三維激光掃描儀分類原理

1、三維激光掃描儀分類及原理.三維激光掃描儀分類及原理.10/10三維激光掃描儀分類及原理.三維激光掃描儀分類及原理地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)是以三維激光掃描儀的出生為代表，有人稱“三維激光掃描系統(tǒng)”是繼GPS(GlobalPositionSystem)技術(shù)以來測繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測繪技術(shù)改革，將使測繪數(shù)據(jù)的獲得方法、服務(wù)能力與水平、數(shù)據(jù)辦理方法等進(jìn)入新的發(fā)展階段。傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法，GPS測量都是基于點(diǎn)的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的

2、原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描失散點(diǎn)的結(jié)合。三維激光掃描的主要特點(diǎn)是實(shí)時性、主動性、適應(yīng)性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的辦理就可以直接使用，無需復(fù)雜的費(fèi)時費(fèi)力的數(shù)據(jù)后辦理；且無需和被測物體接觸，能夠在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用；并且能夠和GPS等會集起來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)、更多的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)作為當(dāng)前發(fā)展迅猛的新技術(shù)，必然會在諸多領(lǐng)域獲得更深入和廣泛的應(yīng)用。對空間信息進(jìn)行可視化表達(dá)，即進(jìn)行三維建模，平時有兩類方法：基于圖像的方法和基于幾何的方法?；趫D像的方法是經(jīng)過照片或圖片來建立模型，其數(shù)據(jù)本源是數(shù)碼相機(jī)。而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲得深度數(shù)據(jù)來建立三維模型，這類方法含有被測場景比較

3、精確的幾何信息。三維激光掃描儀的分類：三維激光掃描儀依照掃描平臺的不相同能夠分為：機(jī)載(或星載)激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。三維激光掃描儀作為現(xiàn)在時效性最強(qiáng)的三維數(shù)據(jù)獲得工具能夠劃分為不相同的種類。平時情況下依照三維激光掃描儀的有效掃描距離進(jìn)行分類，可分為：（1）短距離激光掃描儀：其最長掃描距離不高出3m，一般最正確掃描距離為61.2m，平時這類掃描儀適合用于小型模具的量測，不但掃描速度快且精度較高，能夠多達(dá)三十萬個點(diǎn)精度至0.018mm。比方:美能達(dá)企業(yè)出品的VIVID910高精度三維激光掃描儀，手持式三維數(shù)據(jù)掃描儀FastScan等等，都屬于這類掃描儀。（2）中距

4、離激光掃描儀：最長掃描距離小于30m的三維激光掃描儀屬于中距離三維激光掃描儀，其多用于大型模具或室內(nèi)空間的測量。（3）長距離激光掃描儀:掃描距離大于30m的三維激光掃描儀屬于長距離三維激光掃描儀，其主要應(yīng)用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測量。例如：奧地利Riegl企業(yè)出品的LMSZ420i三維激光掃描儀和加拿大Cyra技術(shù)有限責(zé)任企業(yè)出品的Cyrax2500激光掃描儀等，屬于這類掃描儀。（4）航空激光掃描儀：最長掃描距離平時大于1公里，并且需要裝備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其可用于大范圍地形的掃描測量。之因此這樣進(jìn)行分類，是由于激光測量的有效距離是三維激光掃描儀應(yīng)用范圍的重要條件，特別是針對

5、大型地物或場景的察看，或是無法湊近的地物等等，這些都必定考慮到掃描儀的實(shí)質(zhì)測量距離。其他，被測物距離越遠(yuǎn)，地物察看的精度就相對較差。因此，要保證掃描數(shù)據(jù)的精度，就必定在相應(yīng)種類掃描儀所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用。三維激光掃描儀工作原理：無論掃描儀的種類如何，三維激光掃描儀的構(gòu)造原理都是相似的。三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組能夠引導(dǎo)激光并以平均角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而能夠進(jìn)行測距，針對每一個掃描點(diǎn)可測得測站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，能夠獲得每一掃描點(diǎn)與測站的空間相對坐標(biāo)。若是測站的空間坐標(biāo)是已知

6、的，那么則能夠求得每一個掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。以RieglLMS-Z420i三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進(jìn)行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲得三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，能夠計算日標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度察看值和縱向掃描角度察看值。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標(biāo)。ZYP(XP,YP,ZP)X圖1掃描點(diǎn)坐標(biāo)

7、計算原理XPScoscosYPScossin（1）ZPScos圖2地面激光掃描儀測量的基本源理在掃描過程中，由于某些整個系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)、后辦理軟件、電源以及隸屬設(shè)備組成，它采用非接觸式高速激光測量方式，獲得地形也許復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最后由后辦理軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行辦理變換成絕對坐標(biāo)系中的空間地址坐標(biāo)或模型，以多種不相同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不相同應(yīng)用的需要。圖3地面激光掃描儀系統(tǒng)組成與坐標(biāo)系當(dāng)前階段，需要經(jīng)過兩各種類的軟件才能使三維激光掃描儀發(fā)揮其功能：一類是掃描儀的控制軟件；另一類是數(shù)據(jù)辦理軟件。前者平時是掃描儀隨機(jī)附帶的操

