高速激光扫描测量技术（共7篇）
高速激光扫描测量技术 篇1
某汽车公司为获取中国的典型道路的路面状况, 需要针对其选定的路段进行路面采样测量, 提供路面任意方向间距为10 cm, 精度为2 mm级的高精度断面线, 作为汽车试验场内特殊道路设计的参考依据, 选定的路段基本都是有破损、波浪起伏、车辆繁忙、桥头跳车或是颠簸路等路况, 路面状况极不规则。不规则的路面状况, 高密度和高精度的成果要求, 给测量工作带来了严峻的挑战。
目前断面测量技术中, 应用最多比较成熟的技术是利用全站仪断面测量和GP S-RT K断面测量。全站仪和GP S-RT K技术简单方便, 生产效率也较高, 在普通的工程测量中得到了广泛的应用, 但是它是单点测量, 测量的精度和密度都不是很高。显然应用这两种常规的成熟技术是无法满足汽车试验场路面高精度断面测量的要求, 但随着地面三维激光扫描仪的出现, 使得利用地面三维激光扫描技术解决上述问题成为可能。
1 地面三维激光扫描技术特点
地面三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统, 可进行大面积高密度空间三维数据的采集, 具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快等特点, 且其融合了激光反射强度和物体色彩等信息的三维激光影像数据, 可对测量目标识别分析后, 对采集得到的点云数据按照实际需求做进一步加工处理, 生成满足客户需要的各种成果资料。地面三维激光扫描仪使测绘从传统的单点采集数据变为密集、连续的自动获取数据, 为我们获取丰富的局部地面空间信息提供了一种全新的技术手段。地面三维激光扫描仪的这些特点, 恰好可以使我们利用地面三维激光扫描技术比较轻松的解决典型路段路面任意方向间距为10 cm, 精度为2 mm级的高精度、高密度断面线测量问题。
2 实验情况
下面结合工程实例说明利用地面三维激光扫描技术获取路面任意方向间距为10厘米, 精度为2 mm级的高精度断面线的过程。
2.1 外业数据采集
2.1.1 设备选取
Trimble GS200三维激光扫描仪用于路面三维坐标数据的采集, 索佳SET4110无协作目标全站仪用于高精度测量特殊平面反射标志的三维坐标, 供点云拼接时使用。
2.1.2 扫描分辨率的确定
由于扫描方向与路面不成垂直关系在一个测站上的路面扫描必须分割成若干小块, 以保证每小块的路面分辨率大致相同。同时由于是斜面扫描, 分辨率不能直接设置为所要求的采样间隔, 需要对每块测量区域按照公式r×H/S (H为仪器高, S为测量斜距, r为要求的采样间隔) 计算结果设置仪器的采样间隔。
2.1.3 标靶与控制点布设
由于三维激光扫描仪的测程是有限的, 一条道路的测量通常需要通过多站来完成, 需要通过设置标靶, 使不同测站的测量数据拼接到一起, 因此, 需要在各个相邻站重合的位置布设3个以上不规则图形的标靶, 以供点云拼接需要。控制点的三维坐标采用免棱镜全站仪布设。
2.1.4 路面及控制点扫描
根据Trimble GS200三维激光扫描仪主要技术指标, 结合工程实际情况, 将仪器安置于待扫描车道旁, 仪器Y轴 (扫描方向) 尽量垂直于路面延伸方向。考虑到路面与扫描线之间垂直性很差, 经测算, 扫描仪每一测站左右方向路面扫描范围确定为30~40 m, 即每站扫描60~80 m长的路面。当路面扫描密度、精度要求较高的情况下, 适当进行重复扫描。在两个测站的扫描交接处路面两侧分别放置2个共4个特殊的球反射标志, 球反射标志的空间位置呈不规则三边形和四边形, 保证能有坚强的图形进行拼接, 并且做到本测站与下一测站都能与4个球反射标志通视。另外, 保证相邻测站间有一定的点云重叠区域, 用于实现和保证测站间的扫描数据的准确拼接。考虑到扫描仪垂直视角的受限, 仪器安置尽量与待扫描车道保持足够的距离, 避免扫描死角以减少工作量。当仪器只能安置在待扫描车道上的时候, 仪器正前方死角区域则通过其它测站进行补扫。
2.2 内业数据处理
从点云到测绘成果的实现包括数据滤波、点云抽稀、点云拼接、DEM建模、纵横断面图生成。
2.2.1 数据滤波、点云抽稀
在数据采集过程中, 由于行人和车辆经过时的遮挡, 周围物体干扰等原因, 产生了很多的错误数据, 因此, 在建立路面模型前首先要剔出这些错误数据, 使处理后的点云数据都是实际路面的测量数据和反射标志的数据。另外如果采集到的点云数据相对于工程本身过于密集, 还可利用软件对数据进行抽稀处理, 从而提高计算机的处理效率。
2.2.2 点云拼接
经过路面扫描数据预处理和球反射标志处理后, 就可以将在多站测量的路面点云数据, 通过设置在测站重叠处不规则的靶标拟合拼接在一起。利用已经布设、测量过的控制点三维坐标, 将拼接后的点云纳入到我们所使用的坐标系中。
2.2.3 建立DE M模型, 生成断面线
在经过拼接后的完整三维路面数据基础上, 利用软件三维建模功能, 生成路面不规则三角网三维模型 (TIN) 。然后利用软件中的纵、横断面工具, 就可以在路面模型上根据需要 (10 cm间隔) 制作纵、横断面线。最后按行车方向设定桩号前进方向, 将三维断面线转换成设计人员习惯使用的桩号+高程的二维数据。
值得注意的是通过扫描得到的点云数据量非常庞大, 直接将整条路面生成路面模型在现阶段的个人计算机平台上并不现实, 因此, 将需要将路面模型分段生成, 再进行纵、横断面的制作, 降低对设备的要求, 提高作业的效率。
2.2.4 实验成果图
实验成果如图1所示。
2.2.5 实验结论
本次共对上海, 重庆, 武汉三地12条路, 3800 m长的路段设站58次, 采样约2亿个点, 成果中平均拼接精度仅为1.46 mm, 平均点距仅有0.85 cm, 在精度和密度上完全满足设计对测量工作的要求, 为该汽车公司复制中国典型道路的路面状况, 进行汽车试验场内特殊道路的设计提供了参考依据。
