地面三维激光扫描（精选10篇）
地面三维激光扫描 篇1
1 概述
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
[1]杨伟, 刘春, 刘大杰.激光扫描数据三维坐标转换的精度分析[J].工程勘察, 2004 (3) :61-63.
[2]黄伟明.光电测距仪实用检测新方法[M].北京:测绘出版社, 1993.
[3]Lichti.D.D, M.P.Stewart, Tsakiri.M and A.J.Snow.Benchmark Tests on a Three-dimensional Laser Scanning System.http://spatial.curtin.edu.au
[4]Trimble S8 Total Station User Guide.2008.Vesion 1.0.http://www.trimble.com/
[5]Leica Scan Station P20 User Manual.2012.Version1.1.http://www.leica-geosystems.com/en/
[6]刘春, 张蕴灵, 吴杭彬.地面三维激光扫描仪的检校与精度评估[J].工程勘察, 2009 (11) :56-66.
地面三维激光扫描 篇2
一、概述
中远距离的三维激光扫描仪，一般的测量精度是5mm左右，当进行大场景扫描时，往往因为误差的累积，会造成较大的误差。因此，如何通过联合其他外业测量手段，提高三维激光扫描整体精度，在实际工作中就非常重要。尤其对于较大场景，同时又有较高精度要求的情况下，例如工厂，大型钢结构扫描。
本文就结合实际工作中的一些经验积累，阐述一下通过传统的常规测量手段提高扫描精度的方法。
二、方法适用性
1、适合大场景扫描，扫描作业最大直线距离大于200米；
2、对扫描后数据整体精度要求较高的扫描作业；
3、如果整体扫描区域可以被划分为各个单元，则更有利于本方法的实施。
三、实施方法
大场景控制测量与三维扫描结合的实现通过三步来完成：
◆控制测量
控制测量往往分为两步：第一步，为控制点测量和准备；第二步，获取扫描站点标靶空间坐标。
第一步是为第二步做准备的，是为了建立一个统一的坐标系，并方便第二步的标靶坐标测量。
第二步，主要是通过免棱镜全站仪，直接获取扫描站点标靶中心位置的空间坐标。
◆三维扫描
逐站完成数据的扫描，并在扫描过程中完成标靶的扫描。
◆数据拼接处理
将控制测量过程中得到的统一坐标系下的标靶的空间坐标导入Cyclone软件中，形成一个大的ScanWorld，然后将所有三维扫描得到的各站数据拼接到该ScanWorld中。本文将在下面进一步详细描述该实现的操作过程。
四、数据拼接处理的具体实现
◆创建控制测量标靶坐标文本文件
我们需要先使用文本文件编辑工具，创建一个文本文件，并将标靶坐标按照指定的格式输入。可以使用Windows的记事本程序。
文本文件格式如下： 注释行1 注释行2 标靶名称1,X坐标,Y坐标,Z坐标 标靶名称2,X坐标,Y坐标,Z坐标
...注意：标靶名称与坐标值间用英文逗号分隔
下面以一个实例来说明：
标靶名称,X坐标,Y坐标,Z坐标 单位
米
S1,0,0,0 S2,200.125,123.783,4.326 S3,175.284,100.568,1.237 S4,20.326,306.783,4.033 S5,52.474,209.727,0.965 S6,723.465,20.729,3.383 S7,701.297,50.426,1.644 S8,621.301,100.44,0.06 S9,519.185,145.857,3.061 S10,421.185,300.858,2.48
前面的两个注释行，主要是为了进行更好的备注，供将来查看，对数据导入没有实际影响，一般来说，第一行会列出列的定义，第二行会写明当前坐标采用的单位。
按顺序输入每个标靶的名称及坐标即可。将该文本文件保存好，供下一个环节使用。
◆导入标靶坐标文件到Cyclone做为一个ScanWorld
在Cyclone对应数据库的对应项目(Project)下，导入该文本文件，操作如下：
1、在Cyclone项目管理器中，用鼠标左键先点中要导入的项目，然后在该项目上点击鼠标右键，如下图所示：
在弹出的菜单中选择“Import”命令。可以看到“Import from File”对话框，从该对话框中找到在上一个步骤中准备好的标靶坐标文本文件，用鼠标选中，然后点击“打开”按钮。
2、设置正确的导入参数，完成导入。
在自动弹出的如下所示“Import: ASCII File Format”对话框中，我们要设置好一些参数，保证导入数据能被正确使用。
1）列数（# of column），按我们前面的文本格式，则列数应为4列；
2）忽略的行数(# Rows to skip)，因为我们在文本文件中有两个注释行，因此这里设置为2； 3）选中分隔符（Delimited）项及逗号（Comma），我们前面制作的数据文件中，是采用逗号分隔的； 4）选择测量单位（Unit of Measure）为米（Meters），单位的选择要与文本文件中的坐标数据单位一致； 5）修改列定义，在对话框下方的数据区中，第一行为数据列定义，用鼠标点击，可以从列表中进行列名称的修改，将第一列修改为TargetID，第二列为X，第三列为Y，第四列为Z，操作方法如下：
在第一行上点击鼠标左键，第一行中的内容会变为下拉列表：
继续在某个下拉列表上点击鼠标左键，则下拉列表会展开，然后可以在列表中选择需要的项，即可完成列定义的修改。
在以上对话框各项修改设置完成后，点击“Import”按钮。
3、返回Cyclone项目管理器，我们可以看到，当前项目下新出现了一个ScanWorld：
4、在项目管理器，新增加的ScanWorld下，双击该ScanWorld下的ControlSpace,我们可以看到生成好的完整标靶坐标系：
◆在Cyclone中进行数据拼接
在上一步中，我们创建好了一个常规测量方式得到的整体标靶空间坐标系。下面，我们就可以用以往的标靶拼接方法，将其他用三维激光扫描仪扫描的站点数据拼接进来。
详细操作过程就不再描述了，这里要强调的是：
打开三维激光扫描的蓝海市场 篇3
三维激光扫描技术是一种新型的测量技术，它是基于激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器技术等多种技术集成的精密产品。这种技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字模型。经过了十多年的培育，目前三维激光扫描的市场正在迅速展开，特别是智慧城市、虚拟现实等概念的出现，让该技术广泛应用于文物保护、土木工程、工业测量、隧道验收、数字城市建设等领域中。随着国内产品进入发展成熟期，三维激光扫描技术的推广正在引起测量领域的又一次革命。
不一样的三维扫描考古
