三维激光技术及其应用课件

1、地面三维激光扫描技术及应用开发研究花向红 教授武汉大学测绘学院一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作内 容 一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作2022/7/194一、地面三维激光扫描技术地面三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology) 三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这种技术已经引起

2、了广大科研人员的关注。 通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。 2022/7/195一、地面三维激光扫描技术地面三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology) 是利用激光进行高速、实时、自动获取给定区域目标表面三维坐标的测量技术。是一种大面积高密度的非接触式主动测量技术。激光测量单元进行从左到右，从上到下的全自动步进扫描测量，在激光测量斜距的同时，记录激光光束的水平角和垂直角，从而

3、解算目标相对于仪器中心的三维坐标，并可同时记录反射信号强度值。 地面三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)快速扫描在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹. 现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。 一、地面三维激光扫描技术1 地面三维激光扫描系统

4、组成 扫描单元控制单元电源三脚架和标靶平面靶标（Flat Target）球形靶标（Sphere Target）手持大型三维激光扫描仪 徕卡C10三维扫描仪 三维激光扫描仪 VZ-400按用途分类：可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。 按生产厂家不同：Surphaser（美国），I-site (澳大利亚maptek)，riegl，徕卡，天宝，optect，拓普康，faro等产家。 传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），在现在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的， 在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，现在的三维激光扫描仪

5、每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。 一、地面三维激光扫描技术2 地面三维激光扫描仪扫描定位原理 在仪器内, 通过两个同步反射镜快速而有序地旋转, 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,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间差( 或者相位差) 来计算距离, 同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度, 最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。2022/7/1913一、地面三维激光扫描技术3 地面三维激光扫描仪扫描特点实时、动

6、态、主动性 三维激光扫描系统为主动式扫描系统，通过探测自身发射的激光脉冲回射信号来描述目标信息，使得系统扫描测量不受时间和空间的约束。 高密度、高度灵活性、高稳定性 激光扫描能够以高密度、高精度的方式获取目标表面特征。通过扫描可以获得点云数据（海量数据）。可自由控制采集密度，适应不同的目的。观测过程中无人工干预，由扫描仪内部电子设备自动控制，减少了人工干预的不确定 。 无需和被测物体接触 ，适应性好 三维扫描系统是一种主动式的测量系统，无需合作目标，可以深入到复杂的现场环境中进行扫描，将各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中。其数据采集无论是白天，黑夜，还是恶劣条件天气均可

7、以测量。 可扩展性 三维激光扫描系统可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。一、地面三维激光扫描技术4 地面三维激光扫描仪分类按扫描距离分微距小于1米近距离1米100米中距离100米500米远距离大于500米目前，最长2500米按平台分星载IceSat Cloud and land Elevation Satellite 机载Riegl LMS Q560地面Trimble Mensi GS200一、地面三维激光扫描技术5 地面三维激光扫描仪作业流程一、地面三维激光扫描技术5 地面三维激光扫描仪作业流程2022/7/1917一、地面三维激光扫描技术6 地面三维激光扫描仪关键技术点云获取一、地

8、面三维激光扫描技术6 地面三维激光扫描仪关键技术点云精简(点云压缩) 三维激光扫描仪得到的点云数据是海量数据，由于数据量大得惊人，给数据处理和存储带来了很大困难。要高效率地使用点云数据，必须采取科学方法加以压缩。显然，压缩比越高，压缩后的数据就越少。可是压缩与保真是一对矛盾，压缩比越高，数据损失越多，保真度就越差。如何解决这对矛盾，同时获得高压缩比和高保真度无疑是本项目的关键技术之一。一、地面三维激光扫描技术6 地面三维激光扫描仪关键技术点云配准 由于物体的遮挡、扫描仪的限制等原因,要完成对一个物体的完整三维数据获取,地面三维激光扫描仪需要多测站多角度进行扫描。但在不同测站进行扫描的坐标系不同

