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激光扫描仪的应用


激光扫描仪的应用

学院:能源学院 班级:采矿 1 班 学号:201212556 姓名:刘 黎 明

激光扫描仪的应用

摘要:地面三维激光扫描仪是一种新的测绘技术手段,能快速地获取测量目标的 三维坐标及其其他相关信息, 带来了一场变革。文中讨论了地面三维激光扫描仪 的特点、工作原理、以及工程应用。

/>关键词:新技术;地面激光扫描仪;工程应用

地面三维激光扫描仪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水平方向、 天顶距、斜距和反射强度,自动存储并计算,获得点云数据。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,它的出现立刻引起人们的极大兴趣,在诸多方面的应用研究 也随即展开,并取得一系列成果。 1. 三维激光扫描仪系统的分类 地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表! 有人称, 三维激光扫描系统- 是继-1X B-Y)dDY 1)PJKJ)I XWPK[]i 技术以来测绘领域的 又一次技术革命当今! 许多公司厂家都提供不同的类型的扫描仪! 其种类( 功 能和性能指标不尽相同如何对烦杂多样的激光扫描仪根据不同的应用目的进行 正确的认识和客观的选择! 使得对三维激光扫描仪进行系统的分类势在必行。
1.1

激光扫描系统分类

我们从扫描的空间位置或系统运行平台来划分!可分为如下三类 1) 机载型激光扫描系统。这类系统由激光扫描仪。飞行惯导统定位系统。成像 装置计算机以及数据采集器( 记录器( 处理软件和电源构成j-1X系统给出成 像系统和扫描仪的精确空间三维坐标! 惯导系统给出其空中的姿态参数! 由 激光扫描仪进行空对地式的扫描来测定成像中心到地面采样点的精确距离! 再根据几何原理计算出采样点的三维坐标 2) 地面型激光扫描仪系统。 此类别可划分为两类! 一类是移动式扫描系统! 一 类是固定式扫描系统所谓移动式扫描系统!它是集成了激光扫描仪!SSj相机 以及数字彩色相机的数据采集和记录系统!-1X接收机! 基于车载平台! 由激 光扫描仪和摄影测量获得原始数据作为三维建模的数据源而固定式的扫描仪 系统类似于传统测量中的全站仪! 它由一个激光扫描仪和一个内置或外置的 数码相机! 以及软件控制系统组成二者的不同之处在于固定式扫描仪采集的

不是离散的单点三维坐标! 而是一系列的,点云- 数据这些点云数据可以直 接用来进行三维建模! 而数码相机的功能就是提供对应模型的纹理信息。 3) 手持型激光扫描仪是一种便携式的激光测距系统! 可以精确的给出物体的长 度! 面积! 体积测量可以帮助用户在数秒内快速的测得精确( 可靠的成果应 用范围包括古建筑重建( 建筑应用( 洞穴测量和液面测量等! 此类型的仪器 配有联机软件和反射片" 如莱卡的迪士通系列产品。

1.2地面三维激光扫描系统的分类
针对本文的重点我们将讨论地面固定式三维激光扫描仪系统的类别划分。 通常不同的思考角度会导致不同的分类结果,在此分类中我们考虑如下因素: ——仪器扫描的方式(例如水平360度扫描,瞬时视场的大小,扫描断面); ——仪器的偏差系统(仪器的轴系旋转或镜面旋转方式); ——与其它仪器的结合应用, 如内置或外置的相机, GPS接收机等; 1) 按照激光光束的发射方式划分为: 灯泡式扫描仪; 三角法扫描; 扇型扫描仪。 2)按照扫描仪的扫描成像方式划分分为: (1)摄影扫描式! 此类型的扫描仪扫描瞬时视场(FOW)有限,它与摄影测 量的相机类似。 莱卡的GYRA2500(HDS2500)和OPTECH的ILRIS 3D扫描仪属于此类 型! 它适用于室外物体的扫描! 尤其是对于长距离的扫描很有优势。 (2) 全景扫描式。 此类型的扫描仪视场局限于仪器的自身如三角架。 (3) 混合型扫描式。它集成上述两种类型的优点, 水平方向的轴系旋转不 受任何的限制。 而垂直的方向上的旋转受镜面的局限。

图2

按扫描成像方式分类

3)按照扫描仪测距原理划分 前面提到, 地面三维激光扫描仪对目标进行扫描时,与无反射的电子全站仪 相似, 获得的是扫描仪中心与被扫描物体的表面的两个夹角和一个斜距,三维激 光扫描仪常用测距原理包括: (1)基于时间漂移原理。大多数的扫描仪测距都是采用这种原理,这种原理 测距范围可以达到几百米, 甚至扫描范围达到千米也是可能的。但是在大范围内 的扫描测距,精度相对较低。

