三维激光扫描技术（精选12篇）
三维激光扫描技术 篇1
三维激光扫描技术是近年来迅速发展起来的一种获取空间数据的新技术,它通过激光测距原理,瞬时测得空间三维坐标,相当于一个高速测量的全站仪,但又不同于传统全站仪[1]。传统全站仪需要通过人工寻找目标,每次测量一个目标点。而三维激光扫描仪则通过自动控制技术,按照事先设定的分辨率对目标物体进行扫描,连续、快速地获取目标物体表面的密集采样点数据,即点云数据。利用点云数据,可快速构建结构复杂、不规则的三维表面模型。因此,该技术又称为“实景复制技术”。
目前,三维城市建模已成为数字城市研究的热点。常见建模方法是通过航空摄影测直接获取建筑物等地物表面的三维坐标和地形表面的DEM,进行几何建模,利用航空影像提取建筑物和地面纹理并进行纹理映射。但这种建模方法精度不高,建立几何模型的工作量较大。利用三维激光扫描仪获取的点云数据则可以实现物体表面快速、精确地建模,在城市建模研究与应用中被广泛关注。
笔者以拓普康GLS1500扫描仪作为实验设备,以三维城市建模中的典型地物———建筑物为研究对象,探讨利用三维激光扫描技术获取空间数据并建立三维模型的方法。
1 数据采集
1.1 制定扫描方案
为了获得完整的三维场景信息,首先要对扫描目标以及周围环境进行实地勘查,根据仰角及遮挡情况确定各个扫描站点,实施多测站多角度的场景扫描。因此,在实施扫描前,首先要制定扫描方案。若测区有现成的地形图,可根据地形条件和测量的具体条件来计划扫描的路线和测站点的位置,然后再到实地勘察,对预先设定的计划路线和控制点位置进行适时调整。若测区没有现成的地形图或者测区范围不大,可实地勘察,现场选择路线,确定扫描站点。
为了将各测站获取的点云数据统一到同一个大地坐标系下,在选定测站点后,需要根据测区控制网,测定测站点坐标。另外,为了便于后续的点云配准,要合理安排标靶的位置和数量。
1.2 实施扫描
1.2.1 扫描范围的设定
由于扫描距离越远,扫描时间就越长,像天空这样的无限远距离会降低工作效率,不应纳入扫描范围。从某一方向对目标进行扫描时,应从扫描仪视野范围中圈选出被扫描物体,这样既可减少噪点,又可减少扫描时间,提高工作效率。
1.2.2 点云密度的设置
点云密度的设置要充分考虑目标对象的复杂程度和实际应用需求,对细节较多的建筑物一般采用1 cm激光点位间隔扫描,对墙体平滑的部分可设置2 cm及以上间隔。
1.2.3 纹理数据的采集
拓普康GLS1500扫描仪自带摄像头,可在扫描的同时进行目标拍照,获取纹理数据,以作为建模后的纹理贴图使用,并为多站拼接提供参考。
2 点云数据处理
2.1 点云的预处理
由于扫描过程中外界环境对扫描目标会构成阻挡和遮掩,如移动的车辆、行人、树木的遮挡,及实体本身的反射特性不均匀,会形成散乱点或者空洞等噪声,需要对点云进行过滤,剔除点云数据内含有的不稳定点和错误点。实际操作中,需要选择合适的过滤算法来配合这一过程自动完成。滤波去噪原理是:根据激光扫描回波信号强度辨别,回波信号强度低于阈值时,距离信号值无效;利用中值滤波,剔除奇异点;利用曲面拟合去除前端遮挡物[2]。
2.2 点云配准
由于扫描系统是刚性的,点云配准时发生的坐标变换可视作三维刚体的坐标变换,即两点云之间尺度比λ取为1[3]。该转换模型仅包含6个独立参数,即3个平移参数Δx,Δy,Δz以及3个旋转参数α,β,γ。进行点云数据配准的关键是解算出这6个转换参数(Δx,Δy,Δz,α,β,γ)。而要解算出这6个参数,必须有不少于3对的同名点。若存在多余观测,即同名点对多于3对,则按最小二乘法进行平差解算。确定同名点对,解算旋转矩阵R和平移矩阵T,然后进行配准,即确定配准目标函数并获取最佳变换参数。坐标转换模型如下:
实际应用中,点云配准常用方法有两种,即控制点配准和标靶配准。使用控制点按照测站/后视方法将点云配准到大地坐标系下,这就要求各测站的扫描仪须架在已知点上,严格对中、整平,进行测站/后视点设置,原理与全站仪测量相同。使用标靶配准是利用公共标靶作为约束条件进行配准,该方法要求相邻测站在完成目标扫描的同时,还需扫描3个及以上的公共标靶,并且各测站中必须有一站要架在已知点上,按照测站/后视方法进行扫描,其余测站可任意架设,各站点云数据在配准的同时也统一到大地坐标系下。
另外,也有人提出利用扫描目标的特征点(如房屋角点、窗户边界)进行配准,但扫描时的点间隔一般为几毫米或几厘米,并且激光束的发散使得扫描光斑在目标表面也不是一个点,无法使相邻测站扫描到同一个特征点,致使配准时使用的并不是相同特征点,配准后会存在偏差,此种方法精度低,一般不宜采用。
本实验主要对昆明冶金高等专科学校西部入口处的校务大楼、图书馆和科技大楼三幢建筑物围合形成的场景进行扫描,充分利用预先布设在校区的控制点实施扫描和点云配准,选用控制点11个,表1为部分控制点坐标。对于没有控制点的测站,为将该站的点云数据坐标统一到大地坐标系下,在该测站和上一测站间增设3个公共标靶,操纵扫描仪分别在两测站完成标靶扫描和靶心自动识别,实现高精度配准。点云配准应注意两个问题:
(1)测量坐标系是左手坐标系,X轴为纵轴,向北为正,Y轴为横轴,向东为正;而实验所采用的拓普康GLS1500扫描仪坐标系是右手坐标系,即X轴为横轴,Y轴为纵轴。点云数据的原始坐标都是仪器内部坐标,在配准时应注意坐标轴的变换。
(2)扫描时标靶放置的位置会影响到配准精度,标靶要均匀分布于整个扫描范围或重叠范围,不能在一条直线上,相互之间尽量远离,这与影像校正中控制点的分布问题一样,在此不再赘述。
图1为校务大楼、图书馆、科技大楼三幢建筑物场景进行分站扫描的数据,可以看到,各测站的点云在配准前是重叠在一起的。利用Scan Master软件按测站/后视方法进行配准后,得到的点云如图2所示。
2.3 点云消冗处理
多站点云数据配准后,在扫描重叠区内的重复采样点会带来数据冗余的问题。在不降低原始扫描采样密度的前提下,有必要对冗余点云进行消冗处理。南京师范大学盛业华提出对拼接后的点云建立立方体格网索引,再对所有采样点按k-邻近结构进行组织,然后在k-邻近组织的数据中进行遍历,依据采样点间距是否小于给定的阈值确定是否删除某一采样点,最终实现对多站扫描的点云拼接数据进行消冗处理[4]。中国矿业大学黄承亮提出了区域重心压缩法和共顶点压缩法两种点云消冗处理方法[5]。
本项目采用拓普康GLS-1500三维激光扫描仪配套的Scan Master数据处理软件采用人机交互的方式完成。
3 三维几何建模
三维激光扫描仪所得到的点云是由不规则的离散点构成的,点云之间并没有构成建筑物的实际表面,所以要得到建筑物有拓扑关系的真实表面,还要恢复建筑物表面的这种拓扑关系,即构建三维建筑模型[6]。
三维模型建立的流程一般由特征线提取和模型构建两部分组成。
3.1 特征线提取
特征线提取可采用多种方法。如自动提取剖面、等值线,根据点云自动拟合线段、圆柱、圆锥、多边形等基本几何形状等。
由于目标物所在场景存在遮挡和建筑物本身的遮挡,以及窗玻璃等材料表面对激光的不同反射特性,导致点云数据的某些区域激光无法到达产生许多空洞,因此在建模过程中要对空洞进行修补,一般由手工完成。也可由软件自带算法解算补洞,但空洞有高程时误差会增大,需要拆分后与手动填补法结合使用。
本项目在提取特征线时采用Auto Desk公司的Auto CAD软件先绘制三维结构线,再统一投影到二维平面的方法,以保证结构线的平面精度,如图3所示。
3.2 三维模型创建
基于线划图的三维模型创建,主要思想是由线成面。将CAD线划图导入3DMAX软件中。基于点云每个方向构件的线划图间都具有准确的位置关系,将前后左右上下六个立面图一同导入后,可合成完整的建筑结构图。
但大型建筑物一般都比较复杂,对建筑物的整体构件进行识别并全部自动建模到目前为止还没有很好的解决方法。通常,建模时把建筑物的每一个构件进行分离,可分为规则的建筑物构件和不规则的建筑物构件。规则建筑物构件的建模方法有很多种,如线性回归和分段线性拟合等;不规则建筑物构件的建模则要复杂得多,主要是曲面特征点和特征线的提取,然后再利用旋转、放样等方法构建模型。对于需要保留现状或者使用上述方法较难建模的建筑物构件,建议构建三角网模型,因为三角网模型损失的精度最少,能保留住建筑物原始面貌。
利用上述方法把建筑物的构件分别建模完成后,即可把这些构件放到同一个文件里,由于之前进行了整体测量控制,所以这些构件都有统一的坐标系,只要把它们放到一起就可组成一个完整的建筑物。但是由于各个构件是分开建模的,所以构件之间会有大大小小的缝隙和交叉,需要对构件之间的误差加以修正,最终形成完整的建筑物实体模型。
4 纹理映射
纹理映射是实现三维模型真实感的关键。可利用扫描仪自带摄像头或数码相机获取纹理信息,进行建筑模型表面的纹理映射。为使建筑物看起来真实、美观,还需要利用Photoshop或其他图像处理软件对所获取的纹理图像进行纠正、缩放和匹配处理。
纹理映射中,包括几项关键技术,即透明纹理映射、不透明单面中的纹理映射和纹理拼接[7]。纹理映射可以大大提高模型的逼真度,一方面可通过纹理图像模拟出丰富的建筑物细节,简化模型的复杂程度;另一方面可赋予模型丰富的色彩、贴图特征,从而生成三维景观。图4为校务大楼和图书馆模型纹理映射后的效果。
