地面激光扫描（精选10篇）
地面激光扫描 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/
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[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.
地面激光扫描 篇2
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三维激光扫描技术应用浅谈 篇3
摘要：三维激光扫描技术具有精度高、信息完整、工作效率高等特点，有效地解决了传统测绘技术的缺陷，大大减轻了测绘外业工作量和劳动强度，三维激光扫描技术应用范围也越来越广。
关键词：三维激光扫描；测量；应用
一、三维激光扫描技术主要特点简介
三维激光扫描技术利用激光的独特优异性能用作扫描测量，该技术具有如下特点：
1）速度快，节约大量的时间，测量完整和精确；
2）无接触测量（无需反射棱镜），昏暗和夜间都不影响外业测量；
3）扫描目标无需表面处理直接获取其三维点云数据；
4）数字化采集，便于计算机处理；
5）方便将3D模型转换到CAD系统中。
二、三维激光扫描系统的工作原理
目前，市面上比较完整的地面三维激光扫描系统主要包括：激光扫描系统、激光测距系统、集成的CCD摄像机和仪器内部控制与校正系统。现在，主流的三维激光扫描主要有三种测距方式：脉冲式测距、相位式测距和光学三角网法。以下介绍激光扫描系统各部分的原理和功能。
脉冲式测距是通过测量激光在仪器到目标物体来回传送的时间来确定三维激光扫描仪到物体间的距离，原理非常简单如下式所示：
式中，S表示扫描仪到目标点的距离，c表示光束，t表示激光脉冲发射和技术的时间差。
脉冲式测距通过仪器内部的激光发射装置发射出激光经过物体反射后，通过仪器内的探测器接收并记录发射到接收的时间，从而计算出距离。脉冲式测距的优势在于有效测程长，能达到几百米甚至上千米，所以在测量地形，大型建筑，矿山等比较复杂的大型物体时会采用这种方式。但是，脉冲式三维激光扫描仪目前市场价格较高，而且相对相位式测距，脉冲式的扫描速度较慢。
相位式测距的工作原理类似于GPS的载波相位测距，通过测定调制在激光束上的调整光的波长的相位延迟，利用波长和相位差来间接计算出仪器与反射物体之间的距离。计算原理如下式所示。
式中为检测的相位差，f为填充脉冲的频率。
相位式测距由于一般功率较小，所以有效测程一般都在一百五十米到两百米以内。但是相位式测距的优势在于扫描速度较快，而且由于是利用光波长和相位差进行距离计算，比单纯计算时间的脉冲式测距精度高。所以采用相位式测距的三维激光扫描仪一般主要是应用于文物保护，占建筑等需要比较精确的扫描方向。
三维激光扫描仪不仅仅是测量仪器到物体之间的距离，还要通过仪器内部的轴系系统得到仪器与目标物体的相对位置关系，从而利用已知的仪器坐标得到未知的物体空间位置信息。一般情况下，以三维激光扫描仪建立空间直角坐标系，如下图所示。
S是由测距单元测量得到的扫描仪到目标物体的距离，和a是由三维激光扫描仪内部的轴系系统得到的角度，P是目标位置、这样由下式就可以计算目标的坐标了。
三维激光扫描仪还有一个非常重要的部分就是集成在仪器内部的CCD摄像机。由于三维激光扫描仪获取到的三维点云数据是由成千上万个空间点组成的，这此大量的点位数据如果没有相应的影像数据作为支持，后期处理起来就非常麻烦。集成在三维激光扫描仪内部的CCD摄像机在三维激光扫描仪进行空间扫描的同时就不断的记录空间影像。这此影像对于点云数据的后期处理、除噪、拼接等都是非常重要的原始资料。同时，在利用点云数据进行三维建模后，我们还可以利用这些影像数据进行贴图从而得到空间物体的真三维模型。
三、三维激光扫描仪技术参数对比及其适用范围
在选择扫描仪种类时，即使同一类型的产品由于生产厂家不一样，技术性能也有很大区别，当前扫描仪的主流产品包括：①瑞士Leica公司HDS3000，HDS6000，ScanStafion2；②美国Trimhle公司MEN SIO，GS100，GX3D，VX空间测站仪；③Faro公司产品LS880，Photon80；④加拿大的Optech公司ILRIS-36D，ILRIS-3D；⑤日本Topcon公司产品GLS-1000；⑥奥地利Riegl公司LPM-321，LMS-Z620，VZ-400等。表1是对上述扫描仪产品的各项技术参数进行比对，得出不同厂家三维激光扫描仪的测程、精度和扫描速率等各项参数，用户选择仪器时能从此获得一定的参考与指导。
表1 各类型扫描仪参数对比
目前，各厂家不同型号的三维激光扫描仪都有标称的扫描参数，但是具体实际参数值可能与标称值有差异，需要对仪器现场进行必要的检校与精度评定。表1中各类三维激光扫描仪己依照其最高扫描速率从小到大排列，通过比对其他参数可知：
1）扫描速率最慢的三角法测量仪器有效测量距离也最短，但其高点位测量精度使其在医学和精密工业中有很好地应用，现己广泛应用在外科整形、人体测量、矫正手術、在线加工、工业设计等方面。
2）脉冲式扫描仪扫描速率介于三角法和相位式仪器之间，角度测量精度高，有效测量距离最长，但距离测量精度较低，其仪器特点使其主要应用在地形测量、滑坡变形监测、土木工程施工、事故现场恢复、古迹修复与保护等方面。
3）相位式有效测量距离介于上述两者之间，拥有最快的扫描速率，但是角度测量精度较低。主要应用在船体测量、改建及现场测绘工程、汽车在线加工、大型器件监测、医学研究、食品加工等方面。
四、三维激光扫描技术的主要应用领域
三维激光扫描仪特别适合于大面积的、表面复杂的物体精细测量。目前在许多领域中己经得到了应用，下面分类介绍它的应用领域。
1.工程测量领域
1）地形图测量：主要包括测量人员难以抵达的或者危险地带的地形测量和不规则带状地形图（铁路、公路、河流等现状地形）的测量，与传统的测图方法相比较，具有高效性和优质性。
2）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。
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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[8]C.Fr?hlich,M.Mettenleiter:TERRESTRIAL LASER SCANNING–NEW PERSPECTIVES IN3D SURVEYING,Proceedings of the ISPRS working group VIII/2'Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment',Freiburg,Germany,03-06October2004,7~13.