9、,因此需要通过点云配准将多站扫描数据拼接到同一坐标系下,以获得物体表面的完整的形状信息。 2022/7/1920一、地面三维激光扫描技术点云滤波点云滤波是利用滤波器/滤波算法滤去不感兴趣数据的处理过程。6 地面三维激光扫描仪关键技术2022/7/1921一、地面三维激光扫描技术点云修复点云的缺陷区域数据去噪产生的空洞6 地面三维激光扫描仪关键技术一、地面三维激光扫描技术点云分割 点云分割是点云数据的标记过程，经过标记后，属性相同或相近、且空间近邻的点被划分为一类。6 地面三维激光扫描仪关键技术一、地面三维激光扫描技术三维建模6 地面三维激光扫描仪关键技术一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光

10、扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作2022/7/1925二、地面三维激光扫描技术的应用1 历史建筑构网TIN贴纹理2022/7/1926二、地面三维激光扫描技术在文物建筑中的应用1 历史建筑二、地面三维激光扫描技术在文物建筑中的应用2 现代建筑二、地面三维激光扫描技术的应用3 文物雕像二、地面三维激光扫描技术的应用传统测量方法3 文物雕像二、地面三维激光扫描技术的应用PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PT8PT9PT10传统测量方法3 文物雕像二、地面三维激光扫描技术的应用传统测量PT1PT2PT3PT4PT5

11、PT6PT7PT8PT9PT103 文物雕像2022/7/19二、地面三维激光扫描技术的应用输出到 CAD 软件数据获取数据编辑(2D or 3D)3 文物雕像2022/7/1933二、地面三维激光扫描技术的应用3 文物雕像2022/7/1934二、地面三维激光扫描技术的应用3 文物雕像2022/7/1935二、地面三维激光扫描技术的应用3 文物雕像二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算城市规划4 地形变化二、地面三维激光扫描技术的应用等高线生成精密体积量算形变分析城市规划5 冰川监测 地形复杂，落差大在珠穆朗玛峰进行冰河监测试验。项目内容：采用激光扫描技术在珠穆朗玛峰进行冰河监测试验的研

12、究。二、地面三维激光扫描技术的应用等高线生成精密体积量算形变分析城市规划6 滑坡监测通过比较扫描区域的两次扫描结果得出结论二、地面三维激光扫描技术的应用等高线生成精密体积量算形变分析城市规划7 大坝监测胡佛水坝对目标距离进行米级精确测量 二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算8 地质测绘利用亮度回返信息和RGB颜色信息可以对地质结构进行详细的分析二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算 9 体积测量爆破前 爆破中爆破后量测方法:在爆破前扫描完整的矿体情况爆破并移走爆破物在次扫描矿体比较爆破前和爆破后扫描的数据以精确计算出爆破前后体积变化情况二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算 10

13、 隧道测量二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算11 虚拟化工厂二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算12 室内改造工程二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算 13 桥上海河南路桥点云图上海河南路桥三维模型2022/7/1946二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算 14 虚拟雷村变电站2022/7/1947二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算15 废料堆地形扫描等高线数字高程模型二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算16 现场保存NASA扫描哥伦比亚号航天飞机碎片二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算 17 现场保存一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技

14、术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发1 项目开发的背景 伴随着三维激光扫描仪的大量引进，应用领域越来越多，三维激光扫描点云数据处理软件的需求也随之越来越大。购买相应的随机商用软件费用高软件功能也不能完全满足不同行业的要求 开发适合我国国情的具有自主知识产权的基于三维激光扫描技术的复制重建系统软件非常必要。2022/7/1952三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发2 项目开发的技术路线基本思路 首先，广泛搜集国内外在此领域的研究现状和研究成果。在认真研究分析现有成果的基础上，找准突

