三维激光扫描技术与应用实例

维激光扫描技术与应用实例三吴旭祥

随着科技不断发展,测绘技术不断更新，地形测量的方法由传统的平板白纸测图、经纬仪测图等，发展到现在的全站仪、GPS实时动态定位(RTK)、数字摄影测量等，近几年，地形测量一体化技术飞速发展，测量领域的高精度仪器越来越多。三维激光扫描仪就是其中的一种，它的发展更推动了地形测量向高科技立体图形的发展。传统地形测量平板白纸测图经纬仪测图现今地形测量全站仪测图GPS-RTK测图数字摄影测量地形测量一体化·三维激光扫描

数字测图技术的发展

三维激光扫描技术的概念三维激光扫描仪（3Dlaserscanner）通过放射激光来扫描获得被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器。三维激光扫描技术(3DLaserScanningTechnology)

三维激光扫描技术，是通过三维激光扫描仪获得目标物体的表面三维数据；对获得的数据进行处理、计算、分析；进而利用处理后的数据从事后续工作的综合技术。三维激光扫描技术又称为“实景复制技术”，它不同于单纯的测绘技术，主要面对高精度逆向工程的三维建模与重构。接受非接触目标的方法，无需反射棱镜，对扫面目标物体不需进行任何表面处理，干脆采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实牢靠。非接触测量采样点数据远远高于传统测量的采样点数据,脉冲式激光扫描方法的采样点数可达到数千点/秒,而相位式的激光测量更可高达数十万点/秒。数据采样率高三维激光扫描技术可以不受扫描环境的影响主动放射激光,通过自身放射的激光的回波信息来解得目标物表面点的三维坐标信息。主动放射扫描光源三维激光扫描可以快速的获得高精度,高辨别率的海量的点位数据,就可以高效率的获得目标物表面点的三维坐标,从而达到高辨别率的目的。高辨别率、高精度通过干脆获得数字信号采集数据的,所以具有全数字特征,便利进行后期处理和输出,且它的后期处理软件与其他软件有很好的共享性。数字化兼容性好多学科融合涉及现代电子、光学、机械、限制工程、图像处理、计算机视觉、计算机图形学、软件工程等技术，是多种先进技术的集成。

三维激光扫描技术的特点传统工程测量中，对三维数据的获得主要有：RTK定位皮尺量测全站仪特征点采集基于光学摄影测量原理的近景摄影测量、航空摄影测量等;接受三维激光扫描技术的方法：无需设置反射棱镜进行无接触测量，在人员难以企及的紧急地段运用优势明显;突破单点测量方式，以高密度、高辨别率获得扫描物体的海量点云数据，对目标描述细致、采样速率高，传统方法难以实现；三维激光扫描技术与传统测量技术的区分B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23三维激光扫描仪可以获得高密度的观测目标的表面海量数据，采样速率高，对目标的描述细致。三维激光扫描技术与传统测量技术的区分三维激光扫描仪按扫描平台机载激光扫描系统地面型激光扫描系统便携式激光扫描系统有效扫描距离短距离激光扫描仪中距离激光扫描仪长距离激光扫描仪航空激光扫描仪其最长扫描距离不超过3m，适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且精度较高最长扫描距离小于30m，多用于大型模具或室内空间的测量扫描距离大于30m，主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量扫描距离大于1km，并且需要配备精确的导航定位系统，可用于大范围地形的扫描测量

三维激光扫描仪的分类1.生产厂家较少，三维激光扫描仪市场近乎垄断；2.新技术的前期应用伴随着高投入；3.三维激光扫描仪的运用单位较少；

三维激光扫描仪作为测绘界的最新技术和仪器，在国内的应用还处于起步阶段，有以下几个方面的问题和发展趋势：越来越多的国内外测绘仪器厂家起先涉足三维激光扫描仪的研发生产工作，越来越多的生产施工单位起先熟悉并运用三维激光扫描仪，仪器的价格会随之下降。仪器价格较昂贵难以满足一般用户的需求精度检测没有形成完整体系硬件得到进一步改进，激光扫描仪有更高的测量精度，应用精度会不断提高，各系统之间的融合性会逐步加强。工程应用技术标准和规范还未出台；数据精度处理算法应用滞后；各品牌仪器的数据兼容性差；数据处理方法较繁琐点云数据的内业处理相对繁琐；数据处理方法尚未完善；数据处理软件功能会不断加强，三维建模的方法会不断优化。