地面激光扫描 篇5
本周晨会，申银万国推荐了中海达（300177），公司此前宣布“多波束海底成像系统”、“三维激光扫描仪”等工程样机已研制成功，这两项产品技术目前基本被国外厂商所垄断，国内暂无成熟产品。
如果结合市场此前对新产品的研制预期来看，两项新产品的样机面世时间早于预期。多波束海底成像系统样机预计年底研制成功，2013年批量上市；三维激光扫描仪原计划2012年完成方案设计，2013年研制成功样机，2014年批量推向市场。公告显示多波束产品样机时间略早于预期，三维激光扫描仪样机和批量上市时间均早于预期。申银万国认为，研制样机时间提前说明公司已完全掌握两项新技术，并且在产品量产前公司代理外资品牌打通渠道，提早量产时间则提高了自有品牌和产品被市场接受的可能性。
二级市场上，中海达明显表现出区别于大盘的强势走势，目前已突破均线系统的压制，后市持续稳步上涨的可能性较大，投资者可积极关注，并结合自身的投资策略进行短线或中线操作。
据了解，我国共有671家甲级资质、2077 家乙级资质的测量单位。海洋测绘甲级资质要求两套多波束产品，乙级资质要求一套，由于进口产品价格过高，大部分测量单位该项指标不达标。因此申银万国预计多波束产品的国内需求接近30亿元到50亿元，假设下游客户在5到8年时间完成采购，每年市场空间为5亿元—6亿元。按每台100万元，毛利率70%进行测算，中海达每销售10台多波束测深产品，大约能增厚EPS0.015元。
据悉，三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项前沿技术，激光测量技术采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标。三维激光扫描仪用于对真实世界进行三维建模和虚拟重现。
国内各级测量单位是三维激光扫描仪最大的潜在市场，申银万国预计每年仅测量单位需求量就有望超千台，销售额超10亿元。此外，三维激光扫描还能应用于古迹恢复、古董数字化、数字城市、海岸线测绘等场合。按三维激光扫描仪单价100万元，毛利率60%进行测算，公司每销售10台三维激光扫描仪，大约能增厚EPS 0.012 元。申银万国预计，2013到2014年中海达自有品牌的多波束产品和三维激光扫描仪的销售量均为10台和30台。
业绩预测方面，申银万国略微上调中海达2012—2014年EPS至0.43元、0.60元和0.86元，并认为中海达理应享受北斗/卫星导航产业和行业平均估值，以及三维激光扫描和多波束测深等打破外资垄断技术的估值溢价。
地面激光扫描 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
[1]刘萍.地面三维激光扫描技术在工程测绘中的应用[J].包钢科技, 2015, 02:90~92.
[2]丁贵.地面三维激光扫描技术在文物测绘中的应用[J].矿山测量, 2015, 03:9~11+6.
三维激光扫描仪建模精度分析 篇7
三维激光扫描技术又被称为高清晰测量技术[1],是通过高速激光扫描的方法,快速获取大面积目标表面的高分辨率点云数据,三维激光扫描技术具有速度快、非接触性、实时、动态、主动性,及高密度、高精度,数字化、自动化等特性,并且可以深入到复杂的现场环境中,实现对各种大型的、不规则的、非标准的实体或实景三维数据的完整采集。本文研究对象检校场模型的建立及其精度的评定,通过检校场的特征点选取,利用全站仪及激光扫描仪获得三维坐标,对标靶中心的提取,经过对比分析,最终得到检校场的建模精度。
1 数据采集
1.1 标靶的布设
标靶布设是本实验工作的第一步,是实验成功的根本保障。通过对墙面标靶的布设,研究不同形状、大小、位置标靶中心的获得,以达到最大程度削弱标靶形状等因素影响精度的目的[2]。本文标靶的选择分为直径7 cm,12 cm圆形;7 cm,12 cm正方形四种(见图1)。提取的标靶中心将作为建模精度分析的依据。
在实际布设中,考虑到激光扫描的特点和全站仪观测的难易度,依据控制网中控制点的分布,在控制点的周围布设标靶,前后共布设四个标靶。
1.2 控制网布设
本文检校场设在测绘学院四楼走廊内,选址有以下考虑:(1)走廊内受外界天气因素影响小,所布设的标靶能保存较长时间。(2)四楼比较偏僻,实验时外界因素的影响较小,有助于保证实验的精度。根据检校场实地勘测,设计布设为闭合导线网,如图2所示。
其中控制网平面部分采用独立坐标系,假设K03(130.817,100),K04(100,100)两点为已知点,并赋予坐标值,考虑到检校场实际地形情况,水准测量无法进行,故控制点高程采用精密三角高程方法得到,假设K03点高程为100。经控制网平差后,结果如表1所示。
(单位:m)
1.3 基于全站仪的标靶中心提取
控制点的坐标以及高程数据上面已经得到,将控制点信息输入到全站仪中,在测站上安装全站仪,整平对中,完成设定并检查无误后进行数据采集,输入碎部点点号,瞄准标靶中心开始标靶中心的坐标信息采集[3]。采集得到数据如表2所示。
(单位:m)
1.4 基于激光扫描仪的标靶中心采集
1.4.1 检校场拼接与标靶中心提取