8、作軟件，既能夠用于獲得數(shù)據(jù)，也能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)辦理，如Riegi掃描儀附帶的軟件RiSCANPro；此后者多為第三方廠商供應(yīng)，主要用于數(shù)據(jù)辦理。Optech三維激光掃描儀所用數(shù)據(jù)辦理軟件為Polyworks10.0。三維建模的步驟：三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)辦理一般包括下面幾個步驟：噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)精簡、曲面重構(gòu)。噪聲去除指除去點(diǎn)云數(shù)據(jù)中掃描對象之外的數(shù)據(jù)。環(huán)境因素的影響，比方搬動的車輛、行人及樹木等，也會被掃描儀采集。這些數(shù)據(jù)在后辦理就要刪除。多視對齊其指由于被測件過大或形狀復(fù)雜，掃描時經(jīng)常不能夠一次測出所有數(shù)據(jù)，而需要從不相同地址、多視角進(jìn)行多次掃描，這些點(diǎn)云

9、就需要對齊、拼接稱為多視對齊。點(diǎn)云對齊、拼接能夠經(jīng)過在物體表面布設(shè)同名控制點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。多視對齊的實(shí)質(zhì)是計算滿足以下目標(biāo)函數(shù)的旋轉(zhuǎn)和平移變換矩陣R，T：f(R,T)minRpiTqi2（2）其中，pi，qi為需對齊的點(diǎn)云，上式是一個高度非線性問題。點(diǎn)云對齊的研究主要集中于追求該問題的快速有效的求解方法。其中最出名的是Basl和Mokay于1992年提出的ICP算法。點(diǎn)云的數(shù)據(jù)精簡指的是由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，在不影響曲面重構(gòu)和保持必然精度的情況下需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。常用的精簡方法可采用以下方式：平均精簡原點(diǎn)云中每n個點(diǎn)保留1個；按距離精簡刪除一些點(diǎn)后使保留的點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)間的距離均大于某值。為了真實(shí)

10、地還原掃描日標(biāo)的本來面日，需要將掃描數(shù)據(jù)用正確的曲面表示出來，這個過程叫曲面重構(gòu)。曲面常有表示種類有：三角形網(wǎng)格，細(xì)分曲面，明確的函數(shù)表示，暗含的函數(shù)表示，參數(shù)曲面，張量積B樣條曲面，NURBS曲面，曲化的面片等。經(jīng)過曲面重構(gòu)后，就可以進(jìn)行三維建模，還原掃描日標(biāo)的本來面日。點(diǎn)云數(shù)據(jù)辦理步驟基本完成，能夠應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來解決問題。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域：近來幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，當(dāng)前三維掃描設(shè)備也逐漸商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于能夠快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這樣一來能夠高效地對真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛假重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為當(dāng)前

11、研究的熱點(diǎn)之一，并在文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害檢查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。1）測繪工程領(lǐng)域：大壩和電站基礎(chǔ)地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河流測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、地道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道地下工程構(gòu)造、測量礦山及體積計算。2）構(gòu)造測量方面：橋梁改擴(kuò)建工程、橋梁構(gòu)造測量、構(gòu)造檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間地址矛盾測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的測量；管道、線路測量、各樣機(jī)械制造安裝。3）建筑、古跡測量方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護(hù)

12、測量、文物修復(fù)，古建筑測量、資料保留等古跡保護(hù)，原址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛假模型，現(xiàn)場保護(hù)性影像記錄。4）緊急服務(wù)業(yè)：反懼怕主義，陸地偵探和攻擊測繪，監(jiān)察，搬動偵探，災(zāi)害估計，交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，滑坡泥石流預(yù)警，災(zāi)害預(yù)警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設(shè)計，為電影演員和場景進(jìn)行的設(shè)計，3D游戲的開發(fā)，虛假博物館，虛假旅游指導(dǎo)，人工成像，場景虛假，現(xiàn)場虛假。三維激光掃描技術(shù)用于壩體變形監(jiān)測可行性和優(yōu)越性傳統(tǒng)對大壩體的變形監(jiān)測都是在堤壩的特點(diǎn)部位埋設(shè)變形監(jiān)測點(diǎn)，在變形影響范圍之外埋設(shè)測量基準(zhǔn)點(diǎn)，如期察看監(jiān)測標(biāo)志相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的變形量。傳統(tǒng)基于點(diǎn)的測量方式，包括GPS測量，特點(diǎn)點(diǎn)的采用直接關(guān)系到監(jiān)測方案可否有效、可靠。特點(diǎn)點(diǎn)的采用存在很大的人為性，若是特點(diǎn)點(diǎn)采用不當(dāng)，監(jiān)測點(diǎn)其實(shí)不能夠最大程度地反響變形體的最大變形，甚至可能存在變形方案無效。同時，監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)數(shù)量多少是傳統(tǒng)基于點(diǎn)的測量方法中的一個重要瓶頸。一方面，我們想盡可