由上可见, 三维激光扫描技术, 通过与现代经典测量技术的相互融合, 已经成为一种全新的空间数据采集手段, 丰富了现有的测量作业手段, 并且作业速度快、数据信息量大、精度高、采集过程安全简单、节省人力且具有强大的数据处理能力的特点, 为测绘行业从传统的“低效率、低精度、全野外”向“高效率、高精度、数字化”的方向迈进提供了技术保证和设备支撑。
3 结语
尽管地面三维激光扫描技术被誉为“继GPS技术以后的又一次测绘技术的革命”, 但在我国工程测量领域刚刚起步, 其应用于常规性生产项目还缺少大量的实例支撑, 因此, 缺乏相应的规范和标准, 对数据规格、数据采集和后处理要求及成果精度评定办法等也没有相对统一的规定, 同时也由于其高昂的设备价格, 使许多的测绘生产单位望而却步, 限制了该技术在测绘领域的发展。但随着测绘科学技术的进步, 其相应的规范和标准会不断出台并完善, 设备的性价比也会越来越高, 相信该项技术和设备在常规测量生产中将具有广阔的发展空间。
参考文献
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高速激光扫描测量技术 篇2
关键词：三维扫描,土方,测量
1 土方外业测量方法
工程上常用的土方测量方法有水准仪测量法、全站仪测量法和GPS测量法。使用水准仪测量时得事先在测区布设方格网, 然后用水准仪测量出方格网每个角点的高程, 该方法适用性单一, 一旦测区不适合布设方格网时, 该方法就不太适用了, 该方法的测量精度受方格网的密度的影响, 方格网越密, 测量的精度就越高, 相比较后两种土方测量而言, 其测量精度低, 测量费时费力。全站仪测量法具有操作简单, 仪器要求低等优点, 适合测量面积较小和通视良好的测区, 但一旦测区面积大和测区通视不好时, 使用该方法测量时工作非常繁琐, 且工作效率低下。GPS测量法是目前土方测量当中应用较多的一种方法, 这种方法不受距离和通视限制, 且测量速度和精度较全站仪测量有所提高, 能够全天候测量, 不受时间的限制。但这种方法在测量时是有缺陷的, 当测区有一些建筑、树木、电磁场等影响GPS信号时, 这种方法就不太适用了;其次使用该方法进行土方测量时得需要在测区采集相当数量的点的坐标, 数据采集的时间比较长, 测量员比较辛苦。
2 土方内业计算方法
土方内业的计算其实就是计算地形表面与其指定的起算面之间所围成部分的体积, 计算方法因地形、工程、精度的不同而有多种, 目前常用的方法有方格网法、断面法和DTM法。每种方法的测量过程和计算原理都不相同, 适用的场合和精度也不尽相同。
方格网法是根据测区场地的情况将测区划分为若干方格形成的方格网, 每个方格的边长一般为10 m~50 m, 然后再用仪器测量出每个方格角点的高程, 根据预先设计的标准高程可以计算出施工填挖的平衡位置, 然后再分别计算每一个方格的填挖土方量, 所有方格的填挖量之和即为整个测区的土方填挖量。该测量方法适合于地势比较平坦的地区, 方格网越密集其土方测量越精确, 对于地势起伏较大的地区, 使用该计算方法精度较低。
断面法是将测区按照一定的距离划分为若干相互平行的横断面, 然后将它与土方设计高程组成断面图, 计算每个断面线所围成的面积, 然后将相邻两个断面面积的平均值乘以它们的间距, 得出相邻两个断面的体积, 将各相邻断面的体积累加起来即为土方的填挖量。当相邻断面间的地势起伏较大时, 断面法计算土方量的难度很大且计算精度难以估计。该方法适用于场地比较狭长平坦的地区。
DTM即为数字地面模型, 是根据所测得地面点的三维坐标来生成由若干个不规则三角形所组成的三角网, 然后计算每个三角形与设计高程所组成的三棱柱的体积, 最后把每个三棱柱的体积累加即为所求的土方填挖量。DTM法是目前土方量计算最常用的方法, 其精度与所测得地面点的密度有关, 当地面点的密度越高时, 其测量精度就越高, 能较好的反映测区的地形地貌特征。
以上的土方计算方法均是使用常规的测量仪器时所使用的方法, 它们都有一个共同特点, 那就是使用常规的测量仪器进行土方测量时所测量的点都有一定的间距, 其距离从几米到几十米不等, 而以上的几种土方的计算方法都是先根据已有的点的坐标来计算出未测的点的坐标, 这一步相当于是给点“加密”, 当已测点的间距越大, 它们之间所需加密的点就越多, 因而加密的点的精度就会相应的越低, 所以要想提高土方测量的精度, 就需要缩短所测点的间距。当使用全站仪, GPS等仪器进行土方测量时, 要想缩短所测点的间距就会大大提高外业工作的强度, 而间距缩短到一定程度时也很难再缩短了。而使用三维激光扫描仪进行土方测量时测量的点的间距可达毫米级, 其测量出点的密度比常规仪器测出点的密度大得多, 因而其所需加密的点更少, 当不考虑仪器精度等因素影响时其土方测量的精度高于常规仪器测量的精度。
3 实例分析
本文选择野外一个小型的土坡来进行土方测量, 该土坡上有树、杂草等一些遮挡物。本次三维扫描采用的是法如X330型扫描仪, 该型号扫描仪每秒最多能采集976 000个点, 测量点位精度可达毫米级, 该扫描仪体积小、重量轻、携带方便, 外业操作简单、快速, 且换站扫描时无需关闭扫描仪, 无需对中整平。
3.1 数据的获取及处理过程
本次测量的地方因为有一些树木和杂草的遮挡, 采用的测量方法如下:1) 分站扫描。充分考虑通视的情况, 采用分站扫描。首先在地势最高处进行扫描, 然后再根据植被的遮挡情况在植被周围进行设站扫描, 最后再在地势最低处进行扫描, 保证扫描数据没有遗漏。2) 靶球测量。为了将各个测站的扫描数据拼接到一起, 必须保证每相邻两站之间有至少3个公共靶球, 然后再用GPS测量每个靶球的坐标。3) 扫描参数设定。此次7站设定相同的参数进行测量, 扫描质量设定为4x, 分辨率设定为1/3, 扫描时打开彩色功能, 这是因为进行彩色扫描时, 拼接时更容易看清靶球。