2015年到2016年间，中国考古界的一件大事是位于江西省南昌市新建区大塘坪乡的西汉海昏侯墓的发掘。这座西汉大墓考古发掘是目前我国发现的面积最大、保存最好、内涵最丰富的汉代侯国聚落遗址，也是几十年来秦汉考古中文物数量最多的一个，超过马王堆汉墓。西汉海昏侯墓的整个考古工作在科技手段上也是超一流的，并达到了前所未有的高度。有超过40余名顶尖考古专家参加了对南昌西汉大墓发掘工作，并认为西汉海昏侯墓的发掘“并不只是一个项目，而是一个工程，将作为里程碑式的工程”。
在这场规模浩大的文物发掘、保护和清理的过程中，有一项前沿技术应用频繁，那就是三维激光扫描技术。考古人员在整个发掘中，采用三维技术扫描测绘和记录，不但对墓地进行整体激光三维扫描，在主墓室尤其是回廊部分还采用逐层清理、逐层扫描方式，全程跟踪发掘、记录。另外在文物出土后，每件文物都进行了高精度三维激光扫描，以确保最真实地留存文物信息，并能快速制图、快速分析。
可以说，今天的考古过程已经通过多种技术手段实现了发掘现场全程数字化、影像化、科学化。特别是三维激光扫描技术，具有重要的作用。海昏侯墓考古领队杨军表示，“通过三维扫描，一两个小时就能完成一件文物在提取之前的工作。最关键的是，取得了三维数据和成像后，相当于建立了一个文物档案，有助于文物的修复工作和今后展览展示的场景复原。”
此外，三维激光扫描技术还用于大范围地考古调查。
比如在2016年1月，辽宁省文物考古研究所就运用机载激光扫描测绘技术对锦州市北镇医巫闾山遗址区进行考古调查，确认了医巫闾山150平方公里的重大辽代遗址，发现了100多处人工遗迹疑似点。此次机载激光考古，是在三维GIS、虚拟现实和计算机技术的支持下，搭建三维可视化成果管理系统。该系统可以按照时间叠加各种考古资料，进行遗址、墓葬等信息定位查询、量算和分析，为遗址规划考古发掘、遗址展示以及管理提供全可视化的三维考古平台支持，并提供一个大遗址文物分布和保护情况展示平台。
在谈及三维扫描系统的应用时，重庆市文化遗产研究院的专家表示，他们运用三维扫描、数字建模等技术，获取大量珍贵数据资源，对文物遗迹的测绘、存储、研究起到重要促进作用。比如可以对器物进行扫描，如对忠县花灯坟墓群出土乌杨阙陶俑的扫描；还可以对遗迹进行扫描，如对合川钓鱼城、千佛岩摩崖造像、慈云寺遗址等10余处遗址的扫描。这种扫描方便了文物的数字复原、三维模型建构、三维动画、数字资料交汇等工作，另外对遗址数据库建立、数字研究、规划保护、虚拟修复、虚拟展示等工作的开展有重要意义。
也有研究所表示，他们正在，应用三维扫描、数字模型技术，对旧石器、汉代崖墓开凿等人类行为痕迹进行微痕考古研究，实现在立体、动态、三维状态对人类行为痕迹的观察研究。
如今，应用三维扫描系统进行考古研究的研究机构越来越多。笔者统计发现，中国需要三维扫描系统的研究机构约有6000家左右，其中中国到目前有4000家博物馆，每家博物馆都需要三维扫描系统对文物进行系统三维数据提取和成像；另外，每个省都有考古研究所，很多省会城市也建设有市级考古所，如郑州、广州、武汉等，中国共有考古所数量约300多家；另外各高校也是不可忽视的力量，如北大、山大、吉大、中大、武大和西北大学等近50多家高校也建设有自己的考古研究所和考古队，这些研究机构需要的三维扫描仪也多达上千台。
三维激光扫描助力智慧城市建设
随着我国社会的不断发展，城市将承载越来越多的人口，我国正处于城镇化加速发展的时期，部分地区“城市病”问题日益严峻。为解决城市发展难题，实现城市可持续发展，建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。
2016年4月，发改委规划司司长徐林表示，“十三五”时期内，将有针对性地组织100个城市大力推进新型智慧城市建设，开展智慧城市建设效果评价工作，分行业、分领域选取一批有代表性的智慧城市优秀案例，以点带面，促进城镇化发展质量和水平全面提升。2016年是“十三五”的开局之年，是“十三五”规划的政策落地年，智慧城市与发展正在驶入“快车道”。
智慧城市包括智能交通、智能医疗、智能家居等多个方面。而要实现智慧城市，首先是要形成城市的立体形态信息，即建立三维数字城市信息数据库，将真实城市的关键物理信息（道路、房屋、桥梁等的位置、空间结构等信息）提取出来，通过数字化、模拟仿真等方式形成城市的三维地图，并通过将管理信息（如房屋使用、人口、电力水力分布等信息）与城市三维立体图像结合，实现对真实城市的智能管理。
三维激光扫描将以强大的技术来支撑智慧城市建设，目前已经有三十多个城市利用三维激光扫描来建设数字城市三维模型，以全面实现城市三维空间信息的展示、管理、应用和共享。
比如昆明市委、市政府投资金额约2000万元建立的昆明数字沙盘，就是通过采用三维激光扫描、遥感、地理信息系统、三维仿真等高新技术，在传统的借助地形图、影像图、DEM、现场拍照采集纹理制作模型的基础上，将激光点云数据应用于三维模型的高度校正，实现了人工与科技的结合，既保证了三维模型数据的精美度，同时也保证了模型数据的准确性。
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这份三维模型建成了昆明市域内约600平方公里的城市现状模型和115平方公里的规划方案模型，成为国内最大面积的数字城市三维模型项目。城市现状模型范围涵括盘龙区、官渡区、五华区、西山区、呈贡区、空港区六个行政区的主要建成区域；三维模型种类包括建筑、地面、道路、水系、植被及相关市政设施六类要素模型的人工建模；根据使用情况及应用情况将三维模型分为精细模型、标准模型、简单模型三种等级精度。通过数字沙盘“空间屏”与“信息屏”的双屏联动和同步展示，建立起一个可交互操作的实时虚拟现实环境，既能全面实现动态演示、实时更新、快速查询等功能，又能最大限度地生动展现昆明城市建设和城市发展远景。
据统计，全国已有30个省、自治区、直辖市的150多个城市开展了数字城市建设，其中80多个城市已经建成三维模型，带动各地基础测绘投入约25亿元。未来，中国每年还将有30至50个城市纳入数字城市和智慧城市建设计划，三维激光扫描设备和技术都面临广阔的发展空间。
三维激光扫描技术广泛的应用领域
三维激光扫描技术突破了传统的单点测量方法，能够高效率地提供被扫描物体表面的三维点云数据，获取高精度、高分辨率的全息数字模型。随着信息技术研究的不断深入，以及智慧城市、虚拟现实等概念的出现，传统的测量方式已经无法满足当今的测绘需求。而拥有高速、高精度的三维激光扫描技术正在越来越多地应用到测量工作中。并在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域有了越来越广泛的运用。
如果三维激光扫描技术与无人机技术结合，可以建立数字化的三维实景模型。通过高空拍摄，三维激光扫描仪可在极短的时间内获取各种复杂环境及结构的详细三维坐标信息，大量的测量点形成数据点云，通过软件对获取的点云进行处理，并创建网格数据，可以计算体积，创建剖面和横截面，进行三维重构，目前这种技术已经部分应用于地形勘测，特殊环境下三维测量，建筑测绘，矿山林场体积和面积测量， 隧道、涵洞及桥坝监测等等。