15、破口 然后，集中精力在关键技术问题上集中突破，非关键技术上节约资源。 开发平台选择 在武汉大学多年来自主研发的图形和图像处理基础类库的基础之上，开发三维重建软件系统，兼顾开放体系结构和通用性，同时具备高效、易用、价廉的原则 。 开发环境采用OpenGL作为三维图形渲染引擎，并对其进行面向对象的封装，将c风格的API封装为C+风格面向对象的形式 ，系统采用模块化开发架构，界面采用BCG开发库 ；编译器采用微软公司Visual Studio 2005即VC 8.0三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 软件设计方法 采用MFC扩展DLL方法，将一个MDI应用程序的各个部分拆分到不同的模块，分别

16、开发，然后在集成组装起来。 在MDI主应用程序中实现动态集成，并调度各个模块之间的通讯。 扩展DLL方法可以实现多个MFC程序之间的无缝通讯，包括数据访问，消息发送，消息机制等。2022/7/1954三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发3 现场工作情况三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 4 数据处理 对金刚塔、大理国经幢和唐继尧墓三个景点的点云数据进行处理，并将三景点的点云数据和处理后的数据导入数据库CloudProcess（3DLaserSRS1.0）软件建模后的效果 5 自主开发的软件三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发计算机软件著作权按照云南省科技计划项目任务书基于三

17、维激光扫描技术的复原重建系统开发要求，对系统进行检测，检测合格。5 自主开发的软件三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 系统整个数据处理过程包括：数据采集、数据预处理、几何模型重建和模型可视化等。软件主要功能 点云数据导入 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 点云数据预处理 具有对点云数据进行配准，对点云数据进行去噪、修复、滤波和精简等。 软件主要功能三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 数据库管理 实现三维点云数据、影像数据和模型数据的集中管理。数据库管理具有增加记录、修改记录、删除记录、查询记录和导出记录等功能，为文物的发布与应用、复原与重建工作提供可视化依据 网上发布

18、 扫描的点云可以发布在互联网上，可以网上浏览等功能。软件主要功能三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 点云数据建模 根据点云数据生成三角网、增加删除三角网，以及生成正射影像图等功能。 三维可视化 具有平移、缩放、旋转、全屏、不同视角显示点云图形的功能，也具有对点云数据进行晕渲显示等功能。 灾害评估 具有测算灾前目标物的面积、测算灾后目标物的面积、生成报表、计算灾后损失等功能。软件主要功能三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发6 项目关键技术 点云精简(点云压缩) 三维激光扫描仪得到的点云数据是海量数据，给数据处理和存储带来了很大困难。要高效率地使用点云数据，必须采取科学方法加以压缩。

19、可压缩比与保真是一对矛盾，压缩比越高，数据损失越多，保真度就越差。如何解决这对矛盾，同时获得高压缩比和高保真度无疑是本项目的关键技术之一。 采用了一种基于扫描曲线上各散乱点的曲率大小进行压缩的算法，以曲线上各个点的曲率大小为标准对扫描数据进行精简压缩。三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 海量点云数据的输入和浏览 当超过40万坐标点的点云数据导入AutoCAD数据库时，对其进行浏览和编辑操作，AutoCAD响应相当缓慢，效率十分低下，当对100万点进行编辑时，程序几乎没有响应。 项目组采取了动态调度和多细节层次（LOD）的技术，实现海量点云数据的输入和浏览。 点云数据的修复 对于细节较少

20、或位于规则几何体表面上的缺失数据，采用曲面拟合、多项式插值方法；对于复杂曲面上缺失数据利用立体影像匹配技术生成摄影测量点云，并将其与物体点云精确配准，实现空洞修补；另外还提出了采用径向基函数(RBF)神经网络对残缺数据进行修复的算法和用支持向量机回归模型修复残缺散乱点云的技术方法。 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 点云配准基于物方控制的配准根据标靶的绝对坐标将不同测站扫描的点云数据配准到统一的坐标系中基于目标的配准根据目标将不同测站扫描的点云数据配准到统一的坐标系中基于点云的配准根据点云本身将不同测站扫描的点云数据配准到统一的坐标系中项目组采用了改进的ICP算法和给予几何特征的配准