而扫描点云数据的处理过程包括点云的拼接、点云的去噪、点云的修补等, 其数据处理步骤如下:1) 点云的拼接。本次拼接采用的法如扫描仪自带的scene软件进行拼接, 拼接数据时根据用公共靶球的坐标来将各站的扫描数据转换到统一的坐标系下。本次拼接的最大误差0.005 6 m, 最小误差为0.000 9 m, 满足土方测量的精度要求。2) 点云的去噪。点云的去噪主要分为两步, 第一步是在scene软件里进行手动去噪, 把一些明显的噪点 (如树木、杂草、人等) 进行手动删除;然后将点云数据导入到geomagic studio软件中进行后续的去噪, 去除一些非连接项和体外孤点。3) 点云的修补。在点云数据进行去噪时或多或少会把一些有用的点云删除了, 这时就需要对数据进行修补, 首先在geomagic studio对点云进行封装, 这一步就是用相邻的三个点来构成一个面, 这与CASS软件构建三角网 (TIN) 的过程有点相似。封装完之后的数据如图1所示, 修补后的数据如图2所示。
3.2 土方量的计算
由于现在市面上还没有专门针对点云数据计算土方量的软件, 故要想计算点云数据的土方量就只能找其他软件来进行代替, 本次为了计算土方量, 采用geomagic studio来进行计算, 具体步骤是以高程1.467 m来建立一个基准平面, 平面上的土方量即为挖方量, 平面下的土方量即为填方量。
3.3 计算结果的分析
为了验证三维扫描仪测量土方的效果, 在三维扫描仪测量之后再使用GPS的方法对土坡又进行了一次土方测量, 测量完之后, 在对数据进行土方量计算之前还得将GPS测得数据进行坐标转换, 即根据靶球在两种坐标系下的坐标, 将GPS所测得数据的坐标转换到扫描仪的坐标系统当中, 转换完之后将数据导入到CASS软件中, 然后建立三角网 (如图3所示) , 再在CASS软件中按照以1.467 m为基准面计算土方量。两种方法测量的结果如表1所示。
从表1可以看出两种方法在作业人数和作业时间上存在着很大的差异, 三维扫描的方法更节省人员和时间, 而两种方法计算的土方量也存在着差异, 具体为挖方量的偏差为8.96%, 填方量的偏差为8.77%, 两种偏差值相近, 说明两次测量的效果理想, 两种偏差值符合一般土方工程10%误差以下的规范要求。GPS测量了84个点, 而三维扫描仪测量2 521 014个点, 测量的点数存在着巨大的差异, 这就导致了最后形成的地面模型存在着差异。由于GPS测量的点少, 其形成的DTM并不能真实的代表实地的地面模型, 有些凸起和凹陷的地面可能没有完整地测出来;而三维扫描仪测量的点间距可达毫米级, 其最后形成的地面模型能比较完整地反映真实的地面的起伏形态, 所以使用三维扫描仪来进行土方测量是一种可行的方法。
4 结语
本文简单的介绍了土方内业计算的一些方法, 并尝试采用三维扫描仪进行土方测量和使用geomagic studio计算土方量, 并取得了不错的结果, 这可以为以后相应的工程提供参考。虽然三维扫描的方法测量土方具有精度高, 速度快, 外业劳动强度小等优点, 但是由于现在市面上三维扫描仪基本都是外国产的, 国产的三维仪较少, 导致三维扫描仪的价格十分昂贵, 使之在一般土方工程当中应用较少。不过随着国内对三维扫描技术的研究的重视, 国产的三维扫描仪将逐步增多, 三维扫描仪的价格也会逐步降低, 我相信未来三维扫描仪在土方测量中的应用会越来越普遍。
参考文献
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高速激光扫描测量技术 篇3
关键词：高频窄脉冲,高速并行A/D转换器,Z扫描,微处理器
0 引 言
Z扫描[1]是一种应用于光学非线性测量的方法, 使用这种方法可以测量光学材料非线性折射率的大小、正负以及非线性吸收系数。因为通过光学材料的激光能量大小与光电接收器转换后获得的电压幅值成某种比例关系, 因此通过测量光电接收器转换后的电压幅值就可以很方便地计算出光学材料的非线性折射率大小、正负以及非线性吸收系数。由于光脉冲的宽度较窄, 其宽度约为几个 ns, 因此通常采用高频数字示波器测量其信号的幅值, 然而高频数字示波器虽然能够得到准确的数据, 但是其价格昂贵, 体积较大, 不适合形成一个独立的光学测量系统。本文给出的测量系统, 采用高速并行A/D转换的方法, 不但能够实时检测出光电转换后的电压幅值的数据, 同时通过高速并行比较器基准电压的调节能自动滤除不需要的数据, 避免了PC机处理大量冗余数据, 有效缩短了数据采集的周期。
1 测量系统总体结构
Z扫描测量系统如图1所示, 包括激光器、分光镜、聚光透镜组、被测样品、反射镜和光电转换二极管。高频窄脉冲信号幅值测量系统组成如图1所示, 系统主要包括三个部分, 如图2所示。
(1) 信号转换部分, 通过样品折射后的高斯光束经反射镜反射到光电二极管, 光电二极管将光信号转换成模拟电信号, 模拟电信号经高速并行A/D转换器转换为数字信号, 并送数据锁存器锁存。
(2) 数据处理部分, 经A/D转换后的数字信号送入数据锁存器锁存, 单片机通过缓冲器读取锁存器的数据, 并将数据编码。
(3) 数据传输部分, 经编码后的数据传送给PC机, 由PC机进行存储、打印、绘图等操作。
2 硬件电路
测量系统采用ATMEL公司的AT89C52作为控制器, 由信号转换, 信息处理, 数据传送三部分组成。
2.1 信号转换[2,3,4]