再比如石油化工、氯碱化工工厂中的管线十分复杂，人工提取的难度较大，且工作量较大。 另外这些工厂的管线包含很多无法进行自动提取的异形结构，传统的三维设计软件很难在如此庞大的数据中快速的进行模型提取。应用三维激光扫描技术，则可以实现对点云数据中管道模型的快速提取。尤其在管线密布的区域，手工提取十分复杂的情况下，三维激光扫描的优势尽显无疑。
三维激光扫描基于强大的识别算法，可自动识别 90%以上的管道数据并直接提取出管道模型。整个过程完全自动化，排除了人为控制的因素。2016年，包括重庆市特检院组织管道检验研究中心等多家专业管道检验机构已经购入三维激光扫描仪，以便为建立用户压力管道信息库、实现工厂设备信息化管理系统提供第一手数据材料，提高定期检验效率。
最近，三维激光扫描技术在古建筑保护应用成为热点。
比如寺庙是我国的艺术瑰宝库，也是我国悠久历史文化的象征。有效的进行资料存档对于寺庙的维修、保护、文化传承、都具有重要的意义。三维激光技术用于寺庙的数字化存档，无论从精度、效率、成果等方面都远远优于传统方法。目前这项技术在秦俑二号坑和乐山大佛这类国家重点文物保护工程项目中，都已有了成功的应用。苏州科技学院引进了三维激光扫描仪对罗汉院双塔及正殿遗迹、开元寺无梁殿进行了精准测绘，其局部精度甚至可以达到1毫米；而且信息采集快速，省时省工，数据保存又完善详实。
故宫文化资产数字化应用研究所也在广泛应用三维扫描、数码摄影、三维建模等数字化手段，采集、加工、存储古建筑和其他文物的数据，致力于建立故宫古建筑和文物的三维数据库；利用虚拟现实技术及其他数字技术，立体再现文化遗产的原貌，更好地促进对于文化遗产的研究和展示。
还有上海河南路桥三维数字化保护也是非常成功的案例之一。河南路桥拥有100多年历史，上海规划中的轨交10号线要从河南路桥下河底穿过，所以该桥即将拆除重建。为了保留河南路桥的历史风貌，相关公司应用三维激光扫描技术对该桥进行数字化存档，准确记录了桥墩、桥面胸墙、桥上花饰、雕刻等细节，并为施工方提供了三维数字化模型、工程图纸等资料，确保重建后的“河南路桥”保留了昔日的风貌。
另外，三维扫描在矿山测量方面还可以对施工巷道、已废弃采空区和巷道进行测量，并完成对矿房采矿和充填验收。三维扫描仪在矿山的应用具有效率高、劳动强度低的优点，是矿山技术发展的一个方向。它的使用可以大量减轻技术人员的体力劳动，从而可以使他们有更多的时间进行成矿规律、工程管理、做好矿山中长期规划等工作。
国内产品即将进入发展成熟期
随着工业智能化的推进，市场对工业三维扫描仪的扫描精度、速度、稳定性以及抗干扰性等要求都会越来越高。目前国际上主要的设备生产商有Faro（法如）、Topcon（拓普康）、Optch（欧普泰克）、Leica（徕卡）、Riegl（瑞格）、Trimble（天宝）。
我国很多企业逐渐打破了国外产品在三维激光扫描领域的技术限制和封锁。
深圳市华朗科技有限公司立足国际工业三维测量技术前沿，致力于工业产品三维数字化制造，研发并生产拍照式三维扫描仪、手持式三维激光扫描仪、三维摄影测量系统与3D动作捕捉系统等。主要应用方向：逆向工程、三维检测、3D打印与产品三维数字化展示等领域。
杭州先临三维自主研发的Shining3D-Metric三维摄影测量系统，性能指标达到国内外同类产品水平，不受距离、机械行程、大小、体积、外形限制，广泛应用于汽车、航天航空、船舶工业、建筑、大型文物、发电设备及工程机械等领域。先临三维自主研发的Shining3D-Camera系列三维相机，基于多目视差法、光影梯度法等，可一次性生成180度的真实立体模型及其表面色彩信息，具有成像速度快、建模精度高的特点，特别适用于三维信息快速获取。
当然，目前国产的三维扫描仪与国外先进产品还有不小的差距。比如美国的FARO Technologies新推出具有高动态范围成像（HDR）功能的新型三维激光扫描仪，能够在明亮或黑暗的光照条件下生成无比清晰的图像，并具有更高的分辨率和更佳的色彩显示效果。一般激光扫描仪数字图像的对比度范围通常为255：1，而新推出的FARO激光扫描仪能够捕捉的亮度范围高达40亿：1。加上更高的彩色分辨率（每次扫描最高可达1亿7千万像素），新型Focus3D激光扫描仪能确保以最佳的清晰度捕捉最小的细节。
一位企业负责人说，也应该看到，当前我国在高分辨率和远程三维激光扫描技术领域基础依然薄弱，这有待继续努力。
随着的国内三维扫描仪产品即将进入发展成熟期，国产三维扫描仪的市场占有率也逐步提升，随着国产三维扫描仪应用的大规模使用，国内三维扫描仪产业已经步入实质阶段。同时，受益于智慧城市建设和三维打印机的产业发展，三维扫描仪产业也获得了高速成长的机会。但是为了避免恶意价格战以及惨烈的竞争，相关企业必须进一步深入分析市场和消费者，以寻找出潜在的或尚未满足的需求，从而推出有差异化的产品来满足不同细分的市场。
地面三维激光扫描仪应用综述 篇4
经过近几年各项技术的发展,出现了集成多种高新技术的新型测绘仪器—地面三维激光扫描仪,它采用非接触式高速激光测量方式,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量,直接获得激光点所接触的物体表面的三维坐标、色彩信息和反射强度—点云数据。点云数据经过计算机处理后,结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。因此,它的出现立刻引起各层人员的极大兴趣,在诸多方面的应用研究也随即展开,并取得一系列成果。本文就此作个简单总结。
1 地面三维激光扫描仪测量原理
地面三维激光扫描系统主要有三部分组成,扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统,如图1所示。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD和仪器内部控制和校正等系统。在仪器内,通过一个测量水平角的反射镜和一个测量天顶距的反射镜同步、快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测距模块测量每个激光脉冲的空间距离,同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平角和天顶距,最后按空间极坐标原理计算出扫描的激光点在被测物体上的三维坐标。整个内外部系统如图1所示。
扫描仪的内部有一个固定的空间直角坐标系统。当在一个扫描站上不能测量物体全部而需要在不同位置进行测量时;或者需要将扫描数据转换到特定的工程坐标系中时,都要涉及到坐标转换问题。为此,就需要测量一定数量的公共点,来计算坐标变换参数。为了保证转换精度,公共点一般采用特制的球面标志和平面标志,如图2所示。
点云数据以某种内部格式存储,因此用户需要厂家专门的软件来读取和处理,OPTEC的ILRIS-3D软件,Cyrax2500的Cyclone软件、LMS-Z420的3D-Ri SCAN软件和Zoller+Fröhlich的LFM软件、MENSI的Realworks等都是功能强大的点云数据处理软件,他们都具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。
2 激光扫描仪的主要技术指标