三维激光扫描技术存在的问题与发展趋势三维激光扫描技术的组成核心是激光放射器、激光反射镜、激光自适应聚焦限制单元、CCD技术、光机电自动传感装置等。利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，获得大量的点云数据，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。系统组成工作原理

三维激光扫描系统的组成和原理由激光器对被测目标放射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲来回的时间来算出目标的距离：t的测量：在确定时间起始点之间用时钟脉冲填充计数。t开始结束t=NT时钟脉冲测距方法——脉冲激光测距

三维激光扫描系统的组成和原理接受无线电波段的频率对激光束进行幅度调制并测定调制光来回一次所产生的相位延迟，再依据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经来回所需的时间。t短距离、高精度，精度可达毫米级。

三维激光扫描系统的组成和原理测距方法——相位差测距测量过程中由投影装置把光栅图像投影到被测物体表面,同时运用相机拍摄下经被测物体表面调制而发生变形的光栅图像,然后通过对变形的光栅图像进行处理,计算出代表物体高度的相位信息。

三维激光扫描系统的组成和原理测距方法——结构光测距

原理

参数飞行时间结构光脉冲法相位差法激光发射装置固体激光器（红宝石、YAG）连续光源激发器（He-Ne）连续光源激发器（He-Ne）测量距离远近非常近测量精度低高非常高扫描速度慢快慢

三维激光扫描系统的组成和原理测距方法——不同测距原理技术的对比精确度Accuracy：是指测得值与真实值之间相符合的程度。精密度Precision：指在相同条件下N次重复测定结果相符合的程度。鉴于不行能获得真实值，只能用更精密仪器的测量值作为近似真实值，且精确度与精确度之间有确定的相关性，故实际中用精确度Accuracy来衡量仪器的测量性能。

三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数——精确度与精密度扫描仪供应的精度参数点位精度距离精度角精度表面建模精度标靶获得精度

三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数——辨别率扫描辨别率包含以下参数：

光斑大小点间距距离辨别率一般来说，辨别率越高，表面建模精度越高，重建得到的模型越精细。辨别率随测距原理、实测距离的变更而变更：

距离越远光斑越大距离越远点间距越大物理定义：单位时间内扫描物体的长度厂商定义：单位时间内放射（接收）激光点数（受散射等缘由，激光放射/接收装置放射N个激光点仅能接收到N/3—N/5个点）

三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数——扫描速度主要技术参数——激光放射频率激光放射频率—PRR(Pulse

Repetition

Rate)激光脉冲的放射频率越高，在单位时间内所放射的激光点的数量越多主要技术参数——激光放射频率反射率—投射到物体上面被反射的激光能量与投射到物体上的总激光能量之比,干脆影响到激光扫描仪的实际测距实力。当PRR=f时，放射相邻两个激光点的间隔时间：则单位时间内可以放射的激光点数量N为：这与厂商的扫描速度定义相同因此也有厂商将激光放射频率称作扫描速度

三维激光扫描系统的主要技术参数PRR与单位时间放射点数N的关系当PRR=f时，放射相邻两个激光点的间隔时间：光速为C，则扫描仪理论最大扫描距离D为：频率越高，射程越近这也是相位式扫描仪普遍射程偏近的缘由PRR与扫描距离（激光射程）的关系

三维激光扫描系统的主要技术参数扫描距离越远，辨别率越低为了获得更精确的模型，就须要增加PRR以增加放射激光点数量相应地也就增加了扫描时间辨别率与表面建模精度有关与测量精度无关，厂商往往将之混为一谈

三维激光扫描系统的主要技术参数扫描距离（激光射程）与精度的关系扫描距离（激光射程）与辨别率的关系精度与辨别率的关系扫描距离越远，精度越低当反射率、扫描距离固定时，可以来衡量三者之间的关系：由于对于实际的待测物体，反射率与扫描距离总是固定点，对任何品牌的扫描仪都是这样，而辨别率则由用户具体需求确定，也可认为是固定值，因此：PRR越高的扫描仪，其扫描速度越快。这也是相位式扫描仪宣称速度快的缘由。辨别率越高，扫描速度越慢PRR越高，扫描速度越快PRR、辨别率与扫描速度的关系