测量系统测量的对象是高频窄光脉冲信号, 光脉冲的平均宽度仅为4 ns, 所以信号转换电路和数据采集电路均要采用具有高频特性的电路, 系统选用DET10A/M高速光电二极管作为光电转换器, DET10A/M的工作频率为1 GHz。并行A/D转换器中的比较器选用MAX964ESE高速比较器, 其上升沿典型值为2.3 ns, 失调电压为±2.0 mV, 工作电压:2.7～5.5 V, 内含4个比较器, 图3中给出了1片MAX964ESE的连接电路。从比较器输出的信号送数据锁存器, 数据锁存器采用高速、低功耗D触发器74AC74。测量开始, 通过P1.0将D触发器的所有输出端清“0”, 当光脉冲信号出现时, 在D触发器的输出端将出现与脉冲幅度相对应的数据。测量系统共使用了4片MAX964ESE, 8片D触发器74AC74, 选择了16个比较点, 电压范围从450～900 mV, 相邻两个比较点的电压为30 mV。为保证测量的准确, 基准电压由基准电压源TL431提供。
2.2 信号处理
AT89C52[5]通过74LS244读取数据锁存器74AC74输出的16位并行信号, 对数据进行甄别, 剔除干扰信号, 将数据进行编码后存入数据存储器。图4给出了信号处理部分原理图。
2.3 数据信号传输部分
测量系统没有安排专门的显示器, 因此测量数据无法直接观察, 这是因为数据较多, 小屏幕LCD显示屏不能满足观察要求。系统采用将数据传送给PC机的方法, 由PC机完成数据的制表、绘图等工作。系统与PC机串行通信[6,7]采用RS 232C接口, 通信速率为4 800 b/s。
3 软件设计
测量系统的软件分为两部分, 一是单片微机部分, 单片微机的软件设计采用模块化设计的方法, 主要分为如下几个软件模块:主程序、数据采集、数据处理和通信。由于单片微机的主要功能是控制, 并不承担大量的数据运算, 所以软件采用汇编语言编程[8], 图5所示是主程序模块和通信模块流程图。由于系统采集的是离散的微弱信号, 因此必须对数据进行甄别处理, 系统采用较为简单的数字滤波方法——程序判断法, 剔除了干扰信号。
软件的另一部分是PC机部分, PC机部分软件主要是串口通讯程序, 串口通讯程序使用VC++中的MSComm控件[9]来编译串口通讯的应用程序, 采用MSComm32.OCX控件, 其特点是操作简单, 功能强大。
使用控件的属性进行串口的设置, 使用控件的事件驱动进行串口响应, 使用控件的方法完成串行口接收和发送数据。其主要属性、事件如下:
CommPort:表示通信端口coml, com2的名字;
Settings:设置波特率、校验位、数据位、停止位;
ParityReplace:当发生奇偶校验错误时, 设置并返回替换数据流中的一个非法字符;
PortOpen:用于打开和关闭串;
InBufferSize:设置并返回接收缓冲区的大小, 以字符为单位;
Rthreshold:设置并返回接收时产生的OnComm事件数;
NullDiscard:设置是否忽略发送0 (NULL) 字符;
InputMode:设置并返回接收类型, ComInputMo.deText是字符方式, ComlnputModebinary是二进制方式;
InputLen:设置并返回从接收缓冲区读取的字符。
4 实验结果分析
通过Z扫描系统获得的光脉冲信号, 在高频数字示波器上显示的图像如图6所示, 通过观察并统计, 其宽度约为4～5 ns, 幅值在650～950 mV之间变化。
采用本测量系统得到的一组数据如表1所示。将这些数据转换后得到如图7所示的脉冲信号[10], 其幅值与高频数字示波器上显示的图像信号的幅值完全吻合, 说明测量系统测量的数据准确。测量系统相邻两个比较点的电压为30 mV。光脉冲的幅值变化范围为:700～950 mV, 因此其测量误差约为:±3%～±5%。
5 结 语
由于Z扫描光学测量系统仅需要获取光脉冲信号的幅值, 不难看出本文所给出的设计完全可以达到Z扫描实验系统对数据采集的要求。由此使Z扫描实验系统大大简化, 并且可以实时采集数据。当然由于并行A/D需要的硬件较多, 所以其幅值的分辨率较低, 如需进一步提高分辨率, 降低误差, 则要增加硬件。
参考文献
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地面三维激光扫描检校测量 篇4
三维激光扫描技术是20世纪90年代中期激光应用研究的一项重大突破, 它对测绘领域的又一次技术革命, 与传统的单点测量方法相比, 它具有精确、快速、高精度、无接触、全数字化、测量方式灵活等特点。目前, 它主要应用于三维立体建模、变形监测、地形测绘、虚拟现实、竣工验收测量、管线测量等方面[1]。本文在介绍三维激光扫描技术检校测量的方法及步骤基础上, 并结合Leica P20为例进行说明。
2 地面三维激光扫描的原理和方法
地面三维激光扫描测量系统由地面三维激光扫描测量仪集成内置数码相机、标靶、后处理软件、电源以及附属设备构成。地面三维激光扫描特种精密工程测绘的主要作业流程包括仪器的检校测量、外业数据采集、数据处理、三维建模、基于地面三维激光扫描的数据模型计算分析与绘制、测绘成果技术报告等几个步骤。目前中国国内还没有一整套完整的地面三维激光扫描检校测量作业规范来规定实施地面三维激光扫描检校测量, 而是使用制造商提供的地面三维激光扫描检校测量证明书来证明仪器达到的精度指标。由于地面三维激光扫描对精度的要求非常高, 从而使得测绘单位对作业前地面三维激光扫描检校测量是非常有必要的。
3 地面三维激光扫描检校测量作业流程
3.1 标靶测量检校测量
首先架设对中整平全站仪, 量取仪器高, 使用钢卷尺量取与仪器一样高的高度设置靶标, 严格缜密的张贴塑料线划圈于标靶上。接下来当对标靶0度时全站仪十字丝瞄准标靶中心, 再每一次顺时针90度旋转进行测量, 对比原位时靶心读出偏移距离并记录 (见图1和2) 。标靶的限差是1.5毫米, 利用Excel表格结合标靶测量结果制作出标靶检校测量报告。标靶检校测量通常是每半年进行一次, 也对新买的标靶、长途运输后、对标靶精度有怀疑时进行测量。
