三维激光扫描仪范文1
关键词：机载激光扫描仪； 点云； 三维重构
DOIDOI：10.11907/rjdk.162060
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号：1672-7800（2016）012-0087-02
0 引言
机载三维激光测量技术是一项前沿性研究课题[1]。机载三维激光扫描仪具有很多传统测绘仪器无法比拟的优越性，有着广泛的应用领域[2]，如地形测绘、灾害调查与环境监测、森林数字高程图获取、城市三维建模等，还应用于工程建设、逆向工程、电线管道布局、3D打印等领域。我国大部分激光扫描仪主要靠国外公司提供相关技术支持。研制出拥有自主知识产权的机载三维激光扫描仪具有重要意义。本文以扫描仪系统硬件为出发点，介绍硬件系统架构及其技术难点，针对硬件特点分析软件功能需求，最后利用点云库完成软件系统开发。
1 系统硬件架构
1.1 硬件架构分析
本系统分为仪器和软件两个部分。仪器设计需满足测量要求，实现高速精准扫描、全波段数据采集，具有效率高、可靠性好、便于维护等特点。仪器系统主要由6个部分组成，即激光发射系统、光学扫描镜与收发光路系统、高精度时间测量系统、高精度频率源系统、数据采集与处理系统、图像处理系统，如图1所示。
1.2 仪器功能实现
硬件系统的核心为扫描镜收发光路系统、高精度时间测量与控制系统和数据采集系统[4]。收发光路系统主要包括卡塞格林望远镜、变焦扩束准直系统、窄带光滤波等。由于激光的单色性较好，主要对蓝绿光波进行接收，采用可变增益的PMT光电倍增管，实现100dB的动态接收范围，确保能够接收到微弱的回波信号。
扫描仪测距由一个高精度时间测量系统实现，采用FPGA搭建控制电路来控制时间脉冲触发，采用先进的时间频率测控技术驯服高稳定度的铷原子钟，将高稳定度、低相噪双槽恒温晶振锁定在铷原子钟上，将GPS卫星的长期稳定性原子频标的中期稳定性与高稳晶振的短期稳定性完美结合，使采样频率同步在GPS原子钟信号上，保证激光扫描仪的探测精度。
数据采集系统由高速数字采集卡和磁盘阵列存储服务器构成。高速数字采集卡将光电转换系统输出的回波模拟信号转换为数字信号。机载三维激光扫描仪的探测发射脉冲宽度小于5ns，保证回波脉冲数据采集时不失真，系统设计的回波采样率达到1GHz，采样位数为12位。
2 系统需求分析
机载三维激光扫描仪主要用在测绘领域，分为近距离和远距离两种，其中远距离激光主要是激光雷达系统，近距离扫描仪主要为微软的Kinect[3-4]。
机载三维激光扫描仪软件系统关键为点云数据读取、数据分析处理及场景重建。所设计的软件要能够处理扫描仪的原始数据，包括数据分析处理、滤波精简、三维重建等。
软件系统主要由4个部分组成，包括数据读写、点云显示、滤波、网格重建[5]。实现激光扫描仪数据处理和使用，与扫描仪器构成一套完备的测绘系统，软件系统功能模块如图2所示。
3 系统软件实现
软件系统的关键技术在于点云读写存储、滤波和网格重建。基于QT平台和PCL（Point Cloud Library），通过CMake编译VTK（Visualization Toolkit）QT插件，实现可视化与点云库协同操作，由QT提供交互界面。
点云读写存储由PCL提供的IO类继承而来，主要针对PCD格式的点云数据和PLY格式的网格数据[6]，格式统一，便于数据处理。读取点云数据时先根据文件后缀判断格式，是否以.pcd或者.ply格式结尾，是则读取，否则返回。读取后对数据进行稀疏判断，若为密集数据，则从数据中剔除NAN字符，完成数据读取。同理，完成点云的存储操作，作下一步处理，读取点云数据的程序代码如下：
QString filename = QFileDialog：：getOpenFileName（this， tr（"Open Point Cloud"），"D："，tr（"Point Cloud Data（*.pcd *.ply ）"））；
PCL_INFO（"File chose： %s＼＼n"， filename.toStdString（）.c_str（））；
pcl：：PointCloud：Ptr cloud_tmp（new pcl：：PointCloud）；
if （filename.isEmpty（））
return；
int return_status；
if （filename.endsWith（".pcd"， Qt：：CaseInsensitive））
return_status = pcl：：io：：loadPCDFile（filename.toStdString（）， *cloud_tmp）；
else
return_status = pcl：：io：：loadPLYFile（filename.toStdString（）， *cloud_tmp）；
if （return_status ！= 0）
{
PCL_ERROR（"Error reading point cloud %s＼＼n"， filename.toStdString（）.c_str（））；
return；
}