将采集到的扫描数据,经电脑传入cyclone软件中打开,滤除无用的噪点。为了得到完整的检校场点云数据,必须将不同测站,不同角度扫描获得的数据转换到统一的坐标系中。根据cyclone软件的特点,利用易于确定的一定数量同名点,将不同测站的扫描数据拼接在一起。本文选择的同名点是扫描中布设的专用标靶如图3所示,提取两站点同名专用标靶的中心后,利用cyclone软件进行拼接如图4所示。在cyclone软件中打开检校场模型,依次提取标靶的中心点坐标。
1.4.2 坐标系转换
三维激光扫描仪提供的是仪器内部坐标,其原点为激光发射中心点,对于地面激光扫描仪,在检校场和全站仪数据中选择同名点,利用七参数法将仪器坐标数据转换为大地坐标数据。
利用七参数法转换,将各站扫描得到的激光扫描仪坐标转换成全站仪坐标系下的坐标,本实验分析扫描站点的坐标转换[4]。结果如表3所示。
2 精度分析
由上面坐标系旋转转换得到的扫描仪标靶中心坐标,与全站仪获得的标靶坐标进行对比。通过分析,比较X与Y,Z的差值,得出坐标误差如表4所示。
(单位:m)
(单位:m)
根据点位中误差公式[5],可得到三维激光扫描仪获得标靶中心坐标与全站仪标靶中心坐标比较的建模精度如表5所示。
(单位:m)
由以上分析可知,在实际测量环境下,三维激光扫描仪的点位精度为4.7 mm,符合大部分建筑物建模的精度要求。
3 结语
通过全站仪检验可以看出,三维激光扫描仪不仅具有作业周期短,劳动量小,采集数据丰富,建筑物细节表达精细等优点,而且其建模精度也已经达到了大多数建筑物建模的精度要求。在后续的研究中,仍有许多问题值得进一步探讨,例如:测站间拼接对精度的影响,标靶中心的手工提取方法向计算机自动提取方法的发展等。
参考文献
[1]丁延辉.地面三维激光数据配准研究[J].测绘通报,2009(2):57-59.
[2]朱凌.地面三维激光扫描标靶研究[J].激光杂志,2008(1):33-35.
[3]郑德华,雷伟刚.地面三维激光影像扫描测量技术[J].铁路航测,2003(2):76-81.
[4]王玉鹏,卢小平,葛晓天,等.地面三维激光扫描点位精度评定[J].测绘通报,2011(4):68-74.
基于激光扫描原理的路径检测方案 篇8
飞思卡尔智能车比赛的赛道，由白色泡沫材料及其中心的黑色引导线组成，对赛道信息捕获的效果好坏，直接决定着智能车的速度及控制性能。通常采用的路径检测方式，不外乎CCD与光电两种。CCD方案具有先天的优势，不仅能得到赛道的丰富信息，而且可实现远距离的前瞻，对车模重量及稳定性的影响也很小;而光电方案受传感器数量、车模重量及稳定性所限，获得的赛道信息十分有限，前瞻距离也不足，使得使用光电管方案的队伍成绩普遍不如使用CCD方案的队伍。
是否光电方案就真的不可能得到连续的、前瞻性好的信息呢?设想如果只用一对光电发射/接收传感器，利用光学装置让发射光线形成一条高速扫描线，就可以得到一行完整的赛道信息，如果有3个这样的装置，即可获得赛道曲率和角度。另外，如果使用能量高度集中的激光作为光源，则检测距离可大大增加。正是基于这种想法，我们想到了利用条码扫描仪中的激光扫描器。
激光扫描器正是利用快速摆动 (或旋转) 的镜面，反射能量高度集中的激光束，使激光束的出射角度随着反射镜的运动产生连续的变化，从而投射出一条扫描线。虽然只有一个光电检测器和一个光源，但由于反射镜的高扫描频率，使得扫描器几乎可以同时得到一行的图像信息。当然，我们还需要做许多额外工作，才能将条码扫描器应用于路径检测。
激光扫描器检测基本原理
激光扫描器的基本原理与基于红外路径探测的原理类似，但存在如下不同点：
·激光扫描器通常使用波长为650nm的激光管作为光源，能量高度集中，远距离时光束发散角仍然很小，检测距离远且分辨率高，而红外光电检测方案，其光源发射角大，检测距离有限且分辨率低。
·激光扫描器增加一个可控的振镜或旋转棱镜，实现动态扫描检测，可以获得一维图像信息，利用多个 (通常3个就足够了) 一维激光扫描器，可以获得与CCD方案近似的图像信息，而一对红外光电传感器仅能获得一个“像素”信息，要想获得足够的赛道信息，必需足够多的光电传感器，受规则所限的同时还要考虑到车模重量及稳定性，相对于CCD方案，光电方案获得的信息十分有限。
我队所使用激光扫描器原理如下。
光学部分
如图1所示, 激光扫描器光学部分包含如下装置:激光二极管、准直透镜、平面镜、凹面镜、滤光片、光敏二极管、振镜。振镜由三部分组成:反射镜、固定于反射镜背面的永磁铁和用于固定反射镜的支架, 支架可在一定角度内自由旋转。由激光管发出的光线经准直透镜聚焦后，成为平行光进入平面镜，经平面镜反射后穿过凹面镜中央的小孔，抵达振镜，由于振镜的周期运动改变其角度，故光束由振镜的出射角亦作周期变化，形成扫描线。与此同时，出射光在赛道上的漫反射光线通过振镜镜面，进入凹面镜的聚焦范围，经凹面镜聚焦后的光线，通过中心波长为650nm的滤光片滤除干扰光后，由光敏二极管转换成与光强相对应的光电流，再由后续硬件电路处理。
电路原理
如图2所示，激光扫描器包括以下电路。
控制电路:用于控制和和监视各个模块电路工作，若发生故障，则立即关闭激光管的输出，以避免高能量的激光点光源对人眼造成伤害。