5 结论
实践表明,三维激光扫描技术适用于城市景观的精确建模,为今后三维数字城市建设提供了有效手段。但由于所获取的点云数据量庞大,如何管理和处理海量数据,并且保证数据在处理过程中精度不受损失仍然是亟待解决的问题。
摘要：以拓普康GLS1500扫描仪作为实验设备,从数据采集、点云处理、三维模型建立和纹理映射等方面探讨了利用三维激光扫描技术进行建筑物三维建模的方法。
关键词：激光扫描,三维建模,点云数据,纹理映射
参考文献
[1]徐源强,高井祥,王坚.三维激光扫描技术.测绘信息与工程,2010;8:5—6
[2]路兴昌,宫辉力,赵文吉,等.基于激光扫描数据的三维可视化建模.系统仿真学报,2007;4:1624—1629
[3]葛晓天,卢小平,王玉鹏,等.多测站激光点云数据的配准方法.测绘通报,2010;11:15—17
[4]盛业华,张凯,张卡.多站拼接后三维激光扫描点云的消冗处理.测绘通报,2010;3:28—30
[5]黄承亮,吴侃,向娟.三维激光扫描点云数据压缩方法.测绘科学,2009;3:142—144
[6]丁延辉,邱冬炜,王凤利,等.基于地面三维激光扫描数据的建筑物三维模型重建.测绘通报,2010;3:55—57
[7]程效军,朱鲤,刘俊领.三维建模中的纹理处理.应用技术,2004;2:24—26
三维激光扫描技术 篇2
1.项目背景
此小区为刚刚建设的小区，应业主要求完成小区的竣工测量，和房屋立面测量，小区地形测量的结合项目。
2.仪器介绍
法如Focus3D X 330三维激光扫描仪是一款超长测量距离的高速三维扫描仪，仪器重量5.2Kg，扫描精度2mm@330m。Focus3D X 330 将扫描范围扩展至全新的尺寸:能够在阳光直射下扫描最远距离为 330 米的物体。利用所集成的 GPS 接收器，这款激光扫描仪能够使每次扫描与后处理相互关联，而成为测量型应用的理想选择。凭借更高的精度和更大的范围，FARO Focus3D X 330 大大减轻了测量和后处理的工作量。三维扫描数据可被轻松地导入所有常用的事故重现、结构、土木工程、建筑、法医鉴定、工业制造和土地测量软件解决方案。
3.工作流程
本项目要扫描小区居民房，做平面图和房屋立面图，竣工资料等，此次扫描采用的是环形扫描的方案，共架设17站，外业用时4小时。
后期点云数据处理，选择FARO SENCE与Pointsense Building点云处理软件，建立房屋立面图和小区平面图，Revit建立房屋简单模型，能够快速处理海量点云数据。SENCE通过使用自动物体识别以及点云配准和定位功能，SCENE能够轻松且高效地处理和管理扫描后的数据。另外，它能快速生成高质量的彩色点云，同时还提供了用于无靶标自动配准的工具。从简单的测量到三维可视化，再到网格划分和导出至各种点云和 CAD 格式，这款用于扫描仪的点云处理软件使用起来非常简单。一旦SCENE准备好扫描数据，您就可以立即开始评估和处理这些数据。使用SCENE Web Share Cloud，只需点击一下按钮，就能将扫描项目发布到网络服务器上。SCENE WebShare Cloud 是一种用来存储扫描数据并与其他项目参与者进行共享的安全云端解决方案。Pointsense Building对建筑物的矢量模型进行线画，生成线画图、立面图等。
成果展示：
地形平面
俯视图
模型和地形图
立面图
软件生成网页版数据浏览，可浏览彩色点云数据，并可进行一般测量。
4.总结
相对于传统测量方式，三维激光扫描仪所获得的数据更加具体、生动、形象，内外业所需时间减少50%，并且可以轻松的反应出三维状况。扫描数据之后用于做平面线划图、立面图、精确后期再建模，特别重视整体精度，法如Focus3D X 330三维激光扫描仪独创靶球和棋盘纸技术，确保了数据的整体拼接精度。
天绘测绘简介：
湖南天绘测绘科技有限公司（简称“天绘测绘”）成立于2003年，至今已有十多年的历史，是一家专注于测绘与地理信息相关产业的供应商，为这些行业提供先进的设备及整体系统解决方案。公司目前亦是湖南省在这个领域中实力最强、规模最大的企业。公司现有员工50多名，90％以上为测量及相关专业毕业。
目前，主要提供的产品：航测无人飞机；地面、车载、船载、机载三维激光扫描系统；测量型RTK GPS；手持GIS；全站仪、经纬仪、水准仪等各种常规测量设备；测深仪、重力仪、水下测量机器人等各种海洋水下测量设备、各种测绘相关软件等等。主要提供的解决方案：无人机航测解决方案;桥梁、大坝、矿山、地铁、隧道自动化监测系统；三维激光扫描系统；精密工业测量；CORS建站；数字化城市等等。我们的优质服务，取得了广大用户的热烈好评。
厂家授权湖南总代理：瑞士ebee无人飞机总代理；德国猎鹰无人飞机总代理；索佳SOKKIA湖南总代理；拓普康TOPCON代理；瑞士安伯格公司总代理；美国法如三维扫描仪总代理；美国API公司总代理；美国天宝光学产品代理；中海达GNSS产品总代理；合众思壮GIS产品总代理；苏州一光总代理 ；欧波仪器总代理。
三维激光扫描技术 篇3
关键词：三维激光；扫描技术；露天矿测量
露天矿测量的主要任务是矿山储量的测量，测量结果对管理者对于矿区的监管具有重要意义。传统露天矿测量方式具有一定的缺陷，不能够准确地反映出露天矿的真实开采情况，并且需要消耗大量的人力物力。而采用三维激光扫描技术则可以提高露天矿测量的精度，测量时间也大幅缩短，能够给管理者提供更加直观准确的测量数据。
一、露天矿测量的概念和主要目的
露天矿测量指在露天矿的设计及开采阶段，为指导和监督露天矿的开采和剥离所进行的一系列的测量。露天矿测量的工作内容主要有： 建立矿区基础测量控制网和进行矿区的地形测量、采场测量、线路测量等地质测量，对露天矿的边坡稳定性进行观测，计算矿区的矿体体积，检验地质测量成果，计算矿区储量以及绘制测量图和编制年报等。
矿山储量地质测量是露天矿测量的主要目的。矿山储量地质测量是以矿山占用资源储量登记依据的矿产勘查报告或储量核算报告和上年度矿山储量年报为基础，运用矿山测量和矿山地质编录、矿山采样测试等技术手段，通过矿山地质资料整理，估算矿山本年度的开采量、损失量以及资源储量增减量，编制矿山储量年度报告，对矿山本年度保有资源储量进行年度结算[1]。
二、传统露天矿测量方法的缺点
（一）测量精度较低
传统的地质测量方式是在要测量的矿区范围内，选取一些地形特征点，间隔一定距离来进行数据采集，之后根据这些选取的点进行矿体计算，因此，传统地质测量结果的准确性主要取决于所选取的点的数量、位置和选择的计算模型。对于比较平坦的矿山开采面来说立尺点的位置和数量有一定的保证，测量结果相对来说比较准确。但由于矿山在开采时会在开采面形成许多不规则的曲面，尤其对于露天矿，开采面比较复杂，许多地方作业人员基本无法达到，因此立尺点的位置和数量便不能得到满足，由于采点之间的距离相对较大，测量结果的精确度便会降低。
根据 《地质矿产勘查测量规范》（ GB/T18341—2001） 的技术要求，剖面点的高程中误差不得超过 1/3 等高距[2]。传统的地质测量技术很难达到这样的精度要求，从实际测量工作来看，许多矿山的储量测量都需要结合多种指标如炸药的用量等来进行多次核算，由于传统地质测量技术精确度不高，已经严重影响了矿山储量的可信度。
（二）测量速度较慢
传统的地质测量方式需要人工进行立尺点的确定和测量，在投入人手充足的情况下，一个工作小组在一个工作日一般只能够测量一个矿山，再加上必须的准备工作和数据测算，一般完成一个矿山的测量工作便需要两天，而矿山储量的动态监管时效性很强，短时期内便需要再次进行测量。因此使用传统的地质测量方式由于测量速度较慢，需要投入大量的人力物力。
（三）存在安全隐患
矿山表面的地质条件复杂，常有山体滑坡、坠岩等情况发生，传统的测量技术由于需要测量人员至各个地区采点，便需要测量人员在陡坡、悬崖峭壁上进行采点测量，具有一定的危险性。
（四）直观性较差
传统的地质测量方式只能够提供测量数据，并没有直观的矿山图像，管理者只能根据数据进行矿山储量的判断，无法直观地了解矿区的开采状况。
三、三维激光扫描技术的原理和特点
三维激光扫描技术是指一项基于高密度点云数据进行体积测量计算的技术，使用依据三维激光扫描技术制作的仪器，可以十分快速地对矿区进行扫描测量，测量精度较高，并且可以提供全景影像图片，从而达到数据、图像和矿山开采状态的一致。
（一）三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪器一般包括扫描仪、控制系统和供电系统三部分。扫描仪向外发射激光脉冲，在接触到物体后，激光脉冲被反射回扫描仪，根据激光脉冲从发出到被返回扫描仪的时间来计算物体距离，扫描仪将获得的物体信息进行处理并自动进行存储和计算，最终获得点云数据。最终，使用编码器根据扫描仪的旋转角度，计算并获得每个点的三维坐标值，从而生成三维图像，最终生成精确的数字模型。
（二）三维激光扫描技术的特点
相比较传统的地质测量方式，三维激光扫描技术能够快速获得测量数据并提供精确完成的矿区图像，具有如下特点：