//To determine whether the point cloud is dense or not
if （cloud_tmp->is_dense）
{
pcl：：copyPointCloud（*cloud_tmp， *cloud）；
}
else
{
PCL_WARN（"Cloud is not dense！ Non finite points will be removed＼＼n"）；
std：：vector vec；
pcl：：removeNaNFromPointCloud（*cloud_tmp， *cloud， vec）；
}
点云的视图切换操作通过设置相机的位置矩阵函数setCameraPosition（）实现，通过给定不同的矩阵参数，用户可以快速切换点云视角，选择出最好的视角场景效果。由编译后的VTK库生成的QVTKWidget控件提供视图操作，用户可以实现平移旋转与缩放等基本三维可视化操作。
点云滤波分为直通滤波、体素栅格滤波和统计学外点移除滤波3个部分。这些滤波方法主要目的是精简数据，去除飞点等噪声点，减小数据体积，优化点云数据结构，方便可视化操作和下一步数据处理，提高点云质量和计算速度。其中统计学外点移除滤波部分代码如下：
PointCloudT_XYZ：：Ptr cloud_filtered（new PointCloudT_XYZ）；
pcl：：StatisticalOutlierRemoval outlierRemoval；
outlierRemoval.setInputCloud（cloud）；
outlierRemoval.setMeanK（ui->lineEditMeanK->text（）.toInt（））；
outlierRemoval.setStddevMulThresh（ui->lineEdit_StddevMulThresh->text（）.toDouble（））；
outlierRemoval.filter（*cloud_filtered）；
pcl：：copyPointCloud（*cloud_filtered， *cloud）；
点云的网格生成由贪婪投影三角网格化、栅格投影网格化和移动最小二乘法3个部分组成。贪婪投影三角网格化实现无序点云的快速重构，性能良好。栅格投影网格化计算速度稍慢，但可以实现破面、孔洞等的修复，栅格大小由用户界面设置。移动最小二乘法采用的是多项式插值方法，设置邻域点的个数和多项式阶数，在该范围内多项式拟合，拟合后的曲面进行估计法线，使法向量有序化，再对设置半径范围内的点采样处理，让点云分布均匀，完成这些操作后再进行存储，进一步网格化重建模型，得到的网格更加致密光滑。移动最小二乘法的实现代码如下：
pcl：：search：：KdTree：：Ptr tree（new pcl：：search：：KdTree）；
mls.setInputCloud（cloud）；
mls.setSearchMethod（tree）；
mls.setPolynomialFit（true）；
mls.setPolynomialOrder（ui->lineEdit_MLS_setPolynomialOrder->text（）.toInt（））；
mls.setComputeNormals（false）；
mls.setSearchRadius（ui->lineEdit_MLS_setSearchRadius->text（）.toDouble（））；
mls.setUpsamplingMethod（mls.SAMPLE_LOCAL_PLANE）；
mls.setUpsamplingRadius（ui->lineEdit_MLS_setUpsamplingRadius->text（）.toDouble（））；
mls.setUpsamplingStepSize（ui->lineEdit_MLS_setUpsamplingStepSize->text（）.toDouble（）
mls.process（*outputCloud）；
4 结语
通过机载三维激光扫描仪系统构建，探讨了机载三维激光扫描仪技术，实现了仪器高速数据测量、采集和数据处理。配合编写的机载三维激光扫描仪软件系统，实现了点云数据的读写、精简滤波与三维重建，完成了设计要求和精度要求，具有一定的应用推广价值。后期研究中，将在仪器方面提高数据高采样频率、改进扫描点的算法、提高数据传输实时性及增大极限扫描距离等，在软件方面提高软件的稳定性、增加线程操作、优化算法、支持更多点云格式文件的操作、改善用户体验等，为三维激光扫描仪提供更多的技术支持。
参考文献：
[1] 党梦林，裴海龙. 基于QT的机载三维激光地形测绘软件构建[J]. 计算机测量与控制，2013（4）：1084-1086+1089.
[2] 张小红. 机载激光雷达测量技术理论与方法[M]. 武汉：武汉大学出版社，2007.
[3] 李世鹏，郭唐永，罗青山，等.海陆一体机载激光扫描仪的设计[J]. 大地测量与地球动力学，2013（S2）：58-60，70.
[4] 钟棉卿. 机载激光雷达系统初步方案研究[D].西安：西安科技大学，2012.