激光管驱动电路：用于驱动激光管发出激光束。由于激光管的输出功率受温度影响较大，故通常在激光管内部设有一个光敏二极管，以监测激光功率。驱动电路使用此光敏二极管的输出信号构成功率闭环控制电路，从而稳定激光管的输出功率。
振镜驱动电路：振镜驱动电路用于驱动电磁线圈产生大小、方向可控的磁力，作用在反射镜背面的永磁铁上，从而控制振镜的往复运行，形成扫描线。同时，振镜驱动电路还输出一个用于指示扫描起始的同步信号，用于后续信息处理。
电流—电压转换电路 (I/V转换电路) ：光敏二极管所产生的是随光强变化的电流，为便于后续电路处理，设置电流—电压转换电路，将光强转换为电压信号。
二值化：由光强转换得到的电压信号，经过动态阈值比较器，转换成0或1的二值化数字信号，分别指示了条码中的黑线与白区，最后由外部条码解码系统得到条码信息。
硬件电路
电路设计目的
激光条码扫描器输出的信号并不能直接用于赛道路径检测，主要原因如下。
·为了准确检测到宽度为mil级的条码，激光扫描器的光源光斑直径非常小，其二值化输出信号对被测物十分敏感，以至于赛道上的黑斑、破损、缝隙等均可能导致错误输出，给后续的处理带来了困难，也大大降低了可靠性。
·出于安全考虑，小型激光条码扫描器都使用小功率的半导体激光管，功率通常不会超过5mW，检测距离有限，并且使用时要求光束尽可能与条码面垂直，以获得足够的反射光。为了使小车获得足够的前瞻，我们希望其检测距离能达到70cm左右 (自车头开始计) ，并且为了稳定重心，希望扫描器的安装位置尽可能低，这势必增大扫描线与赛道垂直面间的夹角，扫描器的反射光将大幅减少，使扫描器的检测距离与要求相差甚远。
为了解决这些问题，我们仅利用扫描器的光学系统和振镜驱动电路，自行设计其他附属电路，主要设计如下。
·直接从扫描器中的I/V转换电路引出光强信号，结合其扫描同步信号，利用自行设计的电路完成赛道检测的硬件电路部分。
·将原扫描器上的小功率激光二极管更换成相同波长、同种封装的大功率激光二极管。我们使用的是50mW的激光二极管，但原先的驱动电路不能与之匹配，故自行设计了激光驱动电路，并稍稍调整激光二极管的安装位置，有意使其偏离准直透镜的焦点位置，从而使扫描线适当加粗，降低扫描器对干扰目标的敏感度。
赛道引导线的基本检测原理
如图3所示，示波器的CH1接扫描同步信号，同步信号一个周期代表着两个扫描周期：高电平部分为从左到右扫描，低电平部分反之。通道CH2为I/V电路输出的光强信号波形，由实验可知，此波形中凹槽的宽度、位置与赛道中央黑色引导线的宽度、位置相对应，改变扫描线与引导线的相对位置，凹槽的位置也相应改变。值得注意的是，随着同步信号的高低电平变化，凹槽的位置呈水平镜像翻转。
实验得出：光强信号的幅值是不稳定的，与赛道的反射率有关：反射率大时，光敏二极管输出的电流相对较大，信号的幅值也相对较高，反之亦然，此外，与引导线对应的波形凹槽部分，其幅度也只有十几毫伏，基于这两种原因，如果简单地使用阈值比较器，不能稳定地检测引导线。通过分析信号波形，我们可以发现引导线信号 (即波形中的凹槽部分) 的两个特点：
·电压变化率 (du/dt) 最大，分别出现在引导线的两侧;
·引导线信号的宽度与实际宽度呈对应关系。
由此，可以利用微分放大电路获得两个大幅度、方向相反的du/dt信号 (如CH3所示) ，再利用两个比较器将两个信号检出 (CH4) ，最后由DG128的输入捕捉模块测量出脉冲的宽度与位置。
激光驱动电路
大功率半导体激光二极管通常不带有光敏检测管 (PD) ，因此，我们没有使用功率闭环电路，而是采取了一个可调恒流源控制电路，使激光二极管的输出功率能在合适的范围内调节。如图4，电路的核心部分是由LM317L (三端可调稳压器) 构成的恒流源电路，其最小输出电流为1.25V/ (R22+R10) ≈57mA，最大输出电流为1.25V/ (R22) ≈104m A。恒流电路为激光二极管提供了稳定的驱动电流，保证激光二极管的输出功率符合要求。
此外，为了在待机状态下减少功耗，电路中设计了关闭激光管的功能 (由Q2、R21、U3F构成) 。
信号检测电路
完整信号检测电路如图5，考虑到激光扫描器内的光敏二极管输出信号十分微弱，而我们自行设计的电路与扫描器有一定距离, 如果直接将光敏二极管引入到我们的测量电路, 会产生较大的干扰, 因此, 我们从扫描器内的I/V电路的输出引出光强信号，I/V输出电路的阻抗较低，可以有效防止信号被干扰，如果读者无法找到这个信号，可以在离光敏二极管尽可能近的位置，使用微型封装的单运放电路实现一个I/V电路，参考电路如图6。
需要特别指出的是，由于光敏二极管产生的电流极小，应该使用低偏置电流的运放 (fA级) ，例如LMC6462。
光强信号首先经过一个截止频率为34k HZ的二阶RC有源滤波电路，滤除高频信号，降低电路系统对诸如小黑斑、缝隙等干扰目标的敏感度。截止频率的选取与扫描速度有关，扫描速度越高，截止频率应该随之提高，在较低的扫描速度下，还可以进一步降低截止频率，以降低对干扰目标的敏感度。