21、算法 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 点云滤波 滤波是提高点云强度质量的一条途径，而通常的滤波方法都在消除噪声的同时，削弱了一些有效的边缘特征。 项目组采用双谐样条函数对点云数据滤波的技术方法，结果表明该滤波方法 可靠有效、自适应强。同时也提出了基于各向异性扩散思想的自适应点云强度滤波算法，有效地提高了点云强度信息质量。三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 三维建模 传统的三角网构造技术对10万点以内具有比较好的效率，当超过10万点时，效率明显降低，甚至程序无法继续执行。 针对点云数据特点，运用Delaunay三角网生成算法，进行点云数据建模。其原理如下： 首先进行点云粗分组

22、,然后从最高点根据Delaunay划分原则,按照循环扩展的思路生成三角形网格；通过控制合适的三角形生长条件,有效避免了三角面片交叉错乱、退化、法向量不一致缺陷。 通过分析制约算法效率的主要因素，在其关键环节上加以改进和优化，提高了算法的运算速度。 该算法能一次性处理数百万个点云数据，经实践验证，其计算时间几乎与点数成线性关系。 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 项目组基于三维激光扫描技术，进行了三维复原重建系统的开发，主要有以下成果：提出了以三维激光扫描技术为基础的文物建筑复原重建新方法，设计了一套相应的实施方案开发出了具有自主知识产权的软件系统，实现了对三维数据的低成本、高效率的收

23、集管理实现了三维数据的后处理、成果发布及灾害评估，为文物建筑的复原和重建提供了依据，达成了计划任务书中的要求。 7 主要研发成果三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统1 项目立项背景 随着社会经济的快速发展，我国城市化程度的提高，城市居民越来越多，电网建设的架空模式已不适应城市空间的环境要求，电缆隧道工程为高压线开辟了地下通道，因此电缆隧道的施工测量和监测成为了一个新课题。 城市电缆隧道特点 线路长、直径

24、相对较小、工程成本低 城市电缆隧道施工受地面、地下各种条件限制很大 城市建筑密度大、各种路网以及地下管网错综复杂四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统2 基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统 将三维激光扫描仪采集的电缆隧道点云数据进行粗差探测及剔除、数据归一化、切片点云提取、数据配准、数据简化等预处理操作，利用横断面提取的相关理论进行电缆隧道的切片点云的提取，提取不同位置隧道的切片点云，对于提取的切片点云进行电缆隧道几何参数的提取，再通过提取的几何参数选择不同结构的电缆隧道的变形分析模型，针对不同变形分析模型进行数据建模、分别以图形和报告的形式输出分析结果等各项处理，最后提供可用于电缆隧道整体分

25、析的切片点云及几何参数，输出相同位置不同时间的几何参数变化情况，并根据几何参数变化状况分析电缆隧道的变形情况，同时以报告和图形的形式输出电缆隧道的变形趋势。 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统工程编辑横断面提取配准噪声剔除几何参数变形分析有标靶配准无标靶配准圆形隧道马蹄形隧道矩形隧道矩形隧道圆形隧道右侧面左侧面中心轴线顶面半径重心垂距帮助中心轴线重心距约束平面横断面提取变形分析基于标靶自动提取双侧切片单侧切片圆形隧道矩形隧道马蹄形隧道四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统研究了点云数据预处理方法。提出了基于标靶的配准算

26、法和在无标靶情况下改进的ICP配准算法；依据正交距离限差，提出了剔除圆形和矩形隧道管壁外的噪音数据剔除算法；根据城市隧道特点，研究了扫描仪视场范围对基准面提取切片的影响，给出了基于标靶双侧切片、基于标靶单侧切片点云算法及自动提取双侧切片点云算法；研究了隧道几何参数信息的提取方法；给出了电缆隧道几何参数及变形分析结果输出方法。3 主要成果四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统4 点云配准 配准是将不同测站测得的点云数据归一到统一的坐标系中，配准需要的基本条件是同名点的获取，同名点可以通过粘贴标靶的方式获取，该方法被称为基于标靶的点云配准，再已知同名点的情况下，配准的方法主要有基于罗德里格矩阵的配