1、无需与矿山实际接触。三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，不再需要测量人员亲自至矿山进行采点测量，对于比较危险、测量人员不容易接近的情况，利用三维激光扫描技术便可以轻松进行测量。
2、數据采样率高。测量结果的准确性依赖于采点的位置和数量，使用传统的测量方法，点的数量选取有限，而采用三维激光扫描仪器的采样点速率可达每秒数万点至数十万点，是传统测量方法完全无法比拟的。
3、分辨率和精度较高。三维激光扫描技术可以快速、精确地获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的[3]。
4、数字化采集，兼容性比较好。三维激光扫描技术所采集的数据是通过仪器直接获取的数字信号，方便后期进行处理及输出。其数据的后续处理软件能够与其他的常用软件进行共享和数据交换，兼容性比较好。
四、三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用
在对老君山南麓矿区进行地质测量时，拟对传统的测量方式和三维激光扫描技术进行比较。
（一）老君山南麓矿区的基本情况
nlc202309090002
老君山南麓是正在开采的曼家寨矿段，矿区位于滇东南坳褶断带，包含在南褶皱系西南缘内，老君山起止点为文山与马关隆起南部的复式背斜，该区域分布大量变质岩，地质结构较为复杂，地底岩浆处于剧烈活动状态，广泛分布着矿物资源，分别为锌、锡以及钨等。长期作用下形成区域性构造格局，与此同时形成多种不同地形，包括纵向断裂、复式背斜轴波状褶曲等。褶曲：例如由南到北方向，铜街至曼家寨之间的背斜为一种典型的宽缓型褶皱，总长度为5千米；铜街～曼家寨背斜为宽缓型褶皺，大致呈南北向，长约5km，轴向为北偏东5°至北偏东20°度，背斜倾斜方向为南，褶皱轴南部低，北部高。断层：F0断层出露于曼家寨矿段东部，走向N5°E～N8°W，倾向西，倾角40°～55°；F1断层出露于曼家寨矿段中部，走向SN～NNE～NNW，倾向西，倾角15°～30°。
（二）两种测量方式的比较
由于老君山南麓矿业表面褶皱和断层较多的地质特点，使用传统的测量技术在采点上便存在一定的困难，计算的精度也较低，而相较传统的测量技术，三维激光扫描技术则大大提高了露天矿储量测量的精度，能够获得真实准确客观的数据。由于老君山南麓矿区地表结构复杂，使用人工测量存在极大的风险隐患，而使用三维激光扫描技术则很好地解决了这一问题，且节省了人工和时间。另外，三维激光扫描技术还可以提供高清的立体图像，可以更加直观地反应出了矿区开采的真实情况。因此，三维激光扫描技术明显优于传统的测量技术。
总结：相比较传统的测量技术，三维激光扫描技术在不接触矿区的情况下便可以进行测量，采点的数量大幅度提高，因此可以获得更加准确的数据。由于不需要测量人员亲自采点，节省了人工和时间，也减少了测量人员的安全隐患。三维激光扫描技术还可以提供直观的三维图像，准确反映矿区的现状。基于三维激光扫描技术的种种优势，必将在露天矿测量中广泛应用。
参考文献
[1]刘建坡；李军杰；黄继永.三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用.科技信息（科学教研） ，2008（22）：647-648.
[2]刘红旗；项鑫；李军杰.三维激光扫描原理及其在露天矿测量中的应用.科技资讯，2009（3）：7-8.
[3]张金福.三维激光扫描技术在露天矿测量中的应用分析.门窗，2014（11）：423-424.
[4]雷朝锋.基于三维激光扫描技术在豫北露天矿测量中的应用研究.测绘与空间地理信息，2014，37（8）：96-98.
三维激光扫描技术 篇4
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
[1]马利, 谢孔振, 白文斌, 等.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用[J].北京测绘, 2011.
[2]辛培建, 韦宏鹄.三维激光扫描技术中点云拼接精度问题探讨[J].山西建筑, 2012.
三维激光扫描技术 篇5
0 引 言
三维激光扫描技术是近年来发展起来的测绘新技术，它与传统测绘方法相比具有明显的优越性。它可以在短时间内采集海量的目标点坐标，测量精度很高。形成的点云，可以进一步处理构建目标三维模型，真实再现目标面貌。三维激光扫描技术在地面景观形体测量、复杂工业设备测量与建模、建筑与文物保护和城市三维可视化模型建立等各个方面都有广泛的应用。
重庆罗汉寺是全国汉族地区重点佛教寺庙之一，始建于北宋治平年间，至今已有近千年的历史。因为罗汉寺建筑时间久远，其建筑因破损需要维修，而大部分建筑均无建筑图纸等资料及数据。因此，本项目采用三维激光扫描技术对罗汉寺内主要建筑物进行三维扫描测量，获取建筑物顶高及建筑主体轮廓的精确尺寸，建立三维仿真系统，留下宝贵的历史档案。
1 三维激光扫描仪和相关软件介绍
1. 1 三维激光扫描仪 VZ - 1000
本项目采用的是奥地利 RIEGL 公司的最新一代激光扫描仪 VZ -1000 三维激光扫描仪。该仪器由高精度、长距离三维激光扫描仪和高分辨率的数码相机组成。VZ -1000 三维激光扫描仪最远扫描距离可达 1 400 m,测量精度优于 5 mm,建模精度优于 2 mm,并且该仪器配有云台设备可以采用不同倾角对建筑进行扫描。
1. 2 相关软件介绍
1） RiSCAN PRORiSCAN PRO 是三维激光扫描仪 VZ 系列的自带软件。用户可以用 RiSCAN PRO 软件配置传感器参数、进行数据获取、数据显示、数据处理和数据存档等操作。
2） Geomagic Studio由美国 Raindrop （ 雨滴） 公司出品的逆向工程和三维检测软件 GeomagicStudio 可轻易地利用扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS 曲面。Geomagic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。
2 建筑物数据采集方法
运用三维激光扫描仪对罗汉寺内主要建筑物及罗汉（ 塑像） 进行三维数据采集。由于建筑物造型复杂，数据获取困难，因此需要进行多站扫描，同时配备“云台”设备获取整体数据。
罗汉寺的数据采集复杂多样，其内建筑物多、密度大，同时由于景区人数多、客流量大，为了保证扫描效果和工作效率，扫描采用“粗扫”和“精扫”相结合的方式进行数据采集。“粗扫”时采用 360°的扫描方式进行，扫描距离设置为 450 m,采样间隔设置为 100 m 处 0. 05 m,扫描一周时间为 2 min.“粗扫”目的是为了获得测站四周建筑物整体的轮廓点云数据。“精扫”时采用选择特定区域，扫描距离设置为 450 m,采样间隔设置为 100 m 处0. 02 m方式进行，“精扫”目的是为了获得主要建筑物的重要区域的精细点云数据。采用“粗扫”和“精扫”相结合的作业方式，保证了扫描数据满足工程精度要求，同时尽可能提高了工作效率。
由于需要测量罗汉寺内主要建筑物的顶高数据，在数据采集时采用了“云台”测量工具，该工具可以在垂直方向上从 0° ~90°进行变化，把激光扫描仪架设在该“云台”上，通过“云台”的角度变化进行倾斜扫描。采用“云台”技术进行数据采集，与常规扫描采集点云数据要求一致，主要采集了建筑物顶部数据。
为了使建立的三维模型真实及纹理清楚，在三维数据获取时，采用专用相机获取影像数据。为满足三维仿真系统建设的需要，对未获取影像的区域，采用单反相机单独拍摄。
3 建筑物点云数据处理方法
3. 1 数据预处理
采用三维激光扫描仪配套数据处理软件 RISCANPRO,对多次扫描数据进行拼接，其拼接精度达到 2 cm.
由于罗汉寺内建筑物繁多，分布密集。整体浏览和处理都不方便，为了更快捷、清楚地对数据进行处理，需要对罗汉寺整体点云数据进行裁剪。通过 RISCAN PRO 软件的裁剪功能对点云数据的裁剪，获得罗汉寺内主要建筑物的独立点云数据。
由于原始扫描的建筑物点云数据没有颜色信息，浏览和处理并不直观，仅仅依靠激光点云对物体进行三维建模是不够的，缺乏对表面纹理特征的有力表达，因此，采用影像匹配技术对点云赋予颜色。
3. 2 建筑物特征提取方法
通过三维激光扫描获得罗汉寺建筑物数据是三维点数据，对建筑物而言，其关键数据是建筑物各重要部位的.轮廓线数据，建筑物轮廓线数据也是其设计、修复、建模的基础数据。因此，需要对罗汉寺的主要建筑物的轮廓特征进行提取。将整理好的罗汉堂点云数据，导入自主研发的点云数据处理程序，进行数据处理。该程序主要包含点云电力线提取、点云斜坡提取、点云特征提取、点云线地物搜索等用于地形处理的功能。
运用点云数据处理程序相关功能，提取建筑物的外围轮廓线、屋脊线等。通过软件提取，最终得到罗汉寺主要建筑的特征线如图 1 所示。
基于对文物保护需求，需要采集罗汉寺内各建筑顶部的准确高程数据。此前地形图测量时，受条件的限制，只采集了部分建筑的顶部高程数据，而点云数据中涵盖了所有的建筑物顶部高程数据，采用 RISCAN PRO 的点特征提取功能，提取所有高程数据。与常规采集数据进行比较，同部位高程差最大值为 12 mm.