滤波器的输出信号经过R29送由U1B为核心的微分放大器，这也是路径检测电路的核心，微分放大电路的传递函数为U o=-RC (dui/dt) ，dui/dt即为输入电流的变化速率，R=R47+R44, C=C18。
R29的作用如下：一是限制微分放大电路的输入电流，防止小幅度的电压阶跃信号被当作引导线信号，调整R29的阻值可以改变输入电流的大小;二是防止微分放大电路的容性输入负载对前级运放电路的影响。稳压二极管D1和D2是用于防止U1B因为输出幅度过大导致运放进入深度饱和状态，影响运放对输入信号的响应能力，原理如下：当运放输出电压超过4.6V时 (需要加上D2的正向导通电压0.7V) ，D1被击穿，将输出幅度限制在4.6V左右，当运放输出电压低于0.4V时 (同样需要加上D1的正向导通电压0.7V) ，D2被击穿，将输出幅度限制在0.4V，需要注意的是：必须使用反向漏电电流低的稳压管，以防止稳压管的等效电阻降低微分放大电路的增益。
由于我们需要U1B工作在两个象限：对应输入电流变化率为正的上跳变和输入电流变化率为负的下跳变，而电路的工作电压为单电源，因此，我们利用电路中的R32和R34将运放的同相端加上一个12V/2的偏置，这样就可以在两个象限输出信号。图3中的CH2与CH3分别是微分电路输入/输出信号的波形，可以很清楚地观察到微分放大电路的作用。
微分放大电路的输出经过R22和C33滤除可能存在的尖峰脉冲后送入由U4A和U4B构成的比较器，分别将符合幅度条件的上跳变信号和下跳变信号分别检出，并经过U7E和U7B反相器 (带施密特整形) 送入由D触发器构成的RS触发器，触发器的输出波形见图3中的CH4所示，由于此波形中的脉冲代表了扫描线相对引导线的位置信息，下文将称之为“脉冲信号”。至此硬件电路完成了对引导线的检测与波形处理。
软件实现
将激光扫描器安装在小车的正上方，使扫描线中心点位于车身的轴线上。改变小车轴线距引导线中心的位置y，记下脉冲信号相对于同步信号的偏移位置x，测得一组数据。用最小二乘法拟合可得出y与x的对应关系：
其中直线斜率k与零位偏移ref的值与扫描器安装的位置有关。此外，测量脉冲信号 (图3中CH4) 宽度，可知此宽度与引导线的宽度成比例关系。
激光扫描器输出两个信号：同步信号与脉冲信号。同步信号用于指示每一个扫描周期的起始位置，而脉冲信号代表了扫描到的引导线信息。因此，可由这两个信号计算出小车当前相对于引导线的位置偏移。
由公式1可知，要得到小车的位置偏移y，必需先确定零位偏移ref及直线斜率k。故在软件中设置自动校准环节：零位校准与斜率校准。具体流程如下：
首先将小车置于赛道中心，程序计算当前的x值，则零位偏移值ref=-x。然后，将小车平行移至一固定位置y (如引导线右方12cm) ，程序计算当前的x值，则斜率k=y/ (x+ref) 。至此校准环节完成。
要计算脉冲信号中心点相对于同步信号中心点的偏移量x，需要得到脉冲信号上升沿时刻s0、下降沿时刻s1，同步信号起始时间t0、同步信号结束时间t1，则有
要获得以上参量，最好方法是利用DG128的输入捕捉功能 (ECT) 。DG128总共包括8个输入捕捉通道，当任意通道的捕捉事件发生时，ECT即将当前的计数器值锁存到相应通道的输入捕捉寄存器。可以使用通道0作为同步信号输入端，通道1作为脉冲信号输入端。将通道0, 1均设置为中断允许、任意跳变沿捕捉的方式。脉冲信号中断程序流程图如下：
如图7, index用于保存脉冲个数 (可能检测到多个目标) ，每次同步信号发生跳变后index被清零，表示一个扫描周期的开始。脉冲信号产生跳变时，即进入此中断程序，首先读取输入捕捉寄存器的值 (即跳变发生的时刻) 、之后判断此跳变是否为本次扫描周期内的首次跳变 (index是否等于0) ，若是，且本次跳变为下降沿，则忽略并退出中断;若首次跳变为上升沿，则将此次跳变的时刻存入数组s0[index]。假如并非首次跳变，若该跳变为上升沿，则将跳变的时刻存入数组s0[index];若为下降沿则存入数组s1[index]，并将数组索引号index自加，以准备保存下一脉冲。
如图8，同步信号产生跳变时，表示上次扫描周期完成。进入中断程序，首先记下此次跳变的时刻t1，并获知当前为高电平或低电平，用于确定当前扫描方向;计算上次扫描周期内检测到的所有脉冲宽度，由于引导线宽度固定，而污损、缝隙等产生的脉冲往往宽度很小，可以设置一个合适的阈值，将可能存在的干扰脉冲滤除;由公式 (2) 与公式 (1) 计算出小车距引导线的偏移量;最后，将t1的值赋予t0，作为下一扫描周期的起始时刻。
结语
至此，激光扫描器实现了路径检测功能，并成功地应用在我们的智能车上。这种开创性的扫描检测方式，带来了大前瞻、连续的路径检测效果，前瞻距离可以超过70cm，检测精度可达到1mm，使光电管方案产生了突破性的进展。若采用多个扫描器组成多条平行的扫描线，则理论上可得到与CCD相媲美的路径检测能。此外，本文介绍的实现原理，也完全适应于CCD方案，CCD的行同步信号相当于本文中的扫描同步信号，CCD输出的模拟视频信号，相当于本文中的光电信号，利用相同的电路原理，配合DG128的ECT功能，可以用最少的CPU时间开销和内存开销，达到理想的路径检测效果。