三维激光扫描仪是一项新的测绘技术,它可以快速高效地获取测量目标的三维影像数据,使得测绘技术人员突破传统测量数据处理方法,进入到新的数据挖掘和开发的研究中。作为一种新的测量手段,三维激光扫描仪有如下优点:
(1)速度快,密度高,精度高,特别适合大面积或者表面复杂的物体测量及其物体局部细节测量;
(2)不需要接触物体,昏暗和夜间都不影响外业测量;
(3)快速和准确地获取表面、体积、断面、截面、等值线等;
(4)方便将3D模型转换到CAD系统中,直接供工程设计。
地面三维激光扫描仪经过近几年的发展,已有多家制造商生产了多类型的仪器并投放到市场,而且仪器的各项技术指标都还在不断地更新。不同扫描仪在测程范围(1~1000m)、测距模式(脉冲法、相位比较法和光学三角法)、测距精度(0.4~20mm)、测量速度(100~62500点/秒)、测量采样密度、销售价格等都存在一定的区别。现在还没有一种扫描仪,既能进行短程测量,又能进行中远程测量。限于篇幅,表1仅列出了4种主要应用于工程测量中的中远程地面激光扫描仪的主要技术指标。
3 地面三维激光扫描仪精度评价
目前,地面激光扫描仪已经得到广泛应用。通过有关文献的试验结果,表明扫描测量数据经后处理和模型化后基本上都能达到厘米级,测量条件好时还可以达到更高。由于扫描仪总体上还是个黑箱系统,测量过程以及相应的数据处理与全站仪相比有着很大的区别。目前对其进行的精度评价的结果主要是在部分特征点上与全站仪测量结果进行对比而得。
显然,激光扫描仪测量点的坐标精度与角度测量和距离测量有关。角度的测量精度由仪器内部元器件的分辨率、产品质量和安装质量(如轴系不相互垂直)决定,它的工作模式—自动化连续运转也就决定了采用常规方法对扫描仪的测角精度进行评定是不可能的。但用常规方法对距离测量精度展开研究是可能的。对于无合作目标的反射,距离测量的精度除了与气象条件(温度,气压、湿度)和内部测距方式有关外,更多地则与反射面的物理特性(表面反射强度、颜色、表面平整度等)、激光入射角度和距离测程有关。
苏黎世高等工业学院对Zoller+Fröhlich公司的IMAGER 5003激光扫描仪就距离测量精度进行了一些试验研究。他们在室内50m范围内用IMAGER5003在不同的距离下,对不同的材质目标和不同的入射角进行距离测量,然后与标准已知距离进行对比。试验结果表明,扫描仪的距离测量精度与材料性质、入射角和测程都有很大的关系,不同条件下的距离测量差值在几毫米和数十毫米之间。距离越近、入射角越小、放射漫反射强,则精度越高。
由此可见,在获取扫描数据后,通过进一步处理(粗差剔除、点云剪切、点云拼接等),最后建立测量对象的3D模型。而这些过程都对原始数据进行滤波、平滑等处理,进一步提高了最终模型精度。因此,通常情况下达到厘米级精度应该是有保障的。但要在精密工程测量中达到毫米级的精度,还必须进一步做试验研究,且必须严格顾及现场测量条件(气象、测量对象的表面的物理性质、测量范围、测量视角等),仔细拟定观测方案。
4 地面三维激光扫描仪的工程应用
三维激光扫描仪特别适合于对大面积的、表面复杂的物体进行精细测量。鉴于该特点,目前在许多工程领域中已经得到了应用。
4.1 工程测量
(1)复杂工业设备的测量与建模:一些工厂管线林立,纵横交错,用传统的测量方法效率低下。而利用激光扫描仪测量和数据处理后就可以生成这些复杂工业设备的3D模型,为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型,极大提高了工作效率,测量资料还可以用于工厂管理。
(2)带状和局部地形测量:带状地形图测量主要对线路两旁(铁路、公路、河流两岸等)的局部不规则带状地形进行测量;局部地形测量主要对危险的或者人员难以到达的地带(如岩壁、开挖区、塌陷等)进行测量。这些地形测量工作较传统的测量方法有更高地效率。
(3)路面测量:用于路面竣工后的质量检测;计算路面平整度;也可以为道路设计提供实地模型。
(4)大型土木工程形状测量:包括对隧道、桥梁、地下坑道等在施工过程中和竣工后的形状测量,既可以进行施工指导和质量控制,又可以作为数字文档资料。
(5)变形监测:相对于传统的测量方法与技术(GPS、全站仪)而言,其精度均匀、密度高,可以发现变形体局部细节变化,也便于从整体上分析和评价变形体的稳定性。对滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷、大坝、船闸、桥梁等工程变形监测有很好的前景。
4.2 工业与医学测量
在这个领域应用特点是测程短(<4m),测距精度要求高(<1mm),例如Minolta VI 900配置的长、中、广三种不同焦距的镜头,测距精度高于0.1mm,测程0.6~2.5m。这类短程扫描仪主要应用于工业测量中流水线和工业机器人在线质量控制、工业设计以及医学中外科整形、人体测量、矫正手术等。
4.3 建筑测量与文物保护
一些著名建筑物、文物、雕塑等,其形状怪异、表面凸凹不平,不方便(也不允许)在其上粘贴测量标志,即要求无接触测量。以前是以摄影测量为主,但现在可充分利用激光扫描仪的高密度和高精度点云数据,来获取建筑物表面的精细结构,随时得到等值线、断面、剖面等。当建筑物和文物等遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据。
4.4 逆向工程
逆向工程是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。传统的复制方法是先做出一比一的模具,再进行生产。这种方法无法建立工件尺寸图档,也无法做任何的外形修改,已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。由于三维激光扫描仪能对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描,得到其三维轮廓数据,配合反求软件进行曲面重构,并对重构的曲面进行精度分析、评价构造效果。
4.5 应急服务
对失事飞机、汽车和火车事故等现场做详细而精确的细节测量,可为日后事故鉴定提供准确的空间信息,也可作为档案资料。这在以前是不可能实现的。
5 三维激光扫描仪的发展
作为新技术,三维激光扫描仪也存在很多问题,比如如何全面检验和评价三维激光扫描仪测量精度;软件对海量数据的处理速度较慢,对作业人员要求较高;设备费用太高等。
三维激光扫描仪今后的研究和发展应该主要体现在以下三个方面:
(1)进一步改进硬件,使激光扫描仪有更高的测量精度、更快采样速度以及低廉的价格,同时还具备全站仪的部分功能(如整平、定向、单次测量等),使其能在精密工程测量和工业测量中得到广泛应用;
(2)与其他传感器集成,如与摄影测量/CCD的集成,与动态测量车的集成等,相互利用其优势,扩展应用领域,提高工作效率;
(3)进一步完善和开发后处理软件,使处理的数据量更大、数据处理的速度更快,软件操作更容易。
参考文献
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地面三维激光扫描 篇5
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