3. 3 精细模型制作
对采集的罗汉（ 塑像） 进行精细模型制作。模型制作时，根据点云数据，提取特征线，匹配现场采集的影像资料，进行点云数据拼接、裁剪，获取罗汉（ 塑像） 的精细点云数据。将点云数据导入 Geomagicstuido 点云建模软件进行精细建模处理，先对点云数据进行降噪处理，然后对点云数据进行封装，通过封装使点云数据生成空间三角网模型数据，对空间三角网模型数据进行补洞、平滑、修复等优化处理，得到罗汉（ 塑像） 精细三维模型。该三维模型为后期维修等留存宝贵的历史数据资料。
3. 4 三维仿真系统建设
根据前述各工序获取的地形图、三维点云数据、影像数据等资料，利用三维建模软件 3DS Max 或 CREATOR 等进行模型制作并贴上真实材质。采用自主研发的集景-三维仿真平台建立罗汉寺三维仿真系统，实现场景的快速浏览漫游，建构筑物的快速查询和三维定位等。系统中保留罗汉寺详细的历史信息，留下文物的详细历史档案，为后期管理提供一个直观、科学的平台。如图 2 所示。
4 结束语
本文采用三维激光扫描技术应用于重庆罗汉寺文物保护工程，通过外业数据采集，内业数据处理，对建筑物进行轮廓特征提取，构建精细三维模型，建立三维仿真系统，为罗汉寺的文物和建筑留下了宝贵历史档案，为后期维修等工作提供了依据。通过该项目的实施为三维激光扫描技术对古建筑的数字化保护探索了一条可行的技术路线。（图略）
参考文献：
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[4] 曹先革，杨金玲，司海燕，等。 地面三维激光扫描点云数据精度影响因素及控制措施[J]. 测绘工程，2014,23（ 12） : 5 -7.
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[6] 尚涛，孔黎明。 古代建筑保护方法的数字化研究[J]. 武汉大学学报： 信息科学版，2006,39（ 1） : 72 -75.
三维激光扫描技术 篇6
内容摘要：作为文物的敦煌彩塑需要重点保护，不能随意触碰与移动，但其本身结构复杂，具有不规则性，且所处空间狭小，测绘难度较大。数字化是文物保护工作的重要内容与手段，如何利用数字化手段和成果精确绘制各种考古测绘图需要在实践中逐步探索。本文以莫高窟第275窟主尊（交脚菩萨）为例阐述了利用三维激光扫描测量手段，非接触式测量与三维复制敦煌彩塑，并利用三维点云数据精确绘制彩塑的图纸。
关键词：三维激光扫描；敦煌彩塑；数字化考古
中图分类号：K879.3；K854 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）02-0055-05
Abstract： As cultural relics， the painted statues of Dunhuang should be regarded as a focus of cultural conservation efforts and should not be carelessly touched and moved. However， the complex structure and irregular shape of the statues make it hard to draw pictures in the narrow spaces in which they are confined. Digitization is an important method and aspect of cultural relic conservation， for which reason practical exploration of techniques for drawing accurate archaeological mappings by using digital technology and data is very important. Taking the central statue in Mogao Cave 275 as an example， this paper demonstrates how to measure and duplicate the painted statues of Dunhuang using 3D laser scanning data to accurately draw pictures of the statues in combination with 3D point cloud data， all without making physical contact with the relics.
Keywords： 3D laser scanning drawing； Dunhuang painted statues； digital archaeology
考古绘图是在考古发掘人类及自然历史文化遗迹所存留的专业考古发掘现场以线的形式绘制地形图、地理位置图、遗址规划及地层堆积和遗迹现象的测绘。考古测量是将测量学应用于考古学研究当中，使用测量学的方法和技术记录、说明考古学资料，并直接服务于考古学研究，它所采用的技术也是在田野考古测绘的基础上发展而来的[1]。
《敦煌石窟全集·第一卷·莫高窟第266—275窟考古报告》）（以下简称为《第一卷·考古报告》从项目启动到出版发行，历时数年，以文字、测绘图、摄影图片等形式，详细记录和描绘了敦煌莫高窟早期11个洞窟。本次测绘采用了先进的三维激光扫描测量技术和计算机软件绘图的方法，打破了传统的纯手工测绘制图，避免了接触式测量对洞窟文物的损坏，同时提高了绘图的精度，又将洞窟所在的位置融入了大地坐标系中。在此考古报告中除了建筑、壁画、洞窟形制，涉及的彩塑有16尊。按照考古报告的测绘要求，对塑像做了正立面图、侧视图及剖视图，这些都是塑像正射投影图。由于扫描仪所采集到的点云数量有限，加上三维激光扫描的盲区和彩塑的立体特性，绘制精确的线图单靠扫描的点云数据是不行的，还得利用相机拍摄照片。普通相机拍摄的照片都会有透视。相对于立体的塑像来说，绘图过程中照片也就只能作为参考。敦煌莫高窟彩塑除了它的形体结构，还有附着在塑像上的衣纹、装饰和绘画。相对壁画立面图而言，绘制塑像图难度较大一些。为此，我们把绘制这些图的做法进行简单介绍。
一 数据采集
三维激光扫描技术是20世纪90年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术的新突破。它通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量地采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。其具有快速性、不接触性、实时、动态、主动性、高密度、高精度、数字化、自动化等特性[2]。
三维激光扫描在被测物体上进行等间距数据采集，每个点含有坐标X、Y、Z值及物体反射强度I，纹理信息R、G、B值。这些由三维激光扫描得到的众多的点组成被测物体的三维模型。大量的悬浮在空中没有属性的点阵数据，形象地被称为“点云”。
因为三维激光扫描不可穿透被测物体，所以雕塑数据采集需要从多角度进行。一尊塑像需要从多测站扫描数据，以“可见即可得”的原则进行数据采集。同时三维激光扫描测距具有最小测程，在进行数据采集时，仪器到塑像应该保持最小不小于0.6米的距离。
二 点云数据拼接及去噪
在外业多角度将雕塑的表面数据采集完整之后，需要针对这些不同测站数据进行点云数据拼接，以形成一个完整的雕塑的三维点云数据[3]。
三维激光扫描系统获取的数据量非常大，需要特殊的专业软件对这些数据进行点云数据拼接，以形成一个完整的塑像的三维点云数据。在《第一卷·考古报告》测量过程中所用的三维激光扫描仪与点云处理软件Leica Cyclone结合使用，在当时该软件是三维激光扫描领域内的主流软件系统，它也是HDS扫描仪的配套软件。
利用标靶特征点进行数据拼接，原理依据为：两个不同的三维空间坐标系统的叠合，需要将空间的X、Y、Z轴进行一一叠合，其充要条件是需要拼接的每两站数据至少要三个空间坐标点进行叠合。故在需要拼接的点云数据中寻求同名点，此时可以利用标靶、空间特征点等进行拼接。
在外业数据采集时往往存在人、物在扫描仪前经过的现象，以及物体反射面较为光滑，激光入射角较小的情况，这些因素均会带来对三维塑像有影响的噪音数据。所以在拼接完成之后，需要针对整个塑像周边的数据进行去噪，将干扰数据去掉，形成一个干净的无噪音的塑像数据，方能方便后期处理及保障精度。
三 地方坐标系统纠正