*本文竞赛队获第三届飞思卡尔智能车大赛光电组一等奖, 也是此届竞赛中唯一使用激光扫描的队。
参考文献
[1]卓晴, 等.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.03
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[3]Freescale Semiconductor.9S12D T128D G V2/D V02.15[R].2006
[4]SANYO.DL-7147-201 VER.2[R] .2003.01
关于激光扫描测量设备现状的研究 篇9
关键词：激光扫描测量设备,产品现状,设备性能,地形测量
测绘是一项关系国计民生的重要工作, 工作任务繁重且工作环境艰苦。随着近年来高学历的专业技术人才的加入, 在一定程度上缓解了因人员缺少带来的生产压力。伴随着测绘科学技术的飞速发展, 测绘设备落后成为制约专业队伍发展的主因。据调查, 目前生产激光扫描仪的公司众多, 典型的有瑞士的Leica公司、美国的3D Digital公司和Polhemus公司, 加拿大的Op Tech公司、瑞典的Top Eye公司、奥地利的Riegl公司等, 在实践中得到广泛应用。
1 产品现状
激光扫描系统产品的种类繁多, 不同产品在不同的工程领域的使用各有优势。按照不同的行业使用要求、工作原理等进行分类。
1) 按照扫描运行平台划分:机载型激光扫描系统;地面型激光扫描系统 (移动式扫描系统和固定式扫描系统) ;手持型激光扫描系统。机载型激光扫描系统是在小型飞机或直升机上搭载, 由激光扫描仪、成相装置、定位系统、飞行惯导系统、计算机及数据采集器、记录器、处理软件和电源组成。适用于大面积区域测量和国家框架基础大地测量工作。地面型激光扫描系统是一种利用激光脉冲对被测物体进行扫描, 可以大面积、快速度、高精度、高密度的取得地物的三维形态及坐标的一种测量设备。一般在工程建设、考古等行业使用较多, 尤其适合高陡峡谷的测量工作。手持型激光扫描系统多用于采集小型物体的三维数据, 一般配以柔性机械臂使用。适合于机械制造与开发、产品误差检测、影视动画制作与医学等领域。
2) 按照激光光束的发射方式划分:灯泡式扫描仪 (图1) ;三角法扫描仪 (图2) ;扇形扫描仪 (图3) 。
3) 按照扫描仪测距原理划分:基于时间漂移原理 (Time-of-flight) ;基于相位原理 (phase measurement) ;基于激光雷达或光学的三角测量原理 (Optical triangulation, Laser Radar) 。
2 设备性能对比
瑞士徕卡Scan Station2、加拿大Optech ILRIS 36D和奥地利Riegl LMS 3个公司的激光扫描设备目前是行业中使用较多的, 尤其在硬件性能和设计上各具特色, 以其测程远、点精度高和扫描速度快而受关注。在软件方面, 因设备测量技术不同, 均自带的适用软件, 设计理念不同, 对不同行业数据处理要求各异。三款激光扫描设备主要性能和指标对比见表2。
在数据后处理软件方面, 因其硬件设施的不同在软件设置中有很大的不同, 但其均可以导出适宜绘图的通用格式文件, 便于后续完美编辑处理。徕卡Scan Station2采用随机Cyclone软件, 该软件对点云数据库管理强大, 速度快, 管理点云数据量大, 硬件要求相对较低, 兼容其它扫描数据性能差。Optech ILRIS 36D采用的是第三方Polyworks 8.0软件, 该软件功能强大, 数据兼容性好, 数据处理通畅, 但基于文件管理, 数据调入速度慢, 管理点云数据量相对要小, 硬件设置要求高。
Riegl采用随机Riscan Pro控制软件, 本软件在数据点云管理上、速度等方面具有明显优势, 内业处理短时间内就能够完成多站点、同步拼接激光扫描数据和数码影像数据, 并计算出拼接的误差。快速将3D激光点云进行数码影像着色, 生成3D彩色激光实景。若借助于第三方的Phidias、Geomagic、Poly Works等软件配合使用, 其可应对海量点云数据的繁琐处理, 并根据不同的要求, 提供多种通用数据格式的包括点云模型、表面模型、纹理模型、CAD模型等成果在内的多种数据成果。并生成三角测量网 (TIN) 和数字等高图 (DEM) , 正射影像图 (DOM) , 进行各种体积、面积、长度等计算。
3 行业应用
在水利水电行业中, 成勘院、华东院、长江水利委员会、四川水利水电设计院等生产单位和高校科研单位已经拥有地面或航空使用的激光扫描测量设备, 在水利水电建设和科研中发挥了巨大作用, 取得了大量的地形测量、变形监测等测绘成果资料, 积累了丰富的工作经验。很多成功的工程实例应用了该技术, 如江西长江棉船洲崩岸治理段地形扫描;溪洛渡水电站左岸缆机平台变形测量 (一期) ;甘肃小海子水库溃坝现场测量;北京废旧矿山地形测量 (100处) ;怀柔、昌平、海淀、密云、平谷等地废弃矿山地形测量 (300处) ;河北迁西潘家口水库脖子梁副坝地形测量;河北涞源某尾矿坝地形测量;山西朔州平朔煤矿1厂地形测量;堰塞湖堰塞坝地形测量;某坝溃坝过程监测及三维模型建立鸭绿江部分河段地形测量;北京永定河河道地形测量;力求河部分河段地形测量和裂隙统计分析等。可为设计部门提供三维点云模型及三维等高线, 并在软件基础上开发小模块程序, 为地质专业在点云模型上进行地质产状面的计算及解译一些地质要素提供便利。
