipifeCreateloolsHelpgcS龜咆K邸Cyclane-VaTTigatar-_J5ERVEES!白.?肇hchjjw由g匹廣卜??由5HDEICUI3_一|5CAFHEE5LieEdiiHia[(oiL?nreCteiteIodIeIdo9由》％￡-費(fèi)1OUDCreateShortcutinWind□胃3ObjectInfa...OntimizeImportHDE-45QQScans..MM姑：Ave.i10￡￡1irL-s-虹'同樣步驟右擊數(shù)據(jù)庫(kù)Richard單擊Database菜單的對(duì)話框里輸入DatabaseName(Taihedian)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)路徑;接著右擊Taihedian導(dǎo)入數(shù)據(jù)菜單import—找到需導(dǎo)入的文件后選擇Single,MergedCloud項(xiàng)點(diǎn)擊OK導(dǎo)入?？蛇B續(xù)導(dǎo)入幾個(gè)數(shù)據(jù)。3。2控制點(diǎn)配準(zhǔn)法的操作過(guò)程右擊Taihedian菜單，新建配準(zhǔn)窗口：Create-〉Registration后取名為“控制點(diǎn)配準(zhǔn)"，雙擊該項(xiàng)目彈出配準(zhǔn)操作窗口：Registration控制點(diǎn)配準(zhǔn)。點(diǎn)擊AddScanWorld圖標(biāo)或點(diǎn)擊ScanWorld菜單在級(jí)連菜單中（完整版）三維激光掃描儀的原理與其應(yīng)用選擇AddScanWorld項(xiàng)導(dǎo)入兩站數(shù)據(jù)，一定要包括一個(gè)基站數(shù)據(jù)，其他各站數(shù)據(jù)均以基站的坐標(biāo)系作為坐標(biāo)基準(zhǔn)，SetHomeScanWorld用來(lái)選定基站（點(diǎn)擊SetHomeScanWorld圖標(biāo)或點(diǎn)擊ScanWorld菜單在級(jí)連菜單中選擇SetHomeScanWorld項(xiàng))。_NgSc*.-!-drE.d.±t.里iqwG.orufigru□:-aCe.oa工ooZL二HelpLJJHV■團(tuán)IQtal>e=...LCaz.?mtc=映SIt.D3--Le=u~E1.ELWLXIs?□.IdjecLZErtFci.E_fo_iet_旦?本七atrs-LiorxMD己hJ-SJI3.C■S.a凸hiW。nridOe.timilinj>or-L3W545OCI..filq五耳尸女豆ZLdbIL隹！Qf￡l_irue工E~pa■--L._.接下來(lái)點(diǎn)擊Auto—AddConstraint圖標(biāo)或點(diǎn)擊Constraint菜單在級(jí)連菜單中選擇Auto—AddConstraint項(xiàng)自動(dòng)加入各個(gè)標(biāo)靶控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，接著點(diǎn)擊Register圖標(biāo)按標(biāo)靶點(diǎn)坐標(biāo)配準(zhǔn)，此時(shí)可以按根據(jù)已經(jīng)配準(zhǔn)的誤差調(diào)整那些點(diǎn)需要與否。精度要求達(dá)到后鎖定配準(zhǔn)結(jié)果和創(chuàng)建一個(gè)已配準(zhǔn)的ScanWorld，點(diǎn)擊CreateScanWorld/FreezeRegistration圖標(biāo)即完成此功能.最后從已配準(zhǔn)好的ScanWorld中創(chuàng)建ModelSpasce即可.下圖即為兩站的配準(zhǔn)結(jié)果：-火13白A06-火13白A06…3&Egc+IDCoarsciVertei:~Veri皿?…爹￡T*g：N工Dct5Cdiricileiat.：Vertei:~Ver1皿TarEetlDct4Cosraciltra+：Vwt163：—Vs『i5豪定TartTEl：ct2Coincilent：YertEZ-Ver1ex一土yy-4*13??湛TafEttlDct3Coincilent：Vertu-性『lac?盤(pán)TsrW工Dct5Coiriciierit：Vertei-Verthi?盤(pán)TarcetlDct4Coiriciierit：Vertei_VerteK?…浦￡TargitID'ct2Coinci：V&rt63~VartaxononDnotnotnDnong1.TOC0.005n(-3.CO1-0.301,3.CO3)n1.300C0.002n(30C1,Ci.COL,0.301)t1.DOOC0.OOEn(-J.C01-0.JOL,-0.03L：m1.300C0.OOZi.□0C1,Ci.COL,0.DOC)i.1.300C0.005Ti(-3.C01~0.DOJ.3.COD)nn,In1nI-IHU-IIIIIJm1mnrnnn?nnri.nminwi彳窗ELeg±Ei：Ea-tion:控fl點(diǎn)配誰(shuí)Rsgistra*tion.E-1ltEc^TiWorldCanstramtLiend.Con￡*bra.LutV:ewereH&lp卜；小置瑜**券欠唯/』普后扇.申1,上Sc孫?繇血‘Conitniini^|^gCDH^intList勺血州€^曙￡|3c±jlYu:Ld.i/Z：JJL1L:1.1.LIBT/pt2L±-.Ec:uiEc;uiLu:按以上步驟加入其他各站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后的結(jié)果如下圖:璃RcEistration:控制百配推2]on￡dilSaori^orldConstr-ainiCLoojdCojistraintVi?rzHalpX|=Jf|藏翊也]仔宣]|血底炬WX:知珈nmirtE|*C而枇-iK\locel商心Sc>ui￥orldE/CODstraantIDTyp^IStatusIVaightErrorSrrorVactorT3kLl-4*I控制些配擇II536^TaTgctU:eL3Caineiienl：VerteK-VerieKOni.aiaoa.004m(.032：.0322,0332；n:TargetHI:cL2Caineiienl：￥erteK-Vcriex:Oni.aiaoa.OOPm(.3.2C2,03ZC,0332；nTargctHI:Ctiinciilenl：VerteK-Vcriex:On.i.aiaoa.oocim(.032C.0ICC,0033)11TirgetTD:ct5Collie1leiit:VertE；c-V<ritxOni.aiaoa.001m(.0321.0ICC,0033)n親色TirgetTD:ctBCollie1leiit:VertE；c-V<ritxOki.aiao0.002m(.-3.2C2,03ZL,0332；nilJL.ScUlT4rlli控制點(diǎn)配癥IJIL^6^TiTgstlH:ct3Coimcideiit：Vertest-VeritsOn1.1X000.004m01皿-l：LLte_O.ttBjn^6^T:ct2CoincidEiit：VertE：r~VeritsOn1.1X000.IJU2mI；-LI.1X2,CLLCO,O.ttBjn爭(zhēng)TirgetlH:ct4CoimcidETit：ertE；c-V<rit3i：Ou1.1X00O.IJUOm01皿O.OX?ILOCB；InTirgetlH:ct5CoimcidETit：ertE；c-V<ritxOu1.1X00o.ijijimLU」-L[i.OXjILOCB；InT官jttlll:ct&:CoincidgiLt：Vertesc-VariesQnl.iMOOO.i：ii：i2mi；-Li.L02..ULffi..O.KOjn3.3特征面配準(zhǔn)法的操作過(guò)程按控制點(diǎn)配準(zhǔn)法的操作步驟新建配準(zhǔn)窗口后打開(kāi)Cyclone-Navigator主導(dǎo)航窗口，打開(kāi)需要拼接兩站的ModelSpaces窗口，分別切取點(diǎn)云中較平整的平面點(diǎn)云，至少需要三對(duì)平面作為約束條件進(jìn)行點(diǎn)云拼接，三對(duì)平面要求基本呈正交關(guān)系。通過(guò)PolygonalFenceMode（多邊形欄選）或RectangleFenceMode（矩形欄選）圖標(biāo)在ModelSpaces窗口點(diǎn)云中選中相應(yīng)的平面點(diǎn)云，單擊右鍵點(diǎn)擊級(jí)連菜單中的CopyFencedToNewModelSpace項(xiàng)，將選中平面點(diǎn)云復(fù)制到新的ModelSpaces中以便操作.在NewModelSpace中修剪一下點(diǎn)云，祛除噪聲點(diǎn)，操作步驟如下圖：準(zhǔn)備好要擬合的點(diǎn)云后單擊右鍵，F(xiàn)itFenced->Patch點(diǎn)擊后即將點(diǎn)云擬合為平面。接下來(lái)按下圖步驟將平面變?yōu)橐?guī)則矩形平面：

單擊快捷鍵i(information)彈出PatchInfo擬合信息框，主要是要查看FitQuality:ErrorStdDeviation=0.033m項(xiàng)，如果其值大于0.030m則要重新修剪點(diǎn)云重新擬合直至小于0.030m。擬合好平面之后將其標(biāo)記定名，操作如圖：關(guān)閉NewModelSpace時(shí)合并平面到原始點(diǎn)云中去并刪除現(xiàn)有平面，如圖:^ClasinganottierNadelSpaceoriginatingModeLSp^ClasinganottierNadelSpaceoriginatingModeLSporiginalNadelSpia.ce:￡ronorigiri：=ilUDdelSpaceThieMoilelSpaceivuecopiedaridcanLemerged1'ackint(按此步驟重復(fù)擬合三對(duì)點(diǎn)云備用.回到或打開(kāi)“Registration:特征面配準(zhǔn)"窗口點(diǎn)擊接下來(lái)點(diǎn)擊Auto—AddConstraint圖標(biāo)或點(diǎn)擊（完整版）三維激光掃描儀的原理與其應(yīng)用Constraint菜單在級(jí)連菜單中選擇Auto—AddConstraint項(xiàng)自動(dòng)加入三對(duì)擬合平面數(shù)據(jù)并從中delete掉控制點(diǎn)數(shù)據(jù)（右鍵單擊控制點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)delete即可），接著點(diǎn)擊Register圖標(biāo)按三對(duì)平面數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，此時(shí)可以按根據(jù)已經(jīng)配準(zhǔn)的誤差調(diào)整那些點(diǎn)需要與否（如果擬合多于三個(gè)平面的話）。精度要求達(dá)到后鎖定配準(zhǔn)結(jié)果和創(chuàng)建一個(gè)已配準(zhǔn)的ScanWorld,點(diǎn)擊CreateScanWorld/FreezeRegistration圖標(biāo)即完成此功能.最后從已配準(zhǔn)好的ScanWorld中創(chuàng)建ModelSpaces即可。下圖即為兩站的配準(zhǔn)結(jié)果：K彩席il蘇tratxun:有仕幗配世&egistration.Ed.itScsaVorlA.CoDstr-ainiCloudConstr-ainiVieaefsKalp用|好&域毒IZillC僵Is■虬1魄嗓染憐*.CufisLdinls|OoiHaitLrt電If巾胞渤r盼5cinYIorLdR/1匚Gmwtr臼irtIDTypeStituEYalghtIrrarErrorVictorE?|.*I：S白人JargdtlD：1:??糞7a￡'getID:4ae--415:冀STarpstlD：1TarfetID：2:=￡^lar31隊(duì)￡畦111：4ropl-an.-?r：Copl：=iiL：=il':Coplm*Copl：=iiL：=ii-:匚opl?皿:Coplanar：CppJ-sluslt:ropl-an-ar：FatchrFatchfatctrFatchPitch-PitchFatctrFatchPitchrF'itchPatcbrFatchFalch-PilchFatchrPatch□n0..On0..OnOnOn□nL.DQDaL.aimL.ttlttlL.aimL.aimi.mmL.MOJLoaoa□.005r/D.D34dag：IJ.OTTr/O.L95譙Li.015n/2.OQ-l血3IJ.OTTn/0.409虹0.01Er>/0.(H4deg0.KTn/0.195deg0.CHS出2.(￡4血g□.OQTr/a.433dag：3.4公共點(diǎn)云配準(zhǔn)法與混合配準(zhǔn)法的操作過(guò)程新建配準(zhǔn)窗口后打開(kāi)配準(zhǔn)窗口，在基站上單擊右鍵選擇級(jí)連菜單CloudConstraint—〉CloudConstraintWizard…即可將兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)顯示在下面的兩個(gè)窗口中，分別在兩站點(diǎn)云數(shù)據(jù)選出四對(duì)以上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，其位置應(yīng)該大致相同。選完后點(diǎn)擊Constraint框的AddConstraint按紐即導(dǎo)入一組對(duì)應(yīng)點(diǎn)，如下圖。晚1京瀕］胴IditSzMiriJCaTfitraint(lindCMstniii互用kip□?ud.CoiutiainlsTUard□?ud.CoiutiainlsTUard（1）用公共點(diǎn)云配準(zhǔn)法拼接的最終結(jié)果如圖:REcistration:Registration3IsgistratiatEditSc&ritfCiPll口難性岳祖ClduiCanstTiiiktY住業(yè)皿KelpCinstraHi艾（mb把CinstraHi艾（mb把List也曲即a理S;atVri^Ld^/CiJistfaiatIBStf.'i:ErrtirVector-*冊(cè)-&ScanWorli[Kagistratian2]簇口商血吐！Cl^cc：Cln^trh-CLonyfle^Ci.l.OOJJ0JEnLipec[0.0L5t：-￡5iar.hr」[f.^isiritici.2]-人.0&簇§眼孑頑?逐.iCLACCl?J/r^HUyN^：iCi.:.m0】hn匕：口能[0.0L5t：（2）混合配準(zhǔn)法的操作步驟：特征面和控制點(diǎn)混合配準(zhǔn)法的配準(zhǔn)結(jié)果如下圖：笏R.eg.iHtrvtianzHianS-I3-11—10Edit3匚u^LirLd.QoudCaosiif-aLiitJ:eversJULp住*mi#&蕓喏kk委忠4好龍R*多I。.g嶺吒iifi項(xiàng)工&a+XScmWofI^eo?血i*花蛇HUSI*JH.hdiH5(Mce$5c4dJ!DTldi/CariEtr-aLiLtLD5t4tU.￡￥?ighlErr&rEirwryftclar曰A!曲皿I叩Id[■i*n&13-injr-1反-J??混7irgjfttI3.ct2CtincVsTtflHrV...OhL.aKO0.COStii：d：lci?,-d.rce,o.aocD]皿??空7-irgfitnirDiwZLdAIlt：U，wrtfl!!-V.OhL.OKG0CGiti?002,n.dgDtMD)n,??安7-urg.aLn)亡t5CoicLCidAat:ywri-iMrV.DllL.OKG00fl2Tnooi,fl.are,d?□)時(shí)云Tucellll'cl6CpincideDit：Vrri^KrV...OnL.OClUDHEr,,at】-m.r-t■3KTucel.Hl'cHCpincidedt：Vrri^KrV...DuL.OCHl0001nman,ojdouomo)e魂[liarcetlH：由-LCdjJ.-u?t：fatch-P-atchUiiL.aixo0.CG3n/O.DT5dtf必[ImrtlH：H-bIMH匕d]LCdjJ.-u?t：fatch-P-atchUiiL.aixo0.W3n/0.奏]deg??淑M誓[Imr^tn；slD-1匚叩」口也r：?4.tch-P-atcb.OilL.QKOCi.CO5n/0.3OTg-山B-Staoslosrld[5裝誠(chéng)-1"10]淞JucellU'ct2CpincideDLL：VrricKrY...Ehi.oao0〔02rIBITO,h：i.COS,0.000],液JucelU：ct3Cdiw:ideal：VtrieJirY...OnL.acin0.C(ltr.10.coe,o.ora.0.0)n魂TurrttnJ：ct5CDincLdtal：VertcH-V...L.aixo0.CCEn皿COLO.QDZ,D.SID)n??變JiTg^tlU：ct6匚口】ncLd電dlE：VErtflM-V...L.aixoa