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地面三维激光扫描 篇6
测绘与工程向来是密不可分的依存关系, 尤其是道路工程领域, 更多的应用测绘的思路和概念。为了查看且得知建筑与桥梁空间布局和其余参数之间的关联度, 将其用地质理论和建设联系紧密的现象进行相关抽象, 构建流程化的推论。这个论断是建立在长期积累的可靠观察之上, 且原封不动的将其中的关键部分映射到地质图表之上。其中还掺杂着许多地质勘探和相关试验等得来的数据经验, 在这个基础上绘出的地质图具有很高的实战性, 可以作为有价值的标准给一些施工部门参考。最初设计过程要给需要规划的线路进行相对大尺度的比较, 这包括两个比例尺度范围的使用。一旦在作业中确定好了路线, 各桩点断面数据也要整理清楚, 这是选线的重要准则。除此之外, 作业周围的地形信息、拆迁量以及赔偿情况都需要了解清楚。除了规划新型的道路之外, 对于已有道路的修缮工作是将裂开损毁的路面进行修补。还有港口、交通红绿灯、车站等进行改造, 除了既有的设定之外, 还有充分考虑上述信息, 包括标志牌、道路护栏、行车道相关车辙和尺寸, 以确定加铺量。
不得不说, 地质条件是现实存在的改动难度较大的一个恒定不变的量。这个客观事实很难改变, 这在处于山区的公路内体现的较为明显。在相对复杂的地质环境中, 修建公路涉及对天然存在的地质环境改造的问题, 为此需要保证不对原有的地质规律进行改变, 以免破坏环境造成不必要的隐患。以此为原则, 有两方面的考虑: (1) 人工建设为第可能会给当地山区带来生态上的破坏; (2) 保证在作业施工上的顺畅度。具体来说, 该地形的地质的薄弱以及可能诱发的灾害危险, 在施工中要进行一系列的操作如填沟、打通隧道等, 对些对当地的地质环境都有很高的影响, 错误的方法可能引起更加不良的后果———地质环境的破坏, 最后加深了地质灾害的发生。在施工运营层面, 会影响资金的回收和运转, 工程的按时完成;在安全能效方面, 会给当地的社会生活活动带来一定的不利影响, 一些可能潜在的隐患会造成经济和人文方面的双重损失。基于此, 良好而高效的测绘技术对于地形相关变量复杂的山区来说意义重大, 而山区公路的建设是我国道路工程测绘的重要组成部分, 利于整个国家的基础设施的改造和建设工作的顺利进行。
2 三维激光扫描基本原理和应用发展
2.1 技术简述和工作原理
一般来说, 激光的定向性是在所有种类的光源之中是最强的, 除此之外, 其光谱单一可以筛选出单一颜色的光出来, 由此衍生出的高相关度的特点也备受研究人员的青睐。可以说, 其在测量物体距离方面有着独到优势, 由于其高强度带来的精准度和易操作的特性, 也使得其成为新型测量仪器的重要部件。20世纪末期的最后十余年, 激光技术和传感器技术相互融合, 数据信息处理的载体———计算机技术也发展速度较快, 这些都为三维激光扫描仪的性能方面的提升, 创造了良好的条件。施工中距离的不断拉长, 产品升级换代引起的测量仪器费用降低, 都为该技术应用领域范围的扩张带来了物质基础和技术支持[1]。三角式的扫描仪适用范围较小, 一般只能测量在百米之内的范畴, 相位式和三角式相似。在此基础上改进的脉冲式范围较大, 在几千米之内的限度内。
脉冲式具有以下特性:非接触、高速、点云形式。通过这些要素, 待测的物品的方位信息会很好的呈现出来。实际的测距包括以下几个步骤。首先, 发射器发出CLASS I级别的光波, 经物品反射之后再原路返回接收, 这其中的相差的时间可以通过一个准度高的时钟读出。通过光的传播定理即可知道两者之间的距离而获得相应的测量值。一些辅助的值也需要被测量, 以此获得准确的折射率。而在提升时间精确度方面, 之前经验型的判别技术可以做为一种辅助和参考[2]。距离只是测量的一个方面, 该设备可具有测量角度的功能。光束在空间内两个维度———水平与垂直, 以及对应三维空间值。通过该设备还可以获知物体反射的剧烈程度。图1为三维激光测量原理。
2.2 发展概览
三维激光扫描在工程领域的意义远超于人们的想象, 给这一领域带来了剧烈的变动和革新, 极大的方便了作业施工。一些既有的测量方法与之相比会失色许多。其应用范围的广阔性、多学科的融合性、实际工程中的实战性都是可以探讨和研究的方面。其集成了机械、光谱、电信号等多个要素, 能快速获得物品的空间位置。依据相关定理, 以横纵旋转角度为参考条件, 很容易获取到相对位置信息。除此之外, 物品通过高频的激光照射之后, 下一步是将采集到的数据发送到笔记本上存储起来。如此一副影像图就这样生成了。该技术可以在地上运用, 也可以在天空上得到发挥。国外在一些大型的基础设置的建设领域、公共卫生领域, 有关地质勘测和军工方面等领域都有相应的工程实用。国内的研究和运用则集中在考古、水文、道路工程等范围内[3]。
3 应用中流程控制和数据处理
在道路工程中, 运用该技术进行信息采集和处理是整个应用中最为关键的步骤。需要考虑外业/内业数据的处理。要进行前者的工作, 首先要对待提取的数据有一个很好的控制, 除此之外需要对控制完全的数据进行全面性的扫描。控制即是指对两个维度的变量的测量———平面和高程。后一步骤的扫描最为关键的是一个标靶的特性的衡量。是对于后者的工作, 我们需要关注的是数据的具体处理过程, 这个方面更侧重于如何将收集到的原始数据通过一系列的映射反馈到人们可以接受的可视化的图表形式中。首先进行拼接处理, 接下来对数据进行抽样, 最后的构网成图之后即完成了整个操作过程。实际操作工程中, 由于该技术对于光线以及角度等特定环境的要求度高, 所以对于一个物品, 一个工作台是完全不能满足其需要的, 可能需要一定数量的工作台, 才能从多个角度得到最后的成像。为了解决这样的问题, 我们将所有工作台的站点位置记录下来, 结合其位置信息, 从不同的角度入手, 将其拼接到统一的尺度之中, 获得最为直观的效果体验。在道路工程测量中, 按照既定的原则来规范作业操作:全站仪提供物品的三位尺度信息, 涉及采集的过程分平面/高程两个维度进行控制处理。
相关的软件可以辅助实现多个工作台站点的数据融合过程, 也称之为数据拼接。这个过程中所处理的数据量是相当大的, 一般的工程绘图工具是处理不了如此多的数据的。这就需要我们在数据处理之前, 先对数据的关键部分进行一个抽取的过程, 这个步骤比较灵活, 可以任意选取。最后即是对平面图的测定, 由于这个过程没有在相应的具体设备上进行, 而是在特定的软件上进行处理, 因此该方法是通过虚拟化实现的图形的绘制。最后的输出结果平面图, 结合了路标特征、比例尺大小尺度范围、平面/高程/抽取数据等。图2为地形测绘作业流程。
4 结论
将三维激光扫描技术和道路测绘结合起来是一项突破性的创新, 这能给该领域带来更多研究和探讨的可能性。该技术具有之前技术无法企及的高效和灵活的特质, 不但能快速的提取保存大量的数据, 还能够将这些数据进行细颗粒度的整合, 这充分的减少了作业中的人力消耗, 可以实现不限时间地点的数据处理, 其输出效果极大的方便了道路工程领域工作的推进。将来该技术可以有更好的演变和发展, 应用范围也会更加的广阔。