4 Riegl激光扫描在水电地形测量中应用
Riegl激光扫描系统采用全回波数字化技术, 可以穿透稀疏树林中树木阻挡, 扫描速度快, 10秒钟粗略扫描360度全景, 精度与距离完美结合, 优于2mm (100m的距离) 的距离精度, 便携计算机操作控制。
依托黄河拉西瓦水电站果卜地形测量项目, 借助奥地利Riegl公司生产的型号分别为LMS-Z620 (测程2公里) 和LMS-Z420i (测程1公里) 的激光扫描设备, 采用Riegl不同型号的激光扫描设备分别对拉西瓦生活区南面山体和果卜地形进行激光扫描测量。
对本次测量的检查数据差异按照地形图1/3、2/3等高距进行分类统计, 统计情况见表3。
通过地形检验的统计, 发现本次测试并不理想, 果卜岸坡部分高程差异较大, 究其因可能是由于以下原因造成的:扫描期果卜山下没有输入实地的气压、温度值;标靶归心点未能与控制点重合, 且标靶距离太近;由于工地风大, 仪器在扫描测量过程中可能存在摆动情况。由于测试指导的技术人员未能完全掌握该设备的测量技术。经过本次测试应用, 并对Riegl两种型号的测量性能对比如表4, Riegl的各样性能基本能达到厂方标称的性能。但设备装箱体积大, 重量大, 在高山陡坡地区搬运比较困难。
指标评价是在面积及难度等同的前提下, 按时间效率、经济效益、劳动程度等进行衡量。以果卜地形测量为例, 传统测量与激光扫描测量两种模式所投入人员产生的工作时长对比如表5。
激光扫描测量技术在地形测量中发挥了巨大作用, 降低了工作人员的劳动强度, 大大缩减外业作业时间, 提高了工作效率, 保证了测量的高精度。利用此设备其效率是传统测量工作的数倍, 缩短测量周期, 降低外业生产成本, 取得了显著的经济效益。
5 结语
激光扫描设备已经成为众多测绘单位选择的对象, 今天的激光扫描仪就如同过去的GPS一样, 必将成为测量行业发展的必需品。
实践是检验真理的唯一标准。目前市场上流行的主流激光扫描设备众多, 但因使用行业不同而有差异。就目前工程建设测量使用情况来看, 奥地利公司的Riegl长距离地面扫描产品使用较多。结合本次对Riegl扫描设备的测试, 认为该设备在测量速度、远距离等性能方面的确优势明显, 但在纹理等方面不如加拿大的Optech, 软件性能各有所长。
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地面激光扫描 篇10
根据钢管生产线要求,应在加工过程中实时监控钢管的直径,使生产的钢管直径达到所需的尺寸指标要求。实现红热钢管直径的在线检测,应具备非接触式检测、检测速度快、精确度高及便于数据处理与传输等特点。而采用模-数式激光扫描钢管直径检测是较为理想的方案。采用激光直径检测仪可实时检测钢管直径,并将检测数据输入计算机,由计算机将实时检测的数据与预先给定的钢管直径参数进行比较,然后将直径偏差值送至伺服控制器,再由伺服控制器控制钢管生产机,使生产加工的钢管直径达到给定值。在钢管加工过程中,钢管直径的检测技术十分关键,将直接影响钢管直径的准确度。
1 激光扫描直径信息变换原理
钢管生产线上的测控系统如图1所示,该系统包括激光直径检测仪、计算机和伺服控制器三个部分。
激光扫描直径信息变换属于模-数光电信息变换,是将钢管直径经光电信息变换成为数字量。激光可产生一束很细的平行光,采用激光作为扫描光源是非常理想的。图2为激光扫描钢管直径信息变换原理图。激光束经透镜1后被反射镜反射,由于旋转反射镜的转动可产生扫描光束,扫描光束经透镜1后变为平行的扫描光束,并以速度v对工件扫描,经透镜2后被探测器接收。由于工件的遮挡原理,将工件直径D变为光脉冲φs信号。由于激光束有一定的直径,在扫描工件边缘时会产生过渡区,使光脉冲信号前后沿变斜。光脉冲经探测器接收并放大后变为电压信号Us,再由边缘检测电路(鉴幅器)确定工件边缘的转换点,输出理想的脉冲信号,脉冲宽度t与工件直径成正比,则将对钢管直径D的测量转换为对脉冲宽度t的测量。
对脉宽t的测量有两种方法,一种是时间测量法,即利用激光扫过钢管直径D所需的时间进行测量,这种方法要求激光扫描的速度v恒定。另一种是位移测量法,即利用激光扫过钢管直径D所产生的位移量进行测量。下面介绍采用位移测量法实现数字式激光直径检测仪的工作原理。
2 数字式激光直径检测仪
从激光器1发射的光束被分光镜2分成两束,一束通过透镜3和透镜4,然后再通过玻璃四面体5。玻璃四面体绕中心轴O(垂直图面)旋转,使光束的扫描方向与光轴相垂直。由几何光学可知,一束光按一定角度入射平行玻璃体时,由于折射结果使通过平行玻璃体的光束与原入射光束平移一段距离,而平行位移的大小与入射角度有关。那么,如果玻璃四面体按顺时针方向旋转时,使光束入射玻璃体的角度连续改变,因而使通过四面体的光束也连续平移,即光束连续扫描,如图3所示。玻璃四面体在5位置时,通过玻璃四面体的光束在10位置,当玻璃四面体旋到5′位置时,通过玻璃四面体的光束平行位移到10′位置。可见,当玻璃四面体顺时针旋转时,光束10由上向下扫描。扫描光束通过窗口6,然后横扫待测直径的钢管7。通过工件周围的光束由透镜8聚焦于光电接收器9,当光束扫描到工件边缘(光束与工件相切点)时,因为光束在切点处开始被工件遮挡,所以光电接收器接收光能从有到无突然变化,使其输出电信号也突然变化。输出的信号经过电子线路处理后,能分辨出激光光束与工件上下边缘相切点位置的偏差为±1 μm。