三维激光扫描系统的主要技术参数

三维激光扫描系统的主要应用领域从应用领域上分：从用途上分：工厂数字化三维设计改造数字城市管道三维工程改造重新设计数字文物（大佛雕塑景观小区）存档矿区土方开挖断面和体积量测建立三维数字化多源数据库地形测量土地资源调查建筑物平、立、剖面图的制作船舶外形测量考古现场记录事故现场调查工程施工质量监控，规划，管理采矿业、测绘工程、结构测量、逆向工程、数字城市、数字工厂、文物疼惜、虚拟现实、医学、消遣业、土木工程等。数值计算形变分析——重建目标三维模型——距离测量、面积计算、体积计算、容积计算——前后测量数据对比，分析表面形变三维重建隧道量测的主要方面轮廓线放样掌子面定位钢架安装定位开挖方量计算超欠挖分析掌子面测量超前地质预报红外探水地质雷达TSP超前水平钻加深炮孔岩层结构分析喷浆平整度断面分析喷浆厚度分析二衬厚度分析喷浆厚度分析变形监测施工量计算隧道工程监控

三维激光扫描系统在隧道施工的应用

三维激光扫描系统在隧道施工的应用隧道施工与验收针对隧道工程施工的特殊性，使得隧道测量变成了测量学的难题隧道挖方量的计算多挖欠挖比较紧急的环境怎样快速的获得数据这些随着三维激光扫描技术在隧道施工验收方面的应用变的迎刃而解，为隧道施工节约大量成本，降低外业的紧急系数，为隧道施工验收供应最好的解决方案。三维激光扫描法与传统隧道测量系统（TMS）方法对比

三维激光扫描系统在隧道施工的应用两种方法的效率耗时（分钟）

三维激光扫描系统在隧道施工的应用具体施工步骤：

提前将全部的设备、棱镜、参考球的高度，调成一样。

三维激光扫描系统在隧道施工的应用第一步:起先测量,勘测脚架和参考限制点

三维激光扫描系统在隧道施工的应用其次步:参考球取代棱镜，三维激光扫描仪起先测量采集

三维激光扫描系统在隧道施工的应用点云数据预处理将扫描到的数据导入仪器自带的后处理系统中，对所有站点扫描数据进行坐标变换，使其位于同一坐标系内点云配准除去点云数据中由于某些环境因素的影响，比如行人和被测实体表面存在的缺陷等点云去噪数据精简

在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下，对数据进行精简，从而减少数据的处理量，提高处理速度。数据导出

三维激光扫描系统在隧道施工的应用第三步:在Scene软件中利用固定限制参考点实现配准拼接

三维激光扫描系统在隧道施工的应用可利用信息:

脚架上的扫描数据点

脚架上的参考球

内建倾角探测器第四步:固定点的配准

三维激光扫描系统在隧道施工的应用优势:-在现场耗时是原来的¼-后续处理时间只需原来的¼-精确度的提高第五步:过滤器（去噪）和点云数据稀释（精简）

三维激光扫描系统在隧道施工的应用优势:内存消耗削减16倍噪声削减4倍第六步:清扫后的点云,纯隧道数据——三维视图

三维激光扫描系统在隧道施工的应用第七步:连续5站的扫描–3D视图

三维激光扫描系统在隧道施工的应用第八步:导入数据到专用的隧道软件RR-Tunnel第九步:统一扫描点的辨别率

三维激光扫描系统在隧道施工的应用定义点距统一点云的辨别率第十步:在RR-Tunnel中生成点云

三维激光扫描系统在隧道施工的应用隧道计算结果

三维激光扫描系统在隧道施工的应用依据之前的设置，计算实测断面实测与设计断面轮廓之间的偏差立刻显示出来自动输出AutoCAD的*.dwg格式

三维激光扫描系统在隧道施工的应用

三维激光扫描系统在隧道施工的应用生成三维视图生成隧道体积和表面积的计算结果报告自动计算如下·:理论体积实际体积过挖体积欠挖体积理论表面实际表面

…显示限制区内的欠挖点

三维激光扫描系统在隧道施工的应用

限制区内点的三维数据被输出到全自动的隧道施工机械中，解决超欠挖问题。将点云数据的三维坐标数据导入到全站仪中，全站仪可以用可见激光指示这些点，指导挖机施工。

三维激光扫描系统在隧道施工的应用测量结果指导现场施工

三维激光扫描系统的其他应用矿山、油罐、土石方，是三维激光扫描最强的领域，以海量的真值计算体积，可以动态实时的测量并上传。体积的计算：

三维激光扫描系统的其他应用建立数字三维城市：从测绘的角度，建立厘米级、真彩色、真三维的数字城市模型。考古文物疼惜：

三维激光扫描系统的其他应用考古挖掘现场记录、文物数字化模型、文物复原。