参考文献
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地面三维激光扫描 篇7
随着数字化林业建设工作的逐步推广, 以及林业可视化和林业测绘技术的不断提高和创新, 我国林业信息化工程建设进程不断向前发展。构建更加真实的三维树木可视模型的研究, 逐渐成为近年树木三维建模研究的热点。传统的测树方法不仅耗费太多时间和人力, 测量精度也不高, 而且易对树木本身造成伤害[1]。通过三维激光扫描技术取单株树木的三维空间点阵数据, 在不对树木造成伤害的情况下十分方便地获取测树因子, 实现对树木的精准监测, 从而构建更加真实的树木模型。
2 树木点云数据去噪处理
由于人为因素或扫描仪自身的缺陷, 使得获取的三维数据不可避免地带有噪声, 而噪声会对后继相关的数字几何处理产生极大影响。为了使点云数据能够更好地运用到后期的处理过程, 满足曲面拟合及三维建模、网格化等对数据高质量的要求[2], 必须先对原始数据进行去除噪声方面的预处理。
拉普拉斯滤波去噪是一种简单的去噪算法, 它的主要思想是对模型上的各个顶点应用拉普拉斯 (Laplace) 算子。拉普拉斯 (Laplace) 算子可表示为:
在点云模型中设点pi= (xiyizi) , 离散Laplace算子依赖于pi的邻域点, 则定义:
根据上式计算的结果对顶点进行移动, 那么对点云数据进行去噪的过程就可看为一个扩散过程:
Laplace方法通过多次迭代 , 逐步将当前点移向邻域重心处, 因此该方法是采用扩散噪声能量到其局部邻域中其他点来达到去噪目的的[3]。对于分布不均的点云数据特别是点云本身含有噪声, 邻域重心通常不与邻域结构的中心点重合, 这会导致该点偏离原来的位置向点云密集处偏移, 多次迭代会出现模型的扭曲甚至变形。
通过空域分解可以看出, Laplace迭代可以分解为在切平面和法向两个子空间的迭代, 如图1所示。切向的调整表现为顶点的漂移, 而法向方向的调整表现为磨光。总体 而言 ,Laplace迭代是一种局部线性各向同性的迭代方法。
经过对比发现去噪效果明显, 并且与原模型保持较高的相似性。Laplace算法内存开销不大、计算复杂度较低, 并且去噪后的点云边界细节跟树木本体差异较小, 不会对边界数据产生很大的损坏, 如图2所示。
3 树木点云数据三角网建模
对原始数据进行预处理后的点云数据, 需要建立点之间的拓扑关系[4]。一般将点云利用各种三角化方法获得物体的三角网格模型。Delaunay三角剖分算法, 它是一种非常特殊的三角剖分算法, 它具有空外接 (球) 和最小内角最大的两大特点, 可以减少畸形三角单元的生成, 从而确保了整个三角网格质量达到最优。Delaunay三角剖分算法是所有三角剖分算法中一种比较常用、高效的三角剖分算法。
三角网增长算法的基本思想是先找到点集中距离最近的两点 , 然后将这 两点连成 一条Delaunay边 , 再按Delaunay三角网的判别准则找到包含此边的Delaunay三角形的另一顶点按序处理所有新生成的边, 直至所有点处理完毕, 如图3所示。
三角网增长算法思路简单 , 易于实现 , 且构网效 率高 ,如图4所示。
4 结语
基于三维激光扫描的隧道收敛分析 篇8
关键词：三维激光扫描,盾构隧道,平差计算,收敛分析
0 引言
三维激光扫描作为一项非接触的数据获取技术近年来得到了飞速的发展。同传统的数据获取方法相比,三维激光扫描技术具有独特的优势[1]:数据获取速度快,实时性强,扫描速率超过每秒钟10万点;数据量大,能详细描绘物体的细节;主动性强,能全天候工作;全数字特征,信息传输、加工、表达容易;操作方便。由于三维激光扫描技术所具备的这些优点,使其能够应用到隧道收敛变形的监测中。
隧道收敛变形是指隧道在营运过程中,由于受到地面、周边建筑物负载及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工、列车运行振动等,对隧道产生综合影响而造成的隧道变形[2]。对隧道收敛定期进行监测,能确保隧道的安全,防止灾难事故的发生。
布设传感器和使用全站仪测量收敛是目前隧道收敛监测中常用的方法。传感器测量隧道收敛方法主要是将多个倾斜角传感器按一定的布设方式布设在隧道周围,通过测得的角度计算出测点纵向和横向的变化[3]。如图1所示为在某断面布设传感器测量隧道断面。当存在大量断面需要观测时,这种方式需耗费大量人力物力,是不现实的。图2所示为使用全站仪测量隧道收敛变形情况。使用全站仪测量隧道收敛是在实际的工程应用中常用的方法,其精度较高,但是受环境的影响较大,在光线较弱的情况下,隧道收敛监测结果的可靠性大大降低,且自动化程度不高。
本文通过使用三维扫描技术采集隧道点云数据,对点云数据快速分割生成切片,针对切片中的散乱点提出了一种多点坐标平差计算圆心方法拟合切片圆心,对拟合的圆环与设计值进行比较,分析变化情况。本文系统地提出了基于三维激光扫描的隧道点云的收敛变形分析方法,对三维扫描技术在隧道中的应用有一定的意义。
1 三维激光扫描仪测量隧道收敛
使用扫描仪测量隧道收敛主要是利用扫描仪获取隧道的全景点云数据,对点云进行处理,进而获取隧道的收敛信息。在获取点云数据时需设置合适的分辨率,并用360°扫描的方式进行扫描。图3是使用三维扫激光扫描仪对某段盾构隧道进行扫描的场景。
该方法的优势在于:(1)效率高,自动化程度高,单站扫描的时间根据设置的分辨率的不同约为3~6 min,作业过程中仪器自主采集,无需人工干涉;(2)信息量大,单站获取的点的个数超过200万;(3)受环境的影响小。
2 隧道点云数据的收敛分析方法
根据隧道点云数据的特点,本文通过计算隧道圆环的拟合值,采用基于多点坐标平差拟合圆心方法计算单环的圆心和半径来分析隧道的收敛情况。具体的方法介绍如下。
2.1 点云切片生成
首先需要对隧道点云生成切片,点云切片的生成方法定义如下:设有散乱点集S={p1,p2,…,pn},pi={xi,yi,zi}∈R3,则点云切片的生成可描述为:采用一组平行平面沿给定方向对三维点云进行划分,并将三维点集转化为二维切片数据。点集S的坐标范围为(xm in,ym in,zm in)~(xm ax,ym ax,zm ax),有一平面集T,平行于yoz平面,法矢n指向X轴正方向,该平面集T由一组X坐标序列表示:X=(X0,X1,…,Xn)且X0<X1<…<Xn,其中:
Xpitch是分层厚度,用户可以根据需要设定。
点云切片的生成一般采用两种方法,投影法和求交法。本文采用投影法生成点云切片。通过定义参考平面位于分层数据的中间位置,将每层数据向参考平面投影即可得到切片数据。
2.2 多点坐标平差计算圆心
经过投影后点云切片存在大量的多余观测,需采用平差计算的方法求取圆心坐标的最或然值。平差计算中的观测值方程式数学模型的建立是根据圆周上各点坐标(xi,yi)在平面上与圆半径R和圆心坐标(x0,y0)的关系式:
设平差后的圆心坐标(xc,yc)和圆半径R为:
设圆半径的观测值为:
设圆半径的观测值和改正值与近似值的关系为:
得到平差计算的观测值方程:
则法方程式为:
其中:
未知数的解为:
通过平差计算圆心坐标和半径,以平均曲率表示空间坐标的变化,平均曲率的计算公式为:
其中为多组空间点拟合的圆的半径的平均值。
3 实例分析
本文采用FARO FOCUS3D扫描仪对上海某段在建盾构隧道进行数据采集,单站采集时间3min,获取的数据如图4所示,长度为16.1m,点云的个数为887594个,采用上述方法对此段隧道进行收敛分析。
3.1 隧道点云切片的生成
首先将此段点云放入独立的坐标系中,设定隧道的前进方向为x正方向,对点云数据进行分割,设定分割厚度Δx为0.5m,向分割平面投影可得33个切片圆环,如图5所示为切割后的隧道点云切片。
3.2 收敛分析
以1m为单位距离,抽样提取16个圆环按多点坐标平差计算圆心坐标的方法计算16个切片圆环的圆心和半径,如表1所示。
为了进一步表现此段隧道的收敛情况,分别对表1中16个圆环的圆心坐标和半径进行分析。首先建立圆环空间圆心坐标的空间映射关系并使用平均曲率反映此段隧道的变换情况,如图6所示为圆环空间圆心坐标映射图。从图6中可以看出圆心坐标存在波动,根据式(9)计算16个空间坐标的平均曲率来反映此段隧道的变化,通过计算,通过对圆心空间位置的分析可以得出这组圆环圆心坐标呈序列变换趋势,但整体变化率较小。
半径作为隧道收敛的绝对值,能够反映隧道的变化情况。图7(a)所示为16个圆环半径和设计值2.75m的比较,可以看出16个圆环的半径存在变化,在设计值上下波动;图7(b)所示为半径变化的大小分析,通过分析可以得出变化最大的是2号环,变化4 mm。变化最小的是8号环,变化0.3mm。
为了预测该段隧道的变化情况,根据半径值采用回归分析的方法对隧道进行预测,如图8所示为回归分析的结果,其中加粗黑线为分析结果。从分析结果可以看出此段隧道半径的变换呈递增趋势,但变化较小,在可控范围内。
4 总结
隧道(尤其是在软土中建造的隧道)在施工以及使用过程中易受压产生形变,为确保隧道的安全运营,对其进行收敛变形测量就显得尤为重要[4]。由于三维激光扫描技术的独特优势,我们可以将之应用到隧道的收敛变形监测中。本文基于隧道点云切片提出了多点坐标平差计算圆心的方法,并通过实例分析隧道收敛变形情况,证实了三维激光扫描技术可以快速采集隧道点云数据,准确计算隧道的收敛变形情况,并能够全面把握隧道的变形情况和变化趋势,使三维激光扫描技术的优势在隧道变形监测中得到充分发挥,为隧道收敛变形研究提供了一种更便捷、快速、实用的方法。
参考文献
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[3]黄茂华,谢义林.隧道收敛测量方法研究[J].北京测绘,2009,4(4):14～16.
三维旋转激光扫描测量系统的设计 篇9
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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地面三维激光扫描 篇10
通过摄制三维全景图片建立校园园景的数字三维空间图片库, 建设高校独有的校园园景数据库, 能够永久保存校园园景的全部信息, 包括具体空间方位数据, 同时可作为今后校园要实现数字化管理的基础。将三维空间全景图片嵌入于高校的“数字校园”平台, 用户可以利用计算机网络进行远程访问, 能够让外界更直观的了解高校的概况和特色, 可以增强高校对外界的宣传作用, 以及帮助新生进校对校园的熟悉与感知。
本文基于“数字校园”建设的理念, 提出一种较为新颖的“数字校园”建设方案。具体创新点包括: (1) 研究三维全景图片的摄制原理; (2) 如何通过三维激光扫描技术快速获取精确度高的校园景观建筑的三维激光点云数据, 并简述数据的后期处理及经验感受; (3) 三维全景图片与三维激光扫描在“数字校园”建设上的结合应用。
1 三维全景图片技术
三维全景是以实际照片为素材, 采用图像拼合插值技术, 建立具有真实效果的虚拟场景, 通过网络技术将全景场景加载到互联网上供用户体验观赏。它在技术上较为简单和实用的特点被广泛应用在三维电子商务, 如在线的房地产楼盘展示、产品展示、虚拟旅游等领域。
三维全景图片的分类: (1) 360度柱型全景:较为简单的全景场景图片。场景视角是水平360度, 因此不能进行俯视和仰视。 (2) 720度球型全景:球形全景的场景视角是水平360度, 上下360度, 包含了整个天地视角的全景照片。 (3) 立方体切片全景:与球型全景一样, 可看到场景的任意角度。与球形全景相比, 在观赏效果上有效减缓了一般全景图片在改变视角时鱼眼变形效果严重的问题。
2 三维全景图片拍摄原理
三维全景图片拍摄对技术要求较高, 拍摄者要清楚知道相机节点, 并保证拍摄过程镜头节点尽量不被移动。对于全景拍摄, 场景点的选择决定了三维全景图片的最终效果。三维全景的拍摄主要有两种方法, 手持式三维全景图片拍摄法及全景云台节点调整拍摄法。
2.1 手持式三维全景图片拍摄法原理
手持式拍摄法只需要一台相机就能做到全景图片拍摄。此方法要求拍摄者能清楚知道相机节点位置。拍摄过程其实就是把拍摄者充当“全景节点云台”, 通过有效练习和经验积累后可以得到很高的成功率。
保证节点位置尽量不被移动是手持全景拍摄最核心的原理技术难点, 因为镜头节点位置的精确度对三维全景图片的后期拼接处理是非常重要的基础前提。下面将较为详细的分析镜头节点原理及如何精确定位节点位置。
节点是镜头的光学中心。一般我们会以相机的底座螺丝孔做为相机旋转的中心, 但这样的旋转对全景拍摄的高精度拼接处理要求是远远不足的。如图1 (a) 所示, 使用相机对前方的两根筷子以不同的角度拍摄三张照片, 这种旋转的拍摄可能会因为视角导致三张照片分别对物体的表现是不可能实现高精度拼接。
如图2 (b) 所示, 当相机的旋转位置是镜头节点处时, 这时旋转相机, 三张照片对物体的表现是一致的, 这个点就是节点, 以光学中心旋转镜头, 前后物体透视不会发生变化, 这样才能保证我们拼接照片的精度。只要固定住节点, 无论以水平或垂直甚至任何方向去旋转相机, 它都可以保证在画面中物体的关系是统一的。
通过对手持全景拍摄法有效练习和经验积累后我们可以得出一些选点结论, 手持全景摄影入门时最好遵循下面几个选点规则: (1) 由于全景图片拼接处理对节点精确度要求很高, 尽量不要到狭窄空间拍摄; (2) 尽量不要在有很多规则线条的地方进行拍摄。
2.2 全景云台节点调整拍摄法原理
全景节点云台能够保证相机在三角架上旋转构图的时候保证相机运动轴心位于节点上, 大大提高后期拼图的精度度。不过仅仅有云台是不行的, 还需正确的调整全景云台使相机的旋转位置位于镜头节点处。调整全景云台上相机的节点需要精确的计算和不断的调整, 主要按一下两步调整。 (1) 对准镜头轴与三角架旋转轴。传统方法是目测, 正向面对相机, 观察镜头中心点是否在脚架的中心轴线上, 误差控制到2mm左右, 调整节点时, 还要考虑中轴没对准的因素, 使全景云台的调整变得相当复杂; (2) 在镜头轴线上找到并对准节点位置 (镜头节点位置的确定方法如2.1所述) 。
2.3 全景图片的后期拼接处理