由分光镜2投射出的第二束光通过透镜11和12聚焦,并由棱镜13和14转向,使其与第一束光垂直,然后通过旋转玻璃四面体。第二束光通过玻璃四面体以前经由光栅15,其刻线与图平面垂直,玻璃四面体旋转时,使第二束光类似第一束光进行扫描,其扫描方向由左向右。第二束光扫描过第二光栅16,其第二光栅的刻线与第一光栅平行,透过光栅16的光束由透镜17聚焦在光电接收器18上。光电接收器18输出的信号随着第二束光扫过光栅16而作正弦变化,其每一振荡周期相当于光束移过光栅刻线的一个节距。
从图3中所示的图线可以看出,这两束扫描光束相对它们入射光的位移是相等的。玻璃四面体旋转90°角时,每一扫描光束就进行一次完整的扫描。
两个光电接收器输出的信号经放大整形后其波形如图4所示。光束10扫过工件时,光束接收器9输出信号经放大整形为方波脉冲如图4(a)所示,此脉冲宽度正比于被测工件的直径。光束19扫过光栅16时,光电接收器18输出的正弦信号叫节距信号,经放大整形后为计量脉冲,如图4(b)所示。用方波脉冲控制电子门20,在此脉宽时间内打开电子门20,用电子计数器21计入计量脉冲,如图4(c)所示。设量化节距为q,所计脉冲数为n,则被测工件的直径:
玻璃四面体的旋转速度一般是3 000 r/min,在此旋转速度下,每秒内可以测量200次。因此,可用于连续测量轴向移动工件的直径。由于两个扫描光束是同步扫描,当玻璃四面体旋转一定角度时,两光束扫过的位移是相等的,因此,这种测量方法与时间间隔无关,那么玻璃四面体旋转速度的变化对直径测量的精确度将没有影响,即放宽了对玻璃四面体旋转速度的要求。
3 误差分析
影响测量精确度的因素有以下几方面:
(1) 量化误差:设光栅的节距为q,q值既是量化单位,也是测量的最小分辨率,其测量误差为±1/2q,这是测量的原理误差。目前,光栅节距(栅距)有20 μm,10 μm,5 μm等。光栅尺寸的刻度误差将直接影响量化误差,所以对光栅刻度误差有一定要求。另外,为了提高测量精确度,将透过光栅16的整个光通量变化用透镜17聚焦在光电接收器18的光敏面上,这样具有积分效果,可以克服个别光栅刻线的较大误差,从而放宽了对光栅刻线的要求。
(2) 玻璃四面体的几何形状误差:理想的玻璃四面体是一个正方形四面体,能保证两个扫描光束的位移量相等。实际加工过程中存在几何形状误差,这个误差直接影响扫描光束的位移量,给测量直径尺寸带来误差。
当工件移动速度较慢时,将玻璃四面体旋转一周或数周时所连续测量的直径取平均值,可大大减小由于玻璃四面体几何形状的偏差所引起的误差。在这种情况下,测量精确度约为2 μm。
(3) 工件移动过程中检测带来的位移误差:上面已经提到,在高速扫描的情况下,工件移动速度较慢时,可以忽略此项误差。但当工件移动速度较快时,位移误差不能忽略。
图5为钢管移动时,对应不同位置直径的变化曲线,横坐标为位置量,纵坐标为直径量,设钢管的标准直径为D0,A点为开始检测位置。由于工件以v1速度移动,扫描光束离开工件时为B点位置,则给测量A点位置的直径带来误差,为分析方便,设A点位置的直径为D0,B点位置的直径为D0+ΔD,若钢管沿轴心对称增大,则测量直径误差为1/2ΔD。
设D=f(x)即直径是位置的函数,工件移动速度为v1,扫描速度为v2,工件由A点移到B点时的位移为Δx,在Δx很小的情况下,直径曲线的变化可视为线性变化,其变化斜率为f′(xA)。
扫描光束扫过钢管直径的时间t为:
在此时间内钢条的移动位置Δx为:
钢管直径的增长量ΔD为:
将式(2)和式(3)代入式(4)得:
从公式(5)可以看出,位移误差的大小正比于工件移动速度v1与光束扫描速度v2之比。当工件移动速度较慢,即v1/v2≪1时,可以忽略位移误差,即工件速度的上限值受扫描速度和测量精确度的限制。
(4) 随机误差:在检测过程中,因工件受到震动使位置变化、光源波动使光束与工件相切点位置变化、电源波动都将引入误差。所以进行多次直径测量,取其平均值,可以使随机误差减少,甚至忽略。为此,可采用8面、16面玻璃体扫描,以提高扫描次数。
总之,影响检测精确度的主要有量化误差和位移误差。在静态测量或工件移动速度不大时,主要为量化误差,而其他随机误差可以通过多次测量取平均值来克服。
4 结 论
当钢管运行速度为150 m/min时,连续测量分辨率为10 μm,测量精确度为±20 μm。该项科研成果已通过省部级科技鉴定,已形成系列产品,除用于钢管厂测量红热钢管的直径外还可用于测光纤、电线等线材直径。
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