27、准、基于六参数的配准、基于四元素的配准 。 有标靶配准结果 配准场景四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统无标靶配准 ICPG-ICPKNNS-ICPG-KNNS-ICP迭代时间(s)2008.731136.3813.363.699拟合平面距离中误差(m)特征平面10.00320.00430.00370.0032特征平面20.00250.00310.00270.0028拟合平面夹角()特征平面10.63870.57530.63350.6099特征平面20.08970.18310.13940.0868不同方法对比分析 G-ICP:改进的ICP方法; G-KNNS-ICP:改进的KNNS-ICP表

28、分析可知：本项目确定的改进的KNNS-ICP方法最优。四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统5 噪声剔除 对于隧道扫描的点云数据，存在着一些噪声，噪声即为远离隧道内壁的点云，由于隧道内壁布设了大量的电缆设备，在扫描的过程中将会有大量的电缆设备点云，该点云数据对于隧道内部的分析会产生一定的影响，因此需要对其进行剔除，对于不同类型的隧道的噪声其剔除的方法也不相同，因此可以分为圆形隧道的噪声剔除，矩形隧道的噪声剔除。 圆形隧道的噪声剔除是针对圆形隧道的特点进行的噪声剔除方法，其主要采用中心轴线法，即计算隧道内壁点云到中心轴心的距离，而进行的剔除操作。 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统 矩形隧道

29、的噪声剔除是针对矩形隧道的特点进行的噪声剔除方法，其主要采用平面拟合方法，即计算隧道内壁点云到最近拟合平面的距离，而进行的剔除操作，由于矩形隧道存在顶面和侧面，因此其噪声剔除分为顶面的噪声剔除、左侧面的噪声剔除和右侧面的噪声剔除。四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统6 切片点云提取 需切片的点云 基于标靶切片点云提取 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统切片点云提取 需切片的点云 自动提取切片点云 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统7 几何参数提取 几何参数提取是根据隧道的特性所提取的用于隧道变形分析的一些参数，比如对于圆形隧道，存在设计的理论半径，因此可以提取圆形隧道的半径，同时圆形

30、隧道存在理论设计重心距，因此可以提取圆形隧道的重心距，以及矩形隧道的重心距、垂距等。几何参数提取分为三个子模块：圆形隧道、矩形隧道、马蹄形隧道 step1step2step3四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统8 变形分析 变形分析是利用所提取的不同类型的几何参数进行的隧道变形分析，其所分析的是隧道内壁受挤压的状态及下沉的程度，由于不同类型的电缆隧道所提取的参数不一样，因此对于不同的隧道采用不同的变形分析方法，对于不同类型隧道的变形分析方法需要采用不同的分析模式。针对不同类型的隧道，本软件设计了圆形隧道、矩形隧道和马蹄形隧道的变形分析方法。 圆形隧道横断面半径分析 四、基于三维激光扫描的电缆

31、隧道分析系统矩形隧道和马蹄形隧道的变形分析一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作 三维激光扫描仪作为测绘科学的领先产品，具有鲜明的优势，广泛的应用。三维激光扫描仪的存在的问题：三维激光扫描仪售价太高，难以满足普通化需求；仪器自身和精度的检校存在困难，检校方法单一，精度评定不好；点云数据处理软件没有统一化，各个厂家都有自带软件，互不兼容；精度、测距与扫描速率存在矛盾关系。三维激光扫描仪的发展趋势：三维激光扫描仪国产化，研制具有自主知识产权的高精度仪器；点云数据处理软件的公用化和多功能化，实现实时数据共享及海量