激光三維掃描

1、三維激光掃描技術(shù)三維測量傳統(tǒng)測量所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果傳統(tǒng)測量所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如（如CAD出圖）。出圖）。 數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替二維。三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)直接包含二維。三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)直接包含點的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息。點的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息。激光三維掃描技術(shù)三維激光掃描技術(shù)，又稱“實景復(fù)制技術(shù)”。它通過激光掃描測量的方法，獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。采集空間點位信息，快速建立物體的三維影像模型的一種技術(shù)手段應(yīng)用用途： 通過三維激光掃描，獲得被測目標(biāo)的三維點云數(shù)據(jù)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)進行三

2、維重構(gòu)。作為新的高科技產(chǎn)品，三維激光掃描儀已經(jīng)成功的在文物保護、城市建筑測量、地形測繪、采礦業(yè)、變形監(jiān)測、工廠、大型結(jié)構(gòu)、管道設(shè)計、飛機船舶制造、公路鐵路建設(shè)、隧道工程、橋梁改建等領(lǐng)域里應(yīng)用。工具：三維激光掃描儀，其掃描結(jié)果直接顯示為點云（pointcloud 意思為無數(shù)的點以測量的規(guī)則在計算機里呈現(xiàn)物體的結(jié)果），利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù),可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的 。 原始圖像三維點云數(shù)據(jù)圖像三維點云數(shù)據(jù)圖像（點云數(shù)據(jù)：點云數(shù)據(jù)：掃描資料以點的形式記錄， 每 一個點包含有三維坐標(biāo)，甚至其它信息）三維重

3、建三維激光掃描原理三維激光掃描：對確定目標(biāo)完整的三維坐三維激光掃描：對確定目標(biāo)完整的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)測量標(biāo)數(shù)據(jù)測量, , 全景點坐標(biāo)數(shù)據(jù)（點云數(shù)全景點坐標(biāo)數(shù)據(jù)（點云數(shù)據(jù)）。據(jù)）。為了獲得被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，其測為了獲得被測目標(biāo)的三維坐標(biāo)信息，其測量原理主要分為量原理主要分為測距測距、角位移角位移、掃描掃描、定定向向四個方面。四個方面。測距方法激光測距對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作激光測距對于激光掃描的定位、獲取空間三維信息具有十分重要的作用。用。測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。脈沖測距法：脈沖測距法：脈沖測距法是通過測量發(fā)射

4、和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標(biāo)的距離脈沖測距法是通過測量發(fā)射和接收激光脈沖信號的時間差來間接獲得被測目標(biāo)的距離。C：光速;t:測得激光信號往返傳播的時間差脈沖法的測量距離較遠（幾十米到幾百千米），但是其測距精度較低（厘米級），現(xiàn)在大多數(shù)三維激光掃描儀都使用這種測距方式.測角方法 角位移測量法掃描儀工作是由步進電機驅(qū)動的，由步進電機步距角和掃描儀工作是由步進電機驅(qū)動的，由步進電機步距角和步數(shù)，獲得角位移。步數(shù)，獲得角位移。步進電機步距角步距角 Nr：電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù); m : 電機的相數(shù)； b是各種連接繞組的線路狀態(tài)數(shù)及運行拍數(shù)。得到b的基礎(chǔ)上，可得掃描棱鏡轉(zhuǎn)過的角度值，進而得每個激

5、光脈沖橫向、縱向掃描角度觀測值為、。掃描方法三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面掃三維激光掃描儀通過內(nèi)置伺服驅(qū)動馬達系統(tǒng)精密控制多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束描棱鏡的轉(zhuǎn)動，決定激光束出射方向，從而使脈沖激光束沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。沿橫軸方向和縱軸方向快速掃描。 掃描控制裝置主要有：擺動掃描鏡、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。掃描控制裝置主要有：擺動掃描鏡、旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換方法 將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個過程就稱為三維激光將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個過程就稱為三維激光掃描儀的定向。掃描儀的定向。 在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，

6、設(shè)立特制的定向識別標(biāo)志，通過計算識別標(biāo)志的中心坐在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，設(shè)立特制的定向識別標(biāo)志，通過計算識別標(biāo)志的中心坐標(biāo)，采用公共點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。標(biāo)，采用公共點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，求得兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)。 wZ P(X c,Y c,Z c) wY wX Z c p 1O x y O X c Yc 攝像機成像幾何關(guān)系如圖所示，其中O點稱為攝像機光心， 1 軸和 軸與圖像的x軸與y軸平行， 軸為攝像機的光軸，它與圖像平面垂直。光軸與圖像平面的交點，即為圖像坐標(biāo)系的原點，由點O與 、 、 軸組成的直角坐標(biāo)系稱為攝像機坐標(biāo)系 為攝像機焦距。 Z O X Y攝像機定標(biāo)一般都需要一個放在攝像機前

7、的特制的定標(biāo)參照物（reference object） 。例如，圖為一種定標(biāo)參照物，攝像機獲取該物體的圖像，并由此計算攝像機的內(nèi)外參數(shù)。定標(biāo)參照物上的每一個特征點（圖3中物體上每一小方塊的頂點）相對于世界坐標(biāo)系的位置在制作時應(yīng)精確測定，世界坐標(biāo)系可選為參照物的物體坐標(biāo)系在得到這些已知點在圖像上的投影位置后，可由公式計算出攝像機的內(nèi)外參數(shù)。 空間任意一點世界坐標(biāo)與對應(yīng)計算機圖像坐標(biāo)中像素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系k 是鏡頭徑向畸變系數(shù);dx和dy 分別是水平和垂直方向上CCD感光陣列的像元間距; sx是由于圖像采集掃描或抽樣時延誤差而引起的水平方向不確定比例因子uo、v o為像面中心(透視中心在計算機圖像的

8、像素坐標(biāo))。所有參數(shù)中： f ， sx， k ， dx ， dy， uo ， vo 為攝像機參數(shù)，需要通過攝像機標(biāo)定確定。光平面參數(shù)r1 , r2,r3,r4, r5,r6,r7 , r8,r9, tx,ty,tz表示從攝像機坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過光平面標(biāo)定確定每掃描一個云點后每掃描一個云點后,CCD,CCD將云點信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號并直將云點信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字電信號并直接傳送給計算機系統(tǒng)進行計算。進而得到被測點的三維坐接傳送給計算機系統(tǒng)進行計算。進而得到被測點的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。點云是由三維激光掃描的無數(shù)測量點數(shù)據(jù)構(gòu)成的標(biāo)數(shù)據(jù)。點云是由三維激光掃描的無數(shù)測量點數(shù)據(jù)構(gòu)成的, ,而每個點坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。而每個點坐標(biāo)數(shù)據(jù)的質(zhì)量都非常重要。三維激光掃描系統(tǒng)組成三維激光掃描系統(tǒng)組成：一般是由激光發(fā)射器、三維激光掃描系統(tǒng)組成：一般是由激光發(fā)射器、接收器，激光自適應(yīng)聚焦控制單元，光路調(diào)節(jié)裝接收器，激光自適應(yīng)聚焦控制單元，光路調(diào)節(jié)裝置，光機電自動傳感裝置，以及后續(xù)處理用的置，光機電自動傳感裝置，以及后續(xù)處理用的計算機等計算機等。一種三維激光掃描系統(tǒng)圖一種三維激光掃描系統(tǒng)圖三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 案例一：在建筑設(shè)