由于三维激光扫描采用极坐标系统进行数据采集。其原理为仪器内置零点位置，利用激光测距进行解算坐标。实质为极坐标系统（polar coordinates）。极坐标系统是指在平面内由极点、极轴和极径组成的坐标系。在平面上取定一点O，称为极点。从O出发引一条射线Ox，称为极轴。再取定一个长度单位，通常规定角度取逆时针方向为正。这样，平面上任一点P的位置就可以用线段OP的长度ρ以及从Ox到OP的角度θ来确定，有序数对（ρ，θ）就称为P点的极坐标，记为P（ρ，θ）；ρ称为P点的极径，θ称为P点的极角。
扫描仪在极坐标系统中测量数据，将平面极坐标系统P1（ρ1，θ1）和铅垂面上的极坐标系统P2（ρ2，θ2）集合，再转换为空间直角坐标系统（X，Y，Z）。此坐标系统为独立的坐标系统，即以仪器中心为原点的空间直角坐标系统。
在敦煌数字化考古工作中需要将洞窟的点云数据转换为敦煌地方坐标系统，故采用地方已知控制点进行联测。地方已知控制点包括平面坐标系统信息及高程系统信息。首先对此控制点进行复核工作，测定夹角、边长及水准闭合。在复核无误的情况下，在洞窟建立二级导线控制点，利用全站仪和水准仪分别进行导线测量及水准测量，解算控制点坐标。将此坐标与扫描仪的数据进行同名点配准，此时就将洞窟的点云数据转换为地方坐标系统。
四 塑像正立面图绘制
（1）坐标系统的建立
按考古绘图的实践与研究后最初决定，洞窟点云数据坐标系的建立，是以一个洞窟的纵中轴线为准的。一个洞窟主尊的鼻尖的中心到门两侧墙角的连线中点的连线为纵中轴线；没有塑像的洞窟以后面两墙角的中点到门两侧墙角的中点连线为纵中轴线。利用纵中轴线与自然铅垂方向，建立一个洞窟的独立坐标系（以莫高窟第275窟为例）。由于洞窟的不规则性，洞窟的每壁、每披及每身塑像在制图的过程中为了达到考古报告要求的正射影像图，都要给它们做出一个独立坐标系来。
步骤如下：纵中轴线的建立，确定为X（或者Y轴），与其在水平面成90°方向定为Y轴（或者X轴），两条轴确定了平面坐标系，然后以自然铅垂方向作为空间Z轴（图1）。
此时主尊的正立面就跟洞窟的主坐标系形成了统一的坐标。该项工作是整个塑像考古图绘制的重心工作，其目的在于绘图工作中雕塑的正立面与计算机屏幕坐标的叠合，避免投影面与计算机屏幕坐标系统的错误出现，保证了雕塑能够直面内业数据处理工作者的视野。
（2）正立面图绘制
前面说到《第一卷·考古报告》测量所用的三维激光扫描仪与点云处理软件Leica Cyclone相结合，Cyclone软件的功能为：点云数据获取、点云拼接、数据分析和数据输出。后期操作具体的方法是将处理后的点云数据在Cyclone里打开，用选择工具根据制图需求选取所需要部分的点云数据，右键点击鼠标拷贝到新建立的模型里，一般新拷贝的模型数据都会保存在该文件的最后，新拷贝的模型数据显示在当前。Cyclone软件打开点云数据的默认值为10万个点，为了达到更清晰的目的，要在参数选择里更改点云的参数值和颜色（图2）。
为了后期工作的顺利和精确，可以给要处理的塑像点云建立一个独立的坐标系，并且保存和命名新建立的坐标系，以便在制图中精准应用。但像莫高窟第275窟主尊这样的塑像，因为它和洞窟的主坐标系是一致的，就没必要重新建独立坐标系了，其南北壁上的塑像运用该壁面的坐标系就可以了。
在Cyclone软件里处理好了点云参数后，利用配合点云数据的绘图软件MicroStation进行绘制线图。《第一卷·考古报告》用的是Micro StationV8，其操作步骤是：打开软件，新建文件名（例：第275窟主尊塑像正立面图），选择项中种子选择“3D”，选择存储路径后点击确定，这样就先建立起立面图的一个三维.dgn文件。在文件菜单栏的“实用工具”下点击“MDL工作程序”，就会出现一个装载应用程序栏，在可用的程序栏中点击MicroStation和Cyclone之间连接的一个插件CloudWorx，然后装载点云数据。装载点云的过程中一定要选对装载对象的坐标系。
在一套点云数据中，软件可以保存多个坐标系统，并可以直接进行坐标系统的切换。
在MicroStation V8中载入交脚菩萨的三维点云数据之后，首先需要将之前建立的坐标系统进行与计算机屏幕坐标系统的叠和工作。MicroStation V8中载入三维种子工具，此时软件成为三维制图模式，可以编辑视图有顶视图、左侧视图、右侧视图、前视图、后视图、轴测视图等。同时软件支持多视图共同作业模式。步骤为：第一步，将之前建立的坐标系统中XYZ坐标系统与MicroStation V8中XYZ坐标系统叠合；第二步，再将坐标系统中的XZ（或者YZ）平面与计算机屏幕坐标系统XY平面叠合。此时交脚菩萨的正立面调整为计算机正视图。
锁定该视角，利用MicroStation V8中绘图工具进行绘图。在绘制过程中加载的点云数据既可以作为底图参考，也可以作为矢量数据进行捕抓（图3）。为了防止计算机运算速度减慢，此时可以进行加载点云数量设置。
在塑像结构图的绘制中关闭点云捕抓功能，沿塑像外轮廓进行完整结构绘制；在塑像正面纹理绘制工作中，打开点云捕抓功能，此时发挥软件的功能，捕抓塑像的纹理及线形走向。这步工作中存在计算机绘图进深的控制，即从正面看是绘制在一个平面上，从左侧视图观察，所绘制线段不在一个平面上。可以在绘制工作开始前进行软件进深“Z”设置。定义正视图中所绘制的线段在同一进深的合理的平面位置。当绘制工作在误操作的情况下，丢失此项设置，可以在绘制工作完成后将三维图纸首先压缩为二维图纸，此刻再次将软件进深“Z”设置为一个平面。这里三维图纸可以压缩为二维图纸。二维图纸也可以通过原三维图纸把二维转为三维，转为三维图纸必须要有一个原始的三维文件存在。二维转三维的方法是：复制一个原始三维文件后打开，视图窗口打开为四个，软件默认的1、2、3、4，分别为顶视图、轴测视图、前视图、右视图，根据图纸的要求可以在动态视图中选择对应的视图窗口。用参考工具连接要转换的二维文件，分别在四个不同视图窗口按点或按角度旋转参考文件至与三维图纸完全吻合，删除原文件，在工具菜单里点击“合并到主文件”后确定，这样二维图就成了三维图，此时的文件里又可以加载点云数据。
五 纹理细节的绘制
在三维文件里加载点云数据后按点云来画图。因点云数据被加载在计算机软件中会存在一定限制，数据的加载限制造成了点云在细节上不及照片反映真实。如果点云加载不密集，那么在画图软件里只能看到一些结构比较明显的地方，彩塑的细节部分就会模糊不清，这样在画图的过程中会有一些误判或丢失细节部分。这时候可在专业处理点云数据的软件中，生成正射影像图片或是在Cyclone软件里直接做出点云影像图来。不过在Cyclone软件里，如果扫描的点云数据少或点云处理不好也是不会显示出一些细节来的。通过软件做出的点云影像图片，再次将此图片加载在MicroStation V8中（Cyclone软件里制作的点云影像图）（图4）。此时的正射影像图片集合了照片与点云数据的功能，更能真实地反映塑像细节，依据此图片清晰地绘制塑像的纹理细节。
六 塑像侧立面图及剖面绘制
在MicroStation V8中将工作视图切换至左侧（或右侧）视图，此时塑像的侧面完全分布在图形工作界面中，绘制工作如上。需要注意的是：利用点云切片功能将塑像的最外轮廓数据或剖面数据保留在视图中，方便工作者能够清晰地提取塑像的外轮廓或剖线。
因三维激光扫描技术将塑像三维复制在电脑中，此时塑像在计算机中可以任意被切割。沿中轴线切割点云数据，将塑像的剖面图完整地提取出，再利用绘图工具进行绘制。
三维激光扫描数据存在盲区，我们无法在软件里精确定位盲区里的结构和纹理部分。《第一卷·考古报告》中图的绘制也只是一个探索和研究的过程，采取补救的措施是利用以前手工测绘的工具（卡钳、卡尺、钢卷尺等），测得其结构和纹理部分，再在MicroStation V8制图软件中找到相应位置进行绘制。
七 成 图
MicroStation V8与AutoCAD同为矢量绘图软件，但MicroStation V8没有AutoCAD功能那么强大，在出图打印时没有AutoCAD那样完美。所以我们在出图打印时都会将.dgn格式转换
成.dwg格式。还可利用Adobe Illustrator软件将转换的.dwg矢量图导出为.jpg或.tif等其他格式，方便将图片插入文本文件。
在AutoCAD软件里编辑好线形、线宽、颜色、比例等后打印，参照实物校对、修改，如此多稿直至精确完美。
八 总 结
三维激光扫描技术将塑像三维复制在计算机中，利用软件可以进行虚拟切割、绘制，为数字化考古工作带来了极大的便利，同时其优越性体现在数据采集时间短、数据采集精度与绘图工作精度的提升等方面。制图的过程中结合实物照片，精准绘图，探索研究，更尽可能地结合摄影测量技术绘制塑像，使考古测绘达到更先进的水平。
参考文献：
[1]朱凌，周克勤，等.基于现代测绘技术的古建筑测绘方法研究[J].山西建筑，2007，33（14）：356-357.
[2]刘旭春，等.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].测绘工程，2006，15（1）：48-49.