三维激光扫描仪范文2
关键词：地面三维激光扫描仪；检校；精度评估
中图分类号：TP731文献标识码： A
引言
在地面三维激光的应用中，扫描仪的测量精度起着重要的角色，尤其在一些工程建设和变形监测中，为了使点云数据达到最大精度，必须进行扫描仪的检校。若因使用时的外力碰撞和其他未知因素造成仪器内部构造发生变化，则扫描结果可能含有系统性误差。
1、概述
三维激光扫描测量系统，也称为三维激光成图系统，主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行分析和处理。激光扫描仪所获得的数据是由离散的三维点构成的点云。点云的每一个像素包含有一个距离值和一个角度值。三维激光扫描技术获取的点云数据，可以达到毫米级的采样间隔，从而激光扫描技术可以应用于工程测量、古建筑和文物保护、数字城市等领域，并已有许多成功例子。
然而，三维激光扫描仪在使用过程中，对于仪器的精度和指标都有严格的研究。事实上，三维激光扫描仪的分辨率、回波、时间和大气影响等都是影响点云精度的误差来源。通常情况，仪器与被测点的距离越近，激光光斑越小，分辨率越高，回波信号越强，相应的测量精度就越高，反之，则测量精度越低。此外，回波还受目标材质的反射率和边缘效应影响。而温度的变化也可令某种激光扫描仪测距结果在x，y方向产生偏移。
现有关于地面三维激光扫描技术的研究较多集中在逆向工程中的应用及数据处理，然而地面三维激光扫描技术的精度以及对工程应用的影响是实际工程中需要面对的重要问题，激光扫描测量仪器的精度也影响三维点云模型的建立和应用，因此地面三维激光扫描仪的检校与精度评估对于三维激光扫描仪的有效应用是十分必要的。
2、仪器校检基本原理
激光扫描仪的测距精度检测中，基线比较法和六段解析法仍是两种非常经典的方法。基线比较法，其模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行解算。而六段解析法消除乘常数相关影响，加常数的检测精度较高，但只能检测加常数。
本文中全站仪依据六段解析模型得到高精度基线距离值，对激光扫描仪则采用基线比较法得到加常数和乘常数。测角精度检校方面，本文则借鉴了全站仪的轴系误差校正方法，布设一定的控制点进行检校。大气影响方面，仍然认为温度湿度为主要的影响因素。
(2)
式中：(X，Y，Z)和(x，y，z)别为外部坐标系下全站仪测量的平面靶标中心和扫描仪测得的扫描仪坐标系平面靶标中心；(ΔXΔYΔZ)为平移参数；R(α1，α2，α3)为两个坐标系之间的旋转矩阵，是3个旋转角(α1，α2，α3)的函数；(γs，φs，θs)分别是扫描仪实际测量的径向距离$水平角和竖直角；K为测距加常数；R为测距乘常数；c为激光光束不垂直于扫描棱镜旋转轴误差，它对水平角的影响为c/cosθs；i为棱镜旋转轴倾斜误差，它对水平角的影响为itanθs；ζ为竖直角偏差；q为竖直角尺度误差。由于从扫描仪中导出的是三维直角坐标(x，y，z)，因此可采用公式计算得到相应的极坐标系下坐标(γs，φs，θs)，并将式(1)线性化得：
写成误差方程的形式为：
采用最小二乘平差，求得参数及其精度为：
式中，X0为参数初值。
3、系统误差参数显著性检验
在确定检校模型的系统误差参数后，必须对参数进行显著性检测，以确定所选参数是否必需，这里采用t检验法，构造统计量为：
构造的原假设与备选假设分别为原假设
备选假设
式中，为每个参数的估值；为参数中误差，可采用式(9)计算得到。试验中以零假设的置信域为95％，来测试参数的显著性，选定置信水平α=5，以α和自由度n-t查t分布表，可得tα/2，则拒绝H0，接受H1，即说明落在置信域之外，该参数显著；否则接受H0，即说明词参数不显著，则从模型中删除。
4、实验测试
4.1、实验仪器
本文设计的实验采用的仪器为RIEGL公司的 RIEGL VZ-1000地面三维激光扫描仪，该仪器标称距离精度是4mm。其最小采样间隔为1mm×1mm。回波率为18%时扫描距离为134m。扫描频率在4000点/秒以上。扫描范围为竖直方向270度，水平方向360度。标称扫描角度精度为6×10-5弧度(约为0.0034度)。激光脚点在50m处的半径不超过6mm。
4.2、检校场的建立
在实验实施前，首先需要建立满足实验要求的检校场。其目的是将激光扫描仪获取的数据和标准参考值（常规仪器测量获得）进行比较。本次实验布设了两块检校场，第一块区域包含一条直线上的 7个控制点，用来检校距离精度；另一块区域为室内竖直光滑墙面上布设的 8个水平方向控制点用来检校角度精度。
索佳 NET1200 全站仪的标称测距精度为±1mm。按六段解析模型中公式（2）解算出7段距离值(表 1)。由于全站仪的测距精度高于激光扫描仪，这些距离数据值经改正可作为标准参考值与后续激光扫描仪的实验结果比对。全站仪的中误差经解算为±1.61mm。
由于该全站仪测角精度则为 1″，将测出的角度值作为基准值（表2）。
5、模拟数值验证及试验
5.1、模拟数值验证
首先，通过理论模拟测试，分析所使用的6个误差因子分别对扫描点云的坐标影响， 图1分别为加入不同误差后对各扫描点坐标影响的向量图。扫描点间距: 垂直视角40°，扫描角增量5°；水平视角40°，扫描角增量为5°；距离2~3m距离增量0.1m。
图1 加入不同误差后对各扫描点坐标影响的向量图
5.2、试验
(1)测距实验
在测距精度检校场，用RIEGL VZ-1000和球面反射