(2) 基于相位测量原理主要用来进行中等距离的扫描测量。扫描范围通常 限制在100m内,与时间漂移原理相比" 它的精度可以达到mm级。 (3) 基于激光雷达或光学的三角测量原理 为了保证扫描的完整性, 许多的扫描仪只扫描几米到数十米的范围* 它们主要用 于工业测量和反向工程中, 它可以达到亚毫米级的精度,通常这种扫描仪不分在 地面激光扫描仪的范围之内。

2、地面三维激光扫描仪精度试验
目前地面激光扫描仪已经得到广泛应用。在一些应用中,如文物保护、工厂 设施、资料文本等,不需要特别在乎其测量精度,通过数据预处理、剔除粗差、 后处理后基本能达到厘米级精度。但如果应用到精密工程测量中,需要达到毫米 级精度,则必须顾及测量精度。由于扫描仪总体上还是个黑箱系统,其误差的研 究方法因仪器而定,故目前还没有一个统一的方法。显然,激光扫描仪测量点的 精度与角度测量和距离测量有关。 由于角度的测量精度由仪器内部元器件的分辨 率决定,也与安装不准确有关(如轴系不相互垂直),而且测角系统是个黑箱, 因此现在主要究的是其距离测量的精度。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 测量的长度有关。 苏黎世高等工业学院对ZOiier + FrOhiich 公司的IMAGER 5003 激光扫描仪 进行了一些试验研究。重点是距离测量精度,也包括角度测量精度、单点测量精 度、模型化测量点精度(球体)以及仪器其他误差等。图3 是他们用IMAGER 5003 在室内以不同形状和材料为对象, 用扫描仪测量的距离和标准已知距离对比的实 验结果。旋转一块白板,以改变扫描仪激光的不同入射角。图4 表现的是在 不同距离和入射角条件下, 测量的距离与标准已知距离的比较结果。由此试验可 以看出,对不用的距离、不同的材料,不同的入射角,距离测量的精度在几毫米 和数十毫米之间,这是在应用时必须引起注意的。

3 地面三维激光扫描仪的工程应用
由于三维激光扫描仪可大面积、高密度地采集空间三维数据,目前在以下的 领域已经得到广泛地应用; (1)三维激光扫描仪在地质矿产的应用:三维激光扫描仪在地质和矿业方面 的应用非常广泛。在地质方面的应用,包括对地质填图的编录,在探矿工程方面 的地质编录,以及一些样本的采样编录。通过三维激光扫描仪的使用,能够对矿 区的地形、地貌等进行扫描计算以及绘制,建立相关的数据库。通过对地形地貌 的测量绘制以及数据库的建立等,可以使得一些后期的勘探设计,具体操作安排 等都可以通过数据库而得到信息,减少了大量的外出采集数据的程序,在室内就 可以很好的完成, 由此而极大程度的提高了工作的效率精确度。三维激光扫描仪 在矿业方面的应用也是非常广泛的。在矿床的勘探方面,三维激光扫描仪能够用 于矿体取样的指导,矿体矿床的质量评定,对矿体结构进行勘探预测,以及数据 储备和质量分析等方面的应用研究。 三维激光扫描技术在矿山方面的应用也很多, 对于矿山的数据处理, 能够采用三维激光扫描技术进行矿山的数据采集,绘制云 图, 然后经过数字化的矿山软件实现高效经济的矿业工作。三维激光扫描技术能 够对巷道进行精确的三维测量,对于其修复变形监测等都具有实际的指导作用。 三维激光扫描技术能够完成采矿设计,空区的充填以及安全方面的工作预测,对 多个方面都有科学的指导意义。 对于一些沉陷等事故,三维激光扫描技术能够快 速准确的检测到,对安全生产提供强有力的保障。 (2)地面景观形体测量:地面景观形体测量可为三维数字化设计、三维测量 及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务,能够快速、高精度地完成 复杂的古建筑结构测量、大型景观三维数字设计与模板制作。 (3)复杂工业设备的测量与建模: 很多工厂管线林立, 纵横交错, 形状各异, 用摄影测量方法难以找到同名点,效率低下,其他传统的方法更是无能为力。而 利用激光扫描仪进行分段扫描, 获得在各站上复杂工业设备的三维点云数据,再 将不同站上的点云数据通过数据预处理以及粗差剔除、利用公共J瓿进行拼接、 合并和应用相应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型, 为设备的制造和工 厂规划提供可视化的三维模型参考,极大提高了工作效率。 (4)建筑与文物保护:在以前也是以摄影测量为主,但现在更愿意用激光扫 描仪来完成。其工作流程基本上同(2)。这样做成的电子文献,易于保存,能详 细了解表面,随时方便地得到等值线、断面、剖面等。当建筑和文物遭到破坏后 能及时而准确地提供修复和恢复数据。 (5)城市三维可视化模型的建立:在街道上对建筑物的内外部进行三维激光 扫描,扫描的点云数据经过数据预处理、剔除粗差、拼接和合并,运用数据滤波 和分类算法获得地面高程数据以及地物数据(必要时结合航片)。 地面高程数据用 于建立高精度的数字地面模型; 地物数据经提取和目标识别处理可实现城市三维 模型的建立。也适用于GIS数据库更新、旅游向导和虚拟现实制作等。带状地形 测图测量和矿山测量:这项工作以前主要用地面摄影测量、全站仪和GPS RTK为 主来完成。 现在同样可以用扫描仪来快速高效地完成。即分段扫描野外的局部带 状地形区域,在具有一定重复扫描区域内,拼接、合并三维测量数据,生成带状 影像图, 再通过测量一定量的控制点转换到国家或城市坐标系中,用地形和地物 的三维点云数据建立模型,生成带状地形图,主要用于线路两旁(铁路、公路、 河流两岸等)的局部不规则带状地形图测量。同样可以用于矿山的地形、体积、