三维激光扫描技术 篇7
三维激光扫描技术的产生, 为上述问题的解决提供了最为有效、实用和先进的技术手段。通过应用地面型三维激光扫描技术, 可通过地形、地貌三维数据采集在斜坡稳定性研究及大变形监测等方面进行大量工作。
1 三维激光扫描的优点
与传统的仪器相比, 三维激光扫描仪在使用上具有非常显著的优点, 主要体现在以下几个方面:1可以全天候作业。由于采用的是激光, 无需太阳光, 因此, 三维激光扫描仪在黑暗的环境中照样可以正常工作, 例如隧道中或地下矿井中。2扫描的数据密度可以调节, 根据不同距离, 点间距可设小于1 mm或大于1 000 mm。3高精度。三维激光扫描仪的精度可以工作的范围内可达到1 cm, 模型化后的精度更可达3 mm, 可以充分满足大部分的测量需求。
2 三维激光扫描与传统测量的区别
与全站仪等单点采集三维数据的方法相比, 三维激光扫描仪无需设置反射棱镜, 无接触测量, 在人员难以企及的危险地段使用优势明显;突破了单点测量方式, 以高密度、高分辨率获取扫描物体的海量点云数据, 对目标描述细致、采样速率高。这都是传统方法难以实现的。但缺点是比全站仪的测量精度低。
三维激光扫描仪与以光学摄影测量为原理的近景摄影测量及航空摄影测量的获取结果不同:摄影测量获取的是影像照片, 而激光扫描获取的是三维点云数据;获取的数据格式不同:摄影测量数据拼接采用相对或绝对定向方式, 三维激光扫描采用数据的坐标匹配方式。另外, 两者拼接各测站间数据的方式、解析方法、测量精度、测量环境要求 (摄影测量对环境光线、温度要求高) 和数据处理方式也不同。
3 三维激光扫描方法及数据处理
三维激光扫描技术在工程测量应用中需要将点云数据反映到工程实际当中去, 因此将扫描的点云数据坐标转换到与工程实际相符的大地坐标中具有重要的现实意义。
要把点云数据在一个坐标系中的坐标转换到另外一个坐标系中去, 就需要知道这两个坐标系之间的转换关系。为了求出这种转换关系, 就需要几个特征点 (同名点) , 即已知在两个坐标系中同名点的坐标。
一般而言, 特征点的选择可以有两种方法:1在扫描过程中, 扫描目标表面选择3个或更多的特征点, 这些点一般选择位置明显、易于识别的点;2将扫描机位点作为坐标转换特征点。边坡全貌如图1所示。
地质体表面所蕴育的地质信息被抽象为数以百万记的三维点坐标, 有着与其原型相一致或相近的一切外部几何特征, 但又有别于原型体, 需要对点云数据所构造成的地质体进行分析、解译, 得出与其对应的客观原型的真实数据信息。
边坡点云数据的局部细节如图2所示。
边坡点云数据解译图如图3所示。
边坡岩体结构面平面分布图如图4所示。
4 结束语
三维激光扫描技术 篇8
矿山测绘技术历史悠久, 经过数十年的发展, 矿山测绘及时已经具有一定的机械化水平, 但矿山传统测绘技术无法满足目前测绘技术的需求, 越来越多的新型测绘技术成为矿山测绘技术发展的前提, 三位激光扫描技术成为众多测绘技术中非常重要的一种;数字化矿山建设是实现企业高效高产和安全开采的有效途径, 三位激光扫描技术不仅可以建立完成的三维立体模型, 还可以真实立体的展现矿山地质地形, 是一种全新的技术手段, 有利于推进矿山的发展。
1 三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪主要是地面性的扫描仪, 通过激光脉冲发射周期驱动, 由接收透镜目标接收后向反射信号产生接收信号, 最后通过电脑软件按照计算方法进行原始数据处理, 从计算中对物体进行全方位扫描后进行整理。该仪器包括软件和硬件, 软件主要是数据处理系统, 硬件主要分为三维激光扫描仪、电源和支架, 整个工程系统流程是方案的拟定和选择后通过行业数据处理再进行成果输出。
2 矿山测绘的分析
三维激光扫描技术通过扫描实物获取该物体的三维空间数据, 在重建该物体的三维模型后成为三维激光扫描技术;该技术通过无接触被测目标标准, 可以快速动态、实时自动化的获取目标的三维空间信息数据, 比传统测绘技术在精准度和高分辨率方面有很大的提升;三维激光扫描技术主要通过获取测点信息, 将散点的坐标组合成三维信息, 不需要对实物表面进行处理, 得到的数据真实可靠。三位激光扫描技术的使用不仅实现了矿山的精准化管理, 工作人员还可以通过网络对矿山的实时信息进行查询, 特别是对矿山三位模型进行实时的数据查询, 对不同时段的数据模型进行分析, 及时发展目标的结构变化和位置移动等情况, 为矿山安全有指导作用。
矿山测量工作开展前期需要进行前期控制测量, 准确控制测绘技术的精度和设置, 三维激光扫描技术作为GPS技术的一种, 是目前矿山测绘技术中高精度的新型测绘技术, 矿山测量在控制测量中还包括矿山手机控制测量, 要求在测量中从整体到局部、分级进行布网的原则, 测量控制点采用水准测量和三角高程测量的方法, 使用导线测量方法进行全球定位系统定位。建立完善的矿山信息系统是测绘技术开展的重要工作之一, 矿山信息系统是根据计算机信息技术设立地理信息系统的存储、维护、统计和管理, 在传统测绘技术中因为信息技术不完善, 使用技术方法, 对测量周期和工作量的增加有很大的挑战。因此需要建立完善的数据库, 有助于矿山企业日后的参考使用。
3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用
三位激光扫描仪技术在使用中快捷方便、动态、数字化, 测量数据有高精度的优点, 一起可以通过架设三脚架采集数据, 行业数据处理可以快速进行数据传输, 并可以快速获取物体的三维数据, 减少外部设站需要的时间, 建立立体模型;与传统测量手段相比, 三维激光扫描技术完善了测绘信息的表现形式, 真实反映现实环境, 对提高工作效率和降低劳动力强度有很大的帮助, 因此被企业广泛应用。
在矿区测量中, 建立矿区地表的三维模型可以全面扫描整个矿区的地形地貌, 并将扫描得到的三维点云数据通过软件处理后方可得到该区域的三维实时立体模型, 在对建立后的三维模型数据进行信息编辑后, 实现矿山的数字化管理;三维激光扫描技术获取的云点信息较为完整, 包括对巷道内详细信息内容的描述, 矿山地理信息及其他附属设置的描述, 通过软件处理后详细的反应出巷道内部的三维立体场景, 方便井下作业人员了解巷道具体情况, 了解人员活动轨迹。
在进行扫描前对巷道周边环境进行勘探, 根据巷道特点确定三维激光测量仪一起的架设位置, 并安放在合理的位置;在扫描过程中针对不同扫描目标要求, 合理选择扫描的密度参数, 三维激光扫描仪获取的数据可以与软件兼容, 进行开采场地体积、断面等信息数据的采集和检核。在建立三维巷道模型的整个矿井下, 可以配合井下人员的定位系统, 实时掌握井下人员分布, 对灾难应急救援有一定的帮助。三维激光扫描技术作为高速测量全站仪系统, 具有稷山小和受周边环境营销较小的特点, 主要采用主动式激光扫描原理完成测量, 没完成驿站扫描仪速度非常快, 每个点云数据的处理方式不同, 三维激光扫描系统可以自动识别实物, 在矿山测量中发挥重要的作用。
4 结束语
矿山空间三维信息的获得与传统测量技术相比有较强的实用性, 由于三维激光技术采用非接触即可测量技术, 特别是在地形复杂的山区可以全天候作业, 更加实用于井下作业;三维激光测绘技术获取的是三维信息, 可以直观立体的表现矿山的真是形态, 用该技术测量的三维云点数据丰富全面, 为数字矿山提供优质的数据基础。矿山测绘技术中采用三维激光测绘技术可以充分发挥该技术的优势, 随着三维激光技术的发展, 成为测绘领域普遍使用的新型测绘技术, 有很广阔的未来发展空间。
参考文献
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三维激光扫描技术 篇9
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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三维激光扫描技术 篇10
随着快速、准确的激光扫描技术的发展和虚拟现实技术的进步, 三维激光扫描技术将成为最精细和最快捷的文物档案保存手段之一。三维模型不但可以在文物展示和文化教育中发挥重大作用, 更为重要的是, 它记录了文物精确的几何信息等三维数据, 有助于文物受损后的修复工作。
二、三维激光扫描仪的特点和原理
1. 三维激光扫描仪的特点。
三维激光扫描仪融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术和传感器技术等多个信息技术的知识。按其工作模式可以分为脉冲式和相位式这2种。三维激光扫描仪具有主动发射扫描、采样率高、分辨率高、精度高、全数字特征、非接触性、实时、动态性及自动化等特点。
2. 三维激光扫描原理。
三维激光扫描利用激光进行测距, 通过记录被测物体表面大量而密集的三维坐标信息 (x, y, z) 和反射率信息, 获取被测物体的三维点云数据, 通过具有一定分辨率的空间点云图来表达物体表面的采样结果。
三、点云数据获取与预处理
1. 点云数据获取。
点云数据获取主要是由激光扫描仪来完成的, 其工作过程实际上就是一个不断重复的数据采集和处理的过程, 它通过具有一定分辨率的许多空间点坐标 (x, y, z) 所组成的三维点云数据来表达物体表面的采样结果。为了获取较完整且质量较高的三维点云数据, 需要考虑扫描视点的规划、激光扫描仪和扫描分辨率的选择、扫描数据的格式等问题。
2. 点云数据预处理。
主要包括数据库创建、工程创建、建立测站、测站拼接、点云数据的大地坐标转换、点云归一化、噪声去除等工作。测站拼接是将多个测站通过同名点拼接到一个具有统一坐标系的测站中, 同名点的一致性是多测站拼接的约束条件。点云归一化是将一个模型空间中的多测站点云合成为一个单一有效的点云。由于扫描仪扫描得到的初始数据中不可避免地存在着很多噪声, 这些点的信息不仅对模型的恢复是无效的而且很可能对三维模型恢复带来干扰。