全景无缝拼接处理软件主要有PTGui Pro、Autopano Giga等。现有的全景图像拼接生成算法主要可以分为三类:基于特征的方法、基于流的方法和基于相位相关的方法。在得到拼接好的图像后, 还需要对图像重叠部分进行处理, 以实现图像的无缝拼接。目前经常采用的一种简单的图像缝合技术就是线性插值法[2] (Linear Interpolation) 。
本文使用PTGui Pro进行全景图片的无缝拼接, 步骤如下: (1) 照片素材的对齐。将相邻图像按照重叠影像部分叠放在一起, 通过软件计算照片素材重叠区域自动对齐; (2) 照片素材的变形处理。图像边缘会由于相邻两张图像的角度不同而无法100%完全拼接, 因此必须将重叠影像进行一定程度的变形操作; (3) 混合。相邻两张图像的边界处不能完全接合, 很可能产生边界线。所以软件能够自动对边界部分进行淡化处理, 使其透明度降低, 从而达到两个图像混合在一起的目的。 (4) 全景图片色彩处理。由于拍摄过程的环境光线明暗、旋转角度差异等因素导致全景图片有些区域曝光过度等问题, 通过手动调整曝光修正等操作达到满意效果。
3 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术是近年来发展迅速的一种新技术, 已成为空间数据采集的一种重要技术手段, 可用于城市建筑三维重建和建筑信息采集、智慧城市构建、数字校园可视化管理、工程测量、古建筑和文物保护、建筑信息BIM模型 (Building Information Modeling) 等领域。
3.1 三维激光扫描技术原理
目前主流的三维激光扫描系统主要有美国的FARO Focus 3D系统、瑞士的Leica HDS系统等。本文将以Focus 3D扫描仪简单的介绍三维激光扫描原理。
在Focus 3D三维激光扫描仪内, 有1个激光脉冲发射体, 2个反光镜快速旋转, 将发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测站点。扫描过程中, 自动测量每个激光脉冲从发出到被测物表面再返回仪器所经过的时间来得出距离, 同时编码器测量每个脉冲的角度, 获取被测物体的三维真实坐标, 形成了被测物体的点云图。利用FARO SCENE软件可快速处理点云原始数据, 并能够输出各类点云数据 (如.ptx、.ptc、.xyz等) , 用于三维建模、断面图的绘制等。数据也可用Navisworks、Pointools软件在完成乏维交互式可视化检测及概念设计等。
3.2 三维激光扫描技术在数字校园建设中数据采集的工程流程及三维建模方法
使用FARO三维激光扫描系统采集校园建筑数据的工作流程及三维建模大致分为三部分, 如图3所示: (1) 计划制定; (2) 外业数据采集; (3) 内业数据处理。
(1) 三维激光扫描计划制定:首先要制定详细的工作计划, 外业数据采集的质量直接决定了项目后续的进展和最终成果, 主要包括:设计合理的扫描路线、确定扫描精度、设站数、标靶的布设等。
(2) 外业数据采集:可分为几个步骤: (1) 踏勘扫描场地, 根据现场情况估计扫描站点数 (2) 为了布设高精度的标靶网, 要保证每个标靶和至少两个控制点通视。 (3) 三维扫描, 扫描的分辨率设置为1/4, 为了能够准确地提取靶标中心点, 对靶标分别采取了较高分辨率的扫描。
(3) 内业数据处理: (1) 点云去噪与补洞。由于扫描场景有人员车辆等导致原始数据含有较大噪点, 使用Pointools Edit中进行彻底的去噪。 (2) 站点配准。使用球形控制点配准, 将点云配准到控制网坐标系下; (3) 三维模型重建[4]。在大楼周围布设一条闭合导线, 用电子全站仪SET230R测定导线的边长和转折角, 经过平差计算得到各控制点的平面坐标, 得到建筑物结构体的三维线划图, 将测得的全部数据用AutoLISP程序处理, 进行自动连线, 并按要求添加轴线以及进行注记。对总线框图进行渲染和三维处理, 得到其三维模型。
3.3 三维激光扫描技术在数字校园建设中的操作应用技能总结
我们总结了大量数字校园三维激光扫描项目的经验并结合FARO Focus 3D三维激光扫描仪的工作特点等总结了以下三维激光扫描技术的操作应用技能经验: (1) 扫描区域扫描路线草图绘制:外业数据采集工作之前, 根据实地勘探绘制扫描区域草图, 标明控制点、扫描站点和标靶布设位置等, 以便后续数据处理时参考。 (2) 扫描站点布设:在标靶点附近选择扫描站点。扫描站点的布设要符合: (1) 站点必须选择在平坦、稳定的地方, 严禁在路上的石块、杂草丛生等地方安置仪器; (2) 在保证精度的情况下, 每个扫描站点应能最大范围地扫描到目标场景; (3) 尽量确保每个扫描站点上无被遮挡区域。 (3) 标靶布设:根据扫描要求和扫描环境的实际情况, 在扫描区域内布设标靶。应将标靶布设在站点与站点的重叠区域内, 且至少布设三个以上的标靶, 布设标靶时应注意不能将其布设在一条直线上。
4 三维全景图片结合三维激光扫描技术在构建数字校园上的实际应用
4.1 基于三维全景图片的数字校园可视化平台的建设
通过全景数据采集, 对采集的实景数据分类和处理, 将实景数据和数字地图坐标数据进行整合, 形成较为完整的校园全景漫游观看服务;通过互联网及管理信息系统技术, 将含有全景漫游及地图数据的管理服务提供给客户端用户。如图4所示, 该平台主要包含全景漫游在线观看服务和可视化管理服务两大模块。
4.2 全景拍摄结合三维激光扫描技术的一种数字化三维空间全景图片格式
一般的全景图片摄制方法已经较为成熟被广泛应用于各个领域。本文通过将三维激光扫描技术与全景摄像技术结合起来用于景点图像, 获取实验数据和最佳配置的参数范围, 提出了制作一种包含景点空间环境xyz坐标信息的三维全景图片的新方法。其基本原理是应用Foucs 3D扫描仪, 激光扫描获取景点空间点云数据, 结合全景摄像将RGB信息标定贴敷到点云数据上, 使得最后形成的图片是真正的三维空间彩色图片, 而且还可以提供图片中物体的三维空间坐标信息。
5 结语
本文主要论述了三维全景图片摄制技术结合三维激光扫描技术在数字校园建设上的实际应用。较为全面的分析了三维全景技术的拍摄及制作原理。通过研究三维激光扫描技术应用于校园建筑及地理信息的空间信息采集、校园建筑三维模型重建等技术原理、操作方法、具体项目工作流程, 详细总结归纳了三维激光扫描技术的实际应用技能, 给数字校园建设提出了一些创新的思路。
摘要：“数字校园”是通过信息技术与数字方式对校园生活的方方面面进行展示与管理。其中校园园景的三维全景数字空间图片及校园建筑的数字化点云数据扫描是建设数字校园的基础, 是当前信息技术领域的一个重要发展方向之一。本文通过讲述三维全景图片摄制技术原理并结合三维激光扫描技术, 建立数字校园空间方位数据库, 提出了一种较为新颖的“数字校园”建设方案, 能够直观的向外界展现校园的真实景观。
关键词：数字校园,三维激光扫描,三维全景图片,点云数据
参考文献
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