塌陷规模等测量工作。 (6)森林和农业资源调查:应用激光扫描仪对森林里的树木进行扫描,可以 较准确地获得用传统方法只能估计得到或者只能近似测量才能得到的表征木质 的重要参数(曲直度,可砍伐性等),可以非常准确了解某时刻的森林现状。不同 时间测量结果比较还可以了解森林动态变化。另外还可以得到其他信息,如通过 测量的树的分枝结构来确定土质,估计二氧化碳的含量;测量资料还能得到数字 地面模型等。变形监测:传统的变形测量方式(GPS/全站仪+棱镜测量/近景摄 影测量等)进行变形监测时,需要在变形体上布设监测点,而且点数有限,这些 点的两期测量的坐标之差获得变形,精度很高(一般可以到毫米级)o但从有限的 点数所得到的信息也有限, 不足以完全体现整个变形体的实际情况。而地面激光 扫描仪可以以均匀的精度高密度地测量,测量的数据可以获得更多的信息,特别 是局部详细变形信息。 总之, 作为一种新型的测量技术,地面三维激光扫描仪在以上的应用仍是一 种探索性的,还有很多的理论与实际问题需要继续试验研究。

3

维激光扫描仪的特点及其发展

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3 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,三维激光扫描仪与传统的测量方法 比较,有如下优点: (1) 速度快,节约大量的时间,测量完整和精确; (2) 不需要接触物体,昏暗和夜间都不影响外业测量; (3) 特别适合测量表面复杂的物体及其细节的测量; (4) 快速和准确地确定表面、体积、断面、截面、等值线等; (5) 方便将3D 模型转换到CAD 系统中。当然,三维激光扫描仪与传统的测 量方法比较, 还存在一些问题: (1)三维激光扫描仪是个黑箱系统,难以检验和检校; (2) 还不能完全胜任高精度的工程测量工作; (3) 处理的数据量大,需要特殊的软件; (4) 模型构建有一定的主观性; (5) 设备费用太高。 今后三维激光扫描仪的研究和进一步应用主要 体现在以下几个方面: (1) 进一步提高精度,解决精密工程测量问题和工业测量问题。 (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, 相互利用其优点,扩展应用领域,提高工作效率。 (3) 数据处理软件的已有功能的完善与新功能的进一步开发。 (4) 进一步研究3 维激光扫描仪从静态测量到动态测量的各项指标。 (5) 进一步研究新的传感器, 如新型的PMD 相机 (Photonic-Mixer-Device) 的出现, 又为我们提供了一种新的手段。PMD 相机也就是在CCD 的每一个像素上 都装有距离测量传感器, 这样就可以在一瞬间直接获得从相机发出的激光斑点的 三维坐标和强度。这类仪器的测距采用脉冲法,测程比较短(1 ~10 m),测距 精度不很高(厘米级)。如苏黎世CSEM公司生产的SwissRanger 3D 传感器,它

基本上是便携式,价格便宜,处理速度很快,也将会有广阔的应用领域。


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