四、三维激光扫描技术在文物保护中的应用
1. 三维模型重建流程。
三维激光模型重建是转换三维激光点云数据成为CAD图形物体, 是一个利用激光点云数据进行精确计算和拟合的过程。它不同于基于图片的三维模型重建方法, 这种方式的几何信息准确性更高, 真实感更强, 也更有利于在计算机中真实再现它的几何特性。点云数据处理软件的一个强大的功能就是能够利用点云数据去拟合几何物体的形状, 精确地表现扫描物体。
2. 三维建模软件所具备的条件。
三维建模软件一般应具备以下几个条件:常用三维模型组件, 如柱体、球体、管状体、工字钢等立体几何图形。与模型组件相对应的点云匹配算法。几何体表面TIN多边形算法。前两个主要用来满足规则几何体的建模需求, 而最后一个条件则用来满足不规则几何体的建模需求。
3. 数据的三维模型重建流程。
基于地面激光扫描获取的点云数据在预处理后, 就可以进行三维模型的重建, 目标物体表面网格生成及化简, 离散的三维点云不能真实准确地反映三维模型, 还需将三维点云数据转化为三角网格模型, 以达到较好的可视化效果。为得到真实感更强的三维模型, 还要对获得的网格模型添加纹理, 将场景的彩色照片映射到场景的三维网格模型上。基于地面激光扫描数据的三维建筑模型重建流程如图1所示。
4. 基于地面激光扫描数据的三维模型表示方法。
三维模型的表示是三维重建的基础, 选择良好的表示方法有利于提高三维模型重建的效率, 减少计算复杂度, 按照重建物体特征的不同, 三维模型的表示主要有基于点、线、面、体积、物体单元等五种表示方法。
5. 数据提交的主要成果。
地面三维激光扫描技术应用于文物保护领域, 提交的成果形式主要有点云数据、文物三维模型成果、成果精度报告、各种二维三维线划图件等内容。
6. 线划图件。
线划图文物测绘尤其是建筑文物测绘的成果之一, 主要包括平面图、立面图和剖面图等内容。这些图件可以表示建筑物内部的结构或构造形式和分层情况, 能够说明建筑物的长、宽、高的尺寸, 门窗洞口的位置和形式。
三维激光扫描技术 篇11
1 基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统功能和技术指标
1.1 功能
（1）对岸桥下各条车道上作业的空载和重载集卡进行精确对位，以便集卡预先准确地停在岸桥起吊位置。
（2）自动识别各种箱型，包括单45英尺集装箱、单40英尺集装箱、单20英尺集装箱、双20英尺集装箱、罐式集装箱、液货集装箱和平板集装箱等。
（3）进行多车道测量，自动识别集卡车型及其行驶方向。
（4）采用发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示屏显示集卡定位信息，及时提示集卡司机调整停车位置，实现集卡向前、向后快速对位，并使作业区域亮度满足全天候作业的要求。
（5）在集卡未停到位的情况下，对吊具下降采用限制策略，以保证人车安全。
（6）为防止集卡拖拽吊具，在集卡完成对位后，LED显示屏提示集卡司机停止移动车辆；当岸桥完成装箱或卸箱操作且吊具起升到一定高度后，LED显示屏提示集卡司机驶离操作区域。
1.2 主要技术指标
激光检测距离为30 m；激光测量误差为；集卡对位误差小于100 mm；工作温度为 30～50€癈；存储温度为 30～70€癈；湿度为100%；防护等级为室外IP65。
2 基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统构架及工作原理
2.1 构架
基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统的主要设备包含旋转云台、激光扫描测距仪、系统控制器、LED显示屏等（见图1），其中，系统控制器上部署集卡对位控制软件。这些设备与岸桥上原有的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）系统、司机室控制台和功能启停选择开关共同实现系统功能。
岸桥司机通过操作台按钮实现对车道的选择和系统的设置，设置信息主要包括岸桥下集装箱起吊作业车道、作业类型等。系统控制器通过与PLC以PROFIBUS-DP总线接口的方式获取当前作业的吊具操作模式、作业类型等。为方便岸桥边作业人员调整集卡作业车道，在岸桥下设置与系统控制器相连的车道调整开关，以便对云台进行调整。激光扫描测距仪将数据发送至系统控制器，系统控制器据此识别集卡的行驶方向、位置及其偏离岸桥基准起吊点的距离；同时，系统控制器从PLC获取吊具操作模式、开闭锁信号和起升高度等信息，并将集卡偏离岸桥起吊点的方向和距离、作业车道、操作模式、行驶方向等信息实时显示在LED显示屏上，提示司机调整集卡停车位置，对准岸桥起吊点。如果集卡向后偏离岸桥吊具起吊点的距离大于安全距离，系统禁止吊具下放，以保护人车安全；当系统收到开闭锁信号且吊具起升至一定高度时，LED显示屏提示集卡司机驶离，以防止集卡拖拽吊具。
2.2 工作原理
2.2.1 激光扫描测距原理
在集卡车道上方的岸桥横梁中部安装可编程控制转动角度的云台，该云台在岸桥横梁下垂直于集卡车道的平面内旋转；在云台上安装1台激光扫描测距仪，激光沿平行于集卡车道中心线的方向对集装箱及集卡平板车顶面立体扫描测距；激光扫描测距仪跟随云台转动，实现对岸桥下6条集卡车道的扫描测距（见图2）。激光扫描测距仪测得从扫描测距点到码头地面的垂直高度及从测距点到岸桥起吊点中心的距离，同时设定车道测距范围，将初始设定的数据储存在系统控制器内的ARM9微处理器中。当激光扫描测距仪对集卡车道进行测距时，微处理器控制云台旋转角度，云台带动激光扫描测距仪旋转扫描车道上的物体，并通过微处理器的计算，得到被测物体的高度及其与测距点的距离。通过微处理器的计算和分析，系统识别出所测集卡和集装箱的形状，判断集卡的位置及其偏离岸桥基准起吊点的距离，同时将集卡偏离岸桥起吊点的数据显示在LED显示屏上，以便集卡司机调整集卡停车位置。
2.2.2 LED显示屏对位显示原理
LED显示屏通过安装支架固定在岸桥海侧和陆侧基础梁前后，距地面高度约3 m，屏幕中心高度与集卡司机视线高度一致。LED显示屏采用红色、黄色、绿色3种颜色显示，分为5个显示区域（见图3）：操作模式用红色和绿色显示，绿色为单20英尺集装箱作业模式，红色为双20英尺集装箱、40英尺集装箱和45英尺集装箱作业模式；集卡行驶方向用红色显示；集卡对位方向“向前”和“向后”用绿色箭头显示，对位后用红色表示停止，驶离时用绿色显示；当前扫描作业车道号用黄色显示；集卡对位偏离距离用红色显示，单位为厘米。
2.2.2.1 集卡对位方向
集卡对位方向采用红色和绿色显示：当系统控制器识别出操作区域内有集卡进入时，对应的对位方向显示为绿色箭头；当集卡调整到位后，显示为红色横杠，此时禁止集卡移动；当岸桥完成装箱或卸箱操作后，显示为绿色横杠，提示集卡可以驶离操作区域。
2.2.2.2 集卡对位偏离距离
集卡对位偏离距离显示为红色，显示范围为“000”至“299”，单位为厘米，该区域表示集卡当前位置与正确的停车位置之间的距离。当集卡停车到位时显示“000”；当岸桥完成卸箱或装箱操作时，显示为“---”，此时允许集卡驶离操作区域；当操作区域内没有集卡进入时，也显示为“---”。
nlc202309081910
2.2.3 激光扫描测距定位过程
激光立体扫描可以对岸桥下6条车道进行集装箱测距定位。首先，选择扫描的车道，步进电机转动使得激光扫描测距仪锁定在当前车道；然后，判断集卡的行驶方向及车头位置。当扫描测距系统测得单40英尺集装箱或单20英尺集装箱时，微处理器控制系统根据集装箱中心位置判断定位；当扫描测距系统测得40英尺集装箱或前后装载2个20英尺集装箱时，为区分这2种集卡装载状态，系统根据集卡行驶状态及测得的数据进行分析，判断集卡装载状况，确定集卡停车位置。当集卡装载前后2个20英尺集装箱分别起吊时，按照集装箱装卸工艺，集卡先进入前载20英尺集装箱测距范围，前载20英尺集装箱定位起吊后，系统判断后载20英尺集装箱中心位置并自动定位。当双箱吊具同时起吊集卡装载的前后2个20英尺集装箱时，测距定位过程与40英尺集装箱大致相同。岸桥下空载集卡测距定位判断方法与重载集卡相同。空载集卡平板车有大梁和横梁，激光测到的数据不在同一平面上，可以通过图形扫描和程序算法判断平板车上的基准点进行测距定位。
3 基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统安全防护功能
3.1 防止吊具误砸集卡和司机
在岸桥作业过程中，岸桥司机需要经常切换吊具操作模式。当吊具操作模式从单20英尺集装箱作业切换到40英尺集装箱作业时，若集卡司机未注意到吊具模式已切换，仍将集卡停在前载20英尺集装箱作业位置，同时岸桥司机由于视线被遮挡而未注意到下方集卡未停到位，继续下放吊具，则会造成安全事故。此外，若集卡司机未停车到位或停车到位后未拉起手刹，则集卡可能在风力影响下移动，从而造成安全事故。
为防止在集卡未停到位的情况下吊具下放误砸集卡和司机，系统通过激光扫描测距仪实时检测集卡偏离距离，并从PLC获取开闭锁信号及吊具起升高度，以便当集卡偏离距离大于安全距离时，对吊具下降采用限制策略，从而保证人车安全。系统对每次防护进行记录，以便事后查找和分析问题。
3.2 防止集卡拖拽吊具
在岸桥作业过程中，吊具空载或重载起升至一定高度后，才允许集卡从岸桥下驶离。集卡司机一般通过目测判断吊具是否已升至安全高度，其弊端为：集卡司机经常仅凭经验驾驶集卡，加之通过集卡后视镜观察存在一定误差，容易使司机误判，导致集卡司机在吊具未完全脱离集装箱或集装箱未完全脱离集卡的情况下开动集卡，引起岸桥吊具锁头被拉坏、起升钢丝绳损坏等事故。