3.2 地面三维激光扫描仪检校测量
首先每次检校测量固定环境, 确定扫描仪和标靶的位置, 通常将标靶均匀的设置在各个方向并建立两个控制点, 本次测量将6个标靶从T1到T6标注, 每一个标靶尽可能要垂直正面对向扫描仪。测站扫描完后, 还必须对每一个标靶进行精细扫描 (见图3) 。
接下来还需用无反射全站仪架设在扫描仪测量的控制点上, 精确测出每一个标靶中心的三维坐标, 此外标靶与扫描仪的距离要适中, 太近或太远会降低精度。
3.3 数据处理
使用地面三维激光扫描的后处理软件生成的点云图, 得出每一个标靶的三维坐标, 与全站仪测得的标靶三维坐标进行计算比较, 分析和书写地面三维激光扫描仪检校测量报告, 限差要求在1.5毫米, 如果数据对比超过1.5毫米, 需要重新观测或者生产厂家来做进一步的检校测量和仪器检查等工作。
4 实地检核测量
六段解析法:
由H.R.Schwendener在1971年提出了六段解析法, 也称之为六段全组合法, 是一种不需要知道测线的精确长度, 而采用全站仪本身的测量成果, 然后通过间接平差计算求定加常数K的方法。它不受对中误差及乘常数的影响[2]。
a.检定方法。其基本做法是设置一条直线, 将其分为d1, d2…, dn等n线段, 如下 (图4) :
经观测得到D及各分分段d.的长度以后, 则可算出加常数K。因为:
由此可得:
将式 (2) 微分, 转换成中误差表达式, 并假定测距中误差均为md, 则计算加常数的测定精度公式为:
从估算公式 (3) 可见, 分段数n的多少, 取决于测定K的精度要求。一般要求加常数的测定中误差mk应不大于该仪器测距中误差md的0.5, 即mk≤0.5, 现取mk=0.5md代入 (2- 8) 式, 计算得n=6.5, 所以要求分成6~7段, 一般取6段, 这就是六段解析法的理论依据。
b.测试场。为提高观测精度, 须增加多余观测, 故采用全组合观测法, 此时共需观测16个距离值。在六段法中, 点号一般取6, 7, 8, 9, 10, 11, 12。在6, 7, 8, 9, 10, 11, 12各点上分别设站 (见图5) 。
测实场选择在Curtin大学的EDM基线测量场, 实行强制归中测量的观测墩柱, 并采用全组合观测法测距, 得21个距离观测值, 每段距离观测时多次读数, 最后取其平均数[3]。则须测定的距离如表1。
为了全面考查仪器的性能, 最好将21个被测量的长度大致均匀分布仪器的最佳测程以内。本次测试采用国际上先进的地面三维激光扫描仪器Leica HDS P20。首先用Trimble S8全站仪对6个控制点的16段距离进行精确测定, 每段距离上进行五个测回, TrimbleS8全站仪的标称测距精度为± (1mm+1ppm) [4]。全站仪测得的距离数据值经过改正后可作为标准参考值, 将三维激光扫描仪的实验结果和仪器供应商仪器检定表进行对比 (见图6, 7, 8) 。
5 结论和展望
本文对地面三维激光扫描的原理简要的概述, 通过全面而系统的实际操作对地面三维激光扫描系统的检校测量和流程进行了叙述, 为后期的工程开展提供了精度的依据和质量的保障, 也为地面三维激光扫描系统的检校测量提供了方法[6]。
通过检校测量, 可以得到如下的结论:a.对地面三维激光扫描的标靶检校测量时非常有必要的, 在完成了标靶的检校测量合格后, 才也可以在测量过程中放心的使用标靶;b.地面三维激光扫描仪器的检校测量可采用固定的环境和标靶, 利用坐标对比, 进行分析地面三维激光扫描仪器的误差。c.地面三维激光扫描仪器的检校测量也可采取已知的测量基线, 测量距离, 水平角和垂直角进行对比。总之, 地面三维激光扫描仪器精度高, 对测试的工作环境, 仪器设备和人员的要求比较高。仪器在工程开展之前检校测量是必须和有效的。
6 结论
地面三维激光扫描技术应用处于相对新兴和研究应用阶段, 需要不断的完善和研究它, 同时还面临有些问题需要解决:
6.1目前还没有一套完整成熟的检核测量和测量规范。地面三维激光扫描测量往往用于精密测量, 目前还没有具体的测量精度要求。
6.2 地面三维激光扫描测量受到测量距离的限制, 以 Leica P20为例测量范围从0.4米到120米[5], 对于某些远距离的物体进行地面三维激光扫描其精度和作业范围受到限制。
6.3地面三维激光扫描测量受到天气, 温度, 气压, 湿度和粉尘等的影响。地面三维激光扫描测量仪器还没有做到这些方面的测量改正。在雨雪大雾等天气下, 野外作业受到限制。本次测试没有考虑到在不同的扫描环境下的差异。
6.4目前仪器成本过高对于国内测绘单位, 地面三维激光扫描测量市场目前还不大, 使得地面三维激光扫描测量推广与应用受到局限, 从而使得地面三维激光扫描测量技术不能较快的普及。
参考文献
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三维旋转激光扫描测量系统的设计 篇5
自然对象和大部分的人造对象都具有复杂的三维形状,如何在计算机中建立三维对象的计算机模型就是三维形状的数字化问题,该项研究源于20世纪六七十年代。三维形状复杂多变、形状繁多,而且其外观、材质、颜色、用途等各不相同,这就使得三维形状数字化的问题非常复杂,至今,该项技术尚未成熟,仍是数字化技术研究的难点。目前,三维形状数字化技术种类很多,包括机械、声学、光学、电磁等类型,其中运用得最广泛、效果最好的是光学测量技术。光学测量是光电技术、机械测量、计算机技术相结合的产物,可以实现快速,准确的测量。该项技术具有速度快、精度高、非接触、易于自动化的特点,主要适用于自由曲面的测量。目前,光学测量技术得到了越来越广泛的应用,其中最典型的应用是三维激光扫描仪[1]。