为防止集卡拖拽吊具，在集卡完成对位后，系统通过LED显示屏提示集卡停止移动；同时，系统实时从PLC获取开闭锁和吊具起升高度信息，当岸桥完成装箱操作（即系统检测到开锁信号）且吊具起升高度达到5.5 m时，LED显示屏提示集卡司机驶离操作区域。卸箱操作安全防护与装箱操作类似，当吊具由空载变为重载且吊具起升高度达到时，LED显示屏提示集卡司机驶离操作区域。
4 基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统应用效果
4.1 消除不安全因素
基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统实现集卡的准确对位，使岸桥司机通过LED显示屏掌握集卡停车位置，从而能够一次性起吊集装箱，减少吊具与集装箱及集装箱与集卡之间的撞击，确保作业安全。
4.2 减轻集卡和岸桥司机劳动强度
在传统岸桥作业模式下，集卡司机需要目测吊具起吊点，反复调整和移动集卡；在集卡自动定位系统作业模式下，集卡司机只须查看对位数据便能实现集卡与岸桥的一次性准确对位，大大减轻劳动强度。
4.3 提高集装箱装卸效率
根据统计分析，在同岸桥、同司机的情况下，从吊具下降至车道上方岸桥横梁抓取40英尺集装箱，到吊具起吊集装箱过岸桥横梁，采用集卡自动定位系统的岸桥完成该过程的平均时间是，而未采用集卡自动定位系统的岸桥完成该过程的平均时间是，前者比后者节约时间。按岸桥装卸效率/h计算，基于激光扫描测距技术的集卡自动定位系统使集装箱装卸效率提高9.84%。
4.4 提升经济效益
（1）提高效率，增加收入。集卡自动定位系统的应用使码头集装箱装卸效率提升9.84%，按码头年作业箱量800万TEU计算，可增加作业箱量 78.72万TEU；按收入（扣除成本） 200元/TEU计算，每年可增收万元。
（2）节约能耗，减少成本支出。在传统岸桥作业模式下，吊具与集装箱平均对位 2 次。集卡自动定位系统的应用减少岸桥吊具重复对位次数，按吊具单次起升或下降耗电及电费0.8元/kW计算，可节省电费0.28元/TEU；按码头年作业箱量800万TEU计算，可节约电费224万元/年。
5 结束语
基于激光扫描测距技术的岸桥下集卡自动定位系统的应用不仅有利于提高集装箱码头人机交互作业安全性，而且能降低岸桥和集卡司机的劳动强度，提高码头装卸效率，增加码头收入，减少能源消耗，降低生产成本，为集装箱码头带来一定经济效益和社会效益。目前，该集卡自动定位系统已成功应用于青岛前湾三期集装箱码头的5台岸桥上，并取得良好的应用效果。
（编辑：曹莉琼 收稿日期：2016-06-21）
三维激光扫描技术 篇12
关键词：三维激光扫描技术,大坝,监测
1 引言
通常情况下, 大坝监测需要贯穿整个大坝建设及运行全过程, 大坝监测质量与整个水利枢纽系统以及周边安全具有很大关联。因此, 为了对大坝进行准确监测, 明确大坝变形实际情况, 必须采用科学合理的技术方法, 对大坝进行科学管理。
2 三维激光扫描仪技术原理
三维激光扫描仪是一种非接触式主动测量系统, 它是由一台高速精确的激光测距仪和一组可以引导激光以均匀角速度扫描的反射棱镜组成的, 激光测距仪既可以主动发射激光, 同时又可以接收由自然物体表面反射的光线, 从而进行测距, 在每一个扫描点都可以测得测站到扫描点的斜距S, 再参照扫描的水平方向角α和垂直方向角θ, 就可以得到每一扫描点与测站之间的空间相对坐标, 其原理见图1, 所获取的空间相对坐标见公式 (1) 。
3 三维激光扫描技术应用优势
3.1 监测数据量覆盖
传统的大坝外部监测主要是通过应用测绘仪器, 并且采用大地测量方法, 结合工程设计以及监测人员所提供的关于大坝结构、地质条件、水文条件、运行情况等信息, 合理确定对于大坝监测的观测点, 然后定期或者不定期的开展数据观测工作, 另外, 也可以定期对大坝进行高精度大比例尺地形图测量, 以此获得整个大坝以及相关关联实体的实际变化情况。在具体的监测工作中, 如何选取监测点和地形图测量比例尺是影响外部监测结果准确性的关键, 对于大坝外部变形实际情况, 可以以选取的监测点及各点的变化关系以点代面的方式进行分析。
而将三维激光扫描测量技术应用于大坝监测活动中, 主要采用的是快速扫描被测对象的高精度三维点云数据, 可有效实现对测量对象近似复制的目标。在实际应用过程中, 可以对坝体以及关联实体包括关键变形点在内的高密度全覆盖, 彻底改变传统测量法以关键点变形数据代替整个大坝变形的局限, 观测结果更加准确可靠, 而且数据成果十分广泛。
3.2 监测信息分析的模式
传统外部监测方法在数据分析方面采用的是将单点历次数据变化分析法与整体断切面关联变形点历次数据变化分析法相结合的监测方式。而三维激光扫描测量技术在监测活动中获得的是高密度三维点云数据, 通过监测数据信息, 可以快速高效的建立DEM数据模型, 成功再现大坝实体的真三维地理空间。另外, 三维激光扫描测量技术还可以对传统的单点和任意切线断面变形情况进行分析, 同时还可以利用GIS空间地理分析技术, 对历次DEM数据进行大坝变形整体趋势分析, 由于监测数据真实客观, 因此, 能够准确反映大坝实际变形情况。
3.3 监测自动化程度高
通常情况下, 对于大坝外部监测有两种作业方式, 即人工作业和自动作业。在实际监测过程中, 如果外业人工干预较多, 就会导致数据模型真实性降低。将三维激光扫描测量技术应用于大坝监测中, 能够有效建立起室外观测自动模块以及室内数据处理自动模块, 可以将自动化监测系统与人工干预相结合, 因此, 在应用过程中能够有效提升整个大坝的管理水平, 对大坝实现全面自动化监测。
3.4 监测速度快、安全性高
传统的大坝监测技术数据采集速度比较慢, 而且准确性较差, 而采用三维激光扫描技术, 能够快速准确的实现数据采集, 在对大坝外形进行扫描的过程中, 不会受到天气环境的影响, 即使大坝坝体覆盖, 三维激光扫描技术也可以穿透植被进行扫描监测;另外, 运用三维激光扫描技术还可以实现全天候自动化采集数据, 因此不会受到人为干预因素的影响, 监测数据的准确性较高。
由此可见, 在大坝监测中, 三维激光扫描测量技术与传统测量技术相比应用优势十分明显。在实际应用中, 其能够有效解决监测难度大、监测不全面、监测数据可靠性低等难题, 全面提升大坝监测数据采集和分析能力。
4 三维激光扫描技术在大坝监测中的应用
大坝监测活动指的是定期或者不定期的通过仪器对水利水电工程主体结构、边坡、地基基础、周围环境等进行观测和巡视检查, 一般可以分为内部监测和外部监测两种。其中, 内部监测需要在大坝设计阶段设计监测点, 然后在大坝施工过程中埋设监测仪器, 在大坝运营过程中就可以通过监测设备的传感器向大坝监测控制部门传递出监测部位的实时变化数据;而外部监测指的是通过专用仪器和测绘仪器, 运用大地测量方法对大坝变形实际情况进行监测, 主要包括水平位移、裂缝、垂直位移、挠度、滑坡及崩岸等等。内部监测的灵活性比较差, 对于一些新问题和无法预见的问题很难采取有效的补救措施。外部监测目前一般包括人工和自动两种方式作业, 而监测点和地形图测量比例尺的选取又是影响外部监测是否掌握大坝真实形变的关键。
现拟以某水利工程为例, 探究三维扫描仪在大坝监测中的应用。该段坝体长度为170m, 高度为25.7m, 拟采用Trimble3DLaser扫描仪, 分4站完成对大坝主体的总体扫描与点云建模。其具体监测流程如下:
(1) 监测控制点设置。为满足周期性点云扫描和数据拼接的要求, 从远离坝体变形区布设6个稳固的测量基准点, 并保持基准点间的相互通视, 利用Topcon MS05A高精度全站仪测定其监测控制网点位坐标, 维持统一的测绘基准。
(2) 坝体点云数据扫描。在清除坝体表面杂物后, 利用Trimble三维激光扫描仪按照自由设站的方式, 根据控制点坐标数据, 按照空间交会原理求解扫描仪中心坐标, 然后对坝体结构, 进行三维激光点云扫描, 采样间隔5cm×5cm, 并对坝体所布设的标靶进行精扫 (1mm精度) , 以提高后期点云拼接处理的精度;每测站完成后实行换站扫描, 并保持相应重叠度。
(3) 点云数据处理。根据监测系统控制点和标靶约束条件, 将多站点云扫描数据自动拼接, 并生成拼接残差数据, 按照精度要求, 手工剔除杂物等噪声信息后, 采用Gauss Filter线性平滑滤波器进行降噪处理。
(4) 重采样建模与剖面数据分析。为降低数据量来提升建模效率, 对Gauss处理后的坝体点云数据进行重采样建模, 坝体变形监测数据分析时, 可采集DEM模型或特征剖面线数据, 分析同一点位或剖面线在不同扫描时刻所对应的坐标值, 求解其形变信息。为对比三维激光扫描仪监测的精度, 本工程选取其中3个标靶, 以3DLaser精测扫描的数据与高精度全站仪测量值, 进行坐标较差对比分析, 扫描精度良好, 完全满足形变监测的指标要求, 其数据较差统计情况如表1。
5 结语
传统大坝变形监测中, 多利用引张线法、小角法或高精度全站仪配合反射棱镜法, 通过测定固定点方位偏差或坐标数据, 仅仅能够反映坝体关键点位的变化数据, 难以建立大坝宏观结构的总体形变信息。三维扫描技术的应用基础是激光测距原理, 将其应用于大坝监测中, 能够快速构建待测目标三维模型, 而且具有快速、高效、免接触等应用优势, 因此值得推广应用。
参考文献
[1]龚英.探究三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].城市建筑, 2015 (09) :233.
[2]朱磊, 王健, 毕京学.三维激光扫描技术在变形监测中的应用[J].北京测绘, 2014 (05) :78~82.