1 三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪是基于激光扫描测量的原理而设计的,主要作用是对三维形状进行数字化,基本工作原理是:线激光器发出的光平面扫描物体表面,面阵CCD采集被测物面上激光扫描线的漫反射图像,在计算机中对激光扫描线图像进行处理,依据空间物点与CCD面阵像素的对应关系计算物体的景深信息,得到物体表面的三维坐标数据,快速建立原型样件的三维模型[2],如图1所示。
2 三维旋转激光扫描测量系统
目前,普通的三维激光扫描仪存在的主要问题是难以实现复杂三维图像的扫描数字化问题,如圆柱形状的石雕、木雕等。如图2所示。
如果设计出能够旋转扫描测量的系统,则可以有效地解决数字化设计与制造之间的衔接。这样的系统,企业投入少,见效快,而且能够将激光扫描测头安装在数控雕刻机上,设计出能够旋转扫描测量的系统,可以有效地解决数字化设计与制造之间的衔接,充分利用现有数控设备,节省硬件成本[3]。
为了解决复杂物体的数字化问题,同时降低企业的投入成本,我的设计方案是,在普通三维激光扫描仪的基础上,开发出能够实现360°旋转的旋转扫描测量系统,改进已有平面浮雕扫描软件,使之适用于改进后的系统。
3 系统构成
图3是三维旋转激光扫描系统的测量平台,x轴左右运动,向左为正向;y轴前后运动,向前为正向;z轴上下运动,向上为正;三轴之间互相垂直;数控转台安装在沿y轴运动的花岗岩工作台面上。激光测头随x轴的拖板一起运动。
在该平台上有两种测量方式,一种是边测量边旋转,被测物体旋转360°就能测量物体全部外表面的形状,该种方法适合测量回转体或近似回转体;另一种方法是一次测量全部朝向光线的外表面,然后再转到下一个需要测量的方位,全部外表面从几个方位就可以测量完毕,这种方法适合形状较为规则的多面体。
在该系统中,数控转台可以获得被测物体的旋转角度,测量的数据点绕转台中心轴线可以自动拼合,其拼合精度取决于转台中心轴线的精确标定。
系统分为硬件、软件两大部分,硬件部分除机械测量平台、激光测头外,还包括步进电机与步进电机驱动器、工控机以及插在工控机主板上的图像采集卡和运功控制卡。图像采集卡将CCD摄像机拍摄的视频信号转换为计算机能够处理的数字图像。步进电机驱动器可以设置脉冲的细分数,并从运动控制卡获取脉冲与运动方向信息,驱动步进电机运动[4]。
软件部分包括测量与数据处理两部分,测量部分的软件功能主要是控制运动、图像获取、图像处理以及坐标换算,完成表面形状的数字化过程。数据处理主要包括测量数据的平滑、光顺、网格建模、显示、缩放等功能,完成表面形状的重构过程。
在系统设计过程中,转台中心轴线标定和多视拼合及重叠数据区域的处理是影响测量结果的2个重要因素,下面简单介绍这两部分的设计思路[5]。
4 转台中心轴线标定
在对三维物体进行旋转扫描测量的过程当中,通过数控转台可以实现从不同的方位对物体进行进行测量,这样才能获得被测物体全方位的外表面数据信息。然后,还需要将物体不同旋转角度的多视数据拼合在同一坐标系中。在拼合的过程当中,转台的中心轴线标定是否精确对结果有着非常重要的影响。
如图4所示,由于安装误差,转台中心轴线R与平行于z轴的z′方向难以一致,若不同角度的测量数据点绕z′旋转会产生间隙,如图5所示。
为精确标定转台中心轴线,提出如下方案:在图4的转台上固定一个标定球。通过数控系统控制转台旋转,控制球的球心绕转轴R形成一个圆,该圆的圆心O″是R上的点,该圆所在平面的法矢即为R的方向[6]。
基于该思路,在xyz三轴测量系统中测量并计算标定球三个不同位置的球心P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2),P3(x3,y3,z3),P1,P2,P3所在平面的法矢量N即为转台中心轴线的方向。
有了转台中心轴线的方向,还需要确定空间三点P1,P2,P3绕转轴R形成圆的圆心O″(x0,y0,z0)才能使转台中心轴线定位。如图6,为了求O″,首先计算转轴R在xOy面上的投影与y轴夹角α、R与z轴的夹角β,然后P1,P2,P3依次绕z轴、x轴旋转到与xOy平行的平面上,旋转矩阵分别为:
式中:P1,P2,P3旋转到与xOy平行的平面上就可以很容易求出圆心,然后将圆心再依次绕x轴、z轴反向旋转β和α,即得到O″, 转台中心轴线的方向和位置得到确定[7]。
5 多视拼合及重叠数据区域的处理
逆向工程中,对实物样件进行数字化时,因为测量范围的限制或遮挡的关系,往往不能在同一坐标系下一次测量产品全部的几何数据,需要在不同的方位(即不同的坐标系)测量产品的各个部分,其中每个方位测量的数据片称为视,多个方位测量的数据称为多视数据,将不同坐标系下的多视数据统一到同一坐标系下的处理过程,称为多视数据拼合[8]。
多视数据拼合包括两个部分,第一步是将不同坐标系的数据变换到同一个坐标系中,数据片通过旋转和平移来调整方位达到形位匹配;多视数据变换到同一坐标系后,数据片之间存在重叠区域,由于测量和变换存在误差,重叠区域内的多重数据需要做合理的运算使其融合为单层数据。第一步是方位调整,可称为“拼”(Registration),亦称数据对齐,第二步是多层数据融合为单层数据,可称为“合”(Intergration)。将数据点集看作一个刚体,两个数据点集的对齐属于空间刚体移动,因此多视数据对齐问题可看作空间两个刚体的坐标转换,问题归结为求解相应的转换矩阵,移动矩阵T和旋转矩阵R。如图7所示是2个数据片截面上两行数据融合的示意图。最简单的融合方法是中值平均,这样会在重叠区域边缘出现台阶。改进的方法是加权,使得融合后的数据片在重叠区域边缘光滑过渡,但这种方法未考虑重叠区域边缘外一定邻域内的数据点也存在误差。
6 结 语
通过激光旋转扫描测量的方式获取样件的三维信息,可方便快捷地进行雕刻制品的加工,快速实现雕刻艺术品的数字化以及复制或批量生产。从而节省硬件平台及人力成本,在木雕、石雕、玉雕等各类雕刻行业中获得极其广泛的应用,掀起了一场革新的浪潮。
摘要：为了实现三维激光扫描仪的旋转扫描测量问题,用于实现形状复杂的三维柱形物体的数字化测量,在普通三维激光扫描仪的基础上,增加了一个可以自动旋转的数控转台,从而实现了旋转测量的目的。通过在转台上安装标定球的方法来实现转台中心轴线的精确标定,获得了新的转台中心轴线的标定方法和后期的拼合和处理方案。
关键词：旋转扫描,转台标定,多视拼合,激光扫描仪
参考文献
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高速激光扫描测量技术 篇6
1 测量方法
钢板尺寸自动测量系统是通过激光测距技术获取扫描区域内的一系列三维坐标点,并通过相应的算法提取钢板边界的特征点,从而进一步求取钢板的长、宽等尺寸。如图1所示为钢板尺寸自动测量系统的原理示意图。当钢板接近与钢板运行方向成一定角度且对称安装的激光扫描仪组所形成测量场时,安装于辊道两侧的红外对管发出启动信号,触发激光扫描仪组和计算机数据采集分析系统同时工作,所得的数据由串口高速采集卡同步采集并交由相应的软件进行处理,通过边界特征点的提取即可计算钢板的长度和宽度。
图1中1～8为激光扫描仪,一般由激光发射器、接收器、时间计数器、微电脑等部分组成。本文选用的激光扫描仪为德国SICK公司的LMS- 400型激光测距扫描仪,属非接触式测量系统,它通过发射激光对其周围物体进行二维扫描,并且不需要额外的反射棱镜和位置标记。
2 数据处理
2.1 边界特征点提取
在基于激光扫描的钢板尺寸测量系统中,边界特征点的提取是整个系统的基础和关键。本文利用各扫描点在竖直方向上的坐标值突变实现钢板边界特征点的提取。
由激光扫描仪组形成的扫描截面中,以扫描截面中线对应的扫描点为基准向两边扫描,比较各扫描点在竖直方向上的坐标值是否发生突变,如果发生突变,并大于某一确定的阀值,则认为该扫描点的前一个扫描点为钢板边界特征点。如图2所示为钢板边界特征点提取示意图。阀值需要根据被测钢板的厚度、激光扫描仪的距离测量精度以及安装位置来定,并通过实验进行修正,以达到最佳的测量效果。
2.2 数学模型
要得到钢板长、宽的数学模型,必须将每一个扫描点的极坐标距离信息转换到相应激光扫描仪的当地坐标系[3],见图3。
如图3所示,两组共6台激光扫描仪对称安装于辊道的正上方,与辊道平面相距为h,与钢板运行方向的夹角为∂。每组相邻两台激光扫描仪的安装间距为l,激光扫描仪3,4之间的距离为L,激光扫描仪的角度扫描范围为θ。Ai,Aj,Am,An分别为激光扫描仪在钢板宽度和长度方向上的边界扫描特征点。设扫描点Ai的极坐标为(ri,ωi,∂),则可得其在相应当地坐标系中的位置:
同理可得钢板宽度方向上另一边界特征点Aj在相应坐标系中的位置:
两相应扫描中心Oi,Oj的距离:
lOjOi=l(i-j)。
由上式可得钢板的宽度为:
W宽=[l(i-j)+risinωi-rjsinωj]sin∂。
同理可得钢板的长度为:
为保证每组相邻两台激光扫描仪的扫描点有一定的重合度,需满足如下不等式:
由此,系统可测得钢板最大的宽度和长度分别为:
3测试结果及结论
对测量系统进行现场标定,并通过实验对测量结果的系统误差进行修正后,经过长时间的实际测量后表明,系统具有较高的测量精度和输出稳定性。系统对长度、宽度的测量见表1,表2。
本文提出了一种基于激光扫描的钢板尺寸自动测量方案,该方案通过钢板边界特征点的识别和提取对钢板的长、宽进行测量,具有测量精度高、成本低、光照影响小、输出稳定性好等特点。与钢板运行方向成一定角度安装的激光扫描仪组可以对钢板跑偏带来的测量误差进行自动补偿,进一步提高了测量精度。
参考文献
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高速激光扫描测量技术 篇7
近年来国内外不断地研究快速测量技术以及如何提高测量的精度[1,2]。三维激光扫描技术的出现解决了这一难题, 它可以在任何复杂环境中进行扫描操作, 并具有非接触、精度高、扫描速度快、获取数据量大等优点, 能通过计算机采集到目标物体的高精度三维数据, 实现三维可视化。三维激光扫描技术发展迅速, 在工业、建筑、文物保护及生物医学等领域都有很大的发展空间[3]。
1 三维激光扫描系统测量原理
1.1 测距原理
1) 三角测距法。三角测距法的测距原理是:利用平面三角形的几何关系来求得扫描中心与目标物体表面之间的距离。激光光源的发射点和CCD摄像机的接收点位于基线两端, 并与目标物体表面反射点构成三角形平面。如图1所示, L表示摄像头中心与激光器中心的距离;d表示目标物体与激光器之间的距离;s表示目标物体上的激光光点在摄像头感光元件上的成像到一侧边缘的距离;β表示激光器的夹角;f表示摄像头的焦距。β、L、f在测距设备安装后不再改变 (固定) 且数值已知, 则目标物体与激光器的距离d可由如下公式求得:
在式 (1) 中, 由于基线L长度较小, 因此三角测距法测量距离较短, 适用于近距离测量。
2) 脉冲测距法。脉冲测距法的测距原理是:由发射机向被测目标物体发射一束激光脉冲, 激光脉冲发射到目标物体上, 其中部分激光反射到接收机被接收器接收[4], 如图2所示。
设被测目标物体的距离为L, 光速为c, 激光脉冲在发射点与目标物体之间来回一次所经历的时间差为t, 则有:
如果不考虑光速在大气中的微小变化, 则式 (3) 中影响测距精度的主要因素是时间差t, 而t可以通过高通容阻判别、恒比值判别、前沿判别或全波形检测技术等方法保证精度。脉冲测距法的测距精度较低, 适合于远距离测量, 主要应用于复杂地形测量、地面建筑物数字化、文物保护等领域。
3) 相位测距法。相位测距法的测距原理是:由发射器发射出一个携带正弦波的光束, 再通过接收器接收经被测目标物体反射回的携带正弦波的光束, 只需要测量调制到发射器上的正弦信号与接收器解调出来的正弦信号的相位差, 通过此相位差可以计算出要测量的距离[5]。设发射器的正弦信号的角频率是ω, 正弦光信号往返的相位差为Ф, 光信号脉冲的频率为f, 则所测距离D为
相位差的测量技术已经非常成熟, 而且测量精度也很高[6]。因此相位法测距精度较高, 可达到毫米级, 主要应用在精密测距和医学研究领域。
以上3种测距方法各具特点, 根据测量距离与测量精度的关系, 适用于不同的领域。三角法测距的测量距离最短, 但测距精度最高, 适合近距离精密测量;脉冲法测距的测量距离最长, 但测距精度较低;相位测距法具有较高的测距精度, 适用于中距离测量, 但在激光扫描系统中应用较少。
1.2 测角原理
1) 角位移测量原理。激光扫描系统的测角方式与常规测角仪器不同, 是根据激光光路的变化来求得扫描角度。为了实现对激光扫描系统的精确定位, 采用步进电机来实现光路与目标物体角度的相对变化, 通过步进电机的细分控制技术, 获得精确的步距角θ:
式中:N为电机转子齿数;m为电机相数;b为运行排数及线路状态数。通过θ便可得到激光光路与目标物体转动的相对角度。
2) 线位移测量原理。线位移测量是通过CCD摄像机测量激光器发出的光束与目标物体表面区域形成的相对位移量以及激光器与目标物体的相对距离, 来反求出扫描的角度值。
1.3 扫描方式
1) 主动扫描方式。主动扫描方式是指被测目标物体与摄像机固定不动且摄像机视角可以覆盖整个目标物体, 通过电机或旋转棱镜的转动实现激光光源的运动, 使光平面对目标物体进行扫描。如图3所示。
主动扫描方式可以实现无导轨的固定曲面测量, 适用于便携式测量系统[7]。但由于光平面与摄像机的相对位置是不断变化的, 因此, 标定环节需要建立多个坐标系, 产生误差较多, 难以保证测量的精度。
2) 被动扫描方式。被动扫描方式是指保持摄像机和激光光源投射的结构光的相对位置固定[8], 利用导轨或者转台去带动被测物体来实现它与光平面的相对运动。
这种扫描方式由于摄像机和光平面的位置相对固定, 因此传感器的外部参数只有一组, 便于实现标定。由于只需要建立一个坐标系, 各个光平面之间的关系可以通过导轨和转台的运动方程来约束和确定, 所以标定过程相对简单, 产生的误差较小, 测量精度较高。
2 三维激光扫描系统标定原理
2.1 CCD摄像机标定原理
CCD摄像机常采用针孔模型进行标定[9]。如图4所示, 点O为CCD摄像机的成像透视中心, OO1为摄像机物镜光轴, 点O1为光轴与像平面的交点, 是像平面的光学中心, 空间点Pw在摄像机坐标系下的坐标是Pw (Xw, Yw, Zw) , 它在像平面上的成像点为P′ (U, V) , O与O1之间的距离f为物镜成像的焦距, K为摄像机的投影矩阵, 根据摄像机平面标定算法[9,10]可得到摄像机标定的数学模型如式 (6) :
2.2 激光相机标定原理
激光相机标定原理如图5所示, 点O为激光光源中心, OO′为扫描光束, α为发射到空间点P的光束与OO′的夹角, β为激光扫描平面与Z1平面夹角, 设OP的距离为r, 可求得点P在激光相机坐标系下的坐标为[10]:
3 三维激光扫描技术的发展现状
三维激光扫描仪的种类繁多。按测距原理可分为三角法、脉冲式、相位式和脉冲-相位式激光扫描仪, 按扫描距离可分为长距离型、中距离型和近距离型激光扫描仪, 按测量平台可分为手持式、车载型、机载型及地面固定型激光扫描仪[11]。各种扫描仪在测距精度、扫描速率、测角精度、测程范围、扫描现场等方面各有特点。
下面列举加拿大的Optech公司产品ILRIS-3D、ILRIS-HD;美国Trimble公司产品MENSI S10、GX-3D;德国Z+F公司产品IMAGER 5010;瑞士Leica公司产品Scan Station C10;奥地利Riegl公司产品VZ-1000;日本Topcon公司产品GLS-1500;Faro公司产品Photon 80;中国中海达公司产品LS300等。通过将各产品的技术参数进行对比, 得出基于不同测距原理的三维激光扫描仪精度、测程及扫描速率之间的关系, 如表1所示。
由表1中数据可知, 基于三角法原理的激光扫描仪测量距离最短且扫描速率慢, 但是扫描精度很高, 适用于高精度的测量。基于脉冲法原理的激光扫描仪测量距离最远且扫描速率快, 测距精度较低, 但测角精度较高, 适用于大面积测量。基于相位法原理的激光扫描仪性能介于上述两者之间, 扫描速率较大, 但测角精度较低。
4 三维激光扫描技术的发展趋势
三维激光扫描技术相比于传统的测绘技术有着鲜明的优势, 随着技术的成熟和应用领域的扩展, 三维激光扫描技术未来的发展趋势有以下几个方面:1) 国内三维激光扫描技术发展迅速, 具有自主知识产权的国产三维激光扫描仪在市场的占有率不断提升。2) 在提升硬件水平的同时, 更注重算法上精度的提升。3) 与GPS、全站仪等设备联合测量, 可以实时定位、导航以及提高精度。4) 点云数据处理软件的公用化, 可以实现实时数据的共享, 提升数据处理的效率。5) 随着技术的成熟以及国产化比率的提升, 三维激光扫描仪的使用成本降低, 更易于满足普通化需求。
摘要：首先介绍了三维激光扫描技术的基本概念及其主要应用。在此基础上详细论述了三维激光扫描系统测距、测角、扫描及标定的原理和若干方法, 进而介绍了三维激光扫描技术的发展现状, 并通过对基于不同测距原理的三维激光扫描仪的参数进行对比, 得出其适用范围。最后分析了三维激光扫描技术未来的发展趋势。
关键词：三维激光扫描,测量原理,标定方法,发展趋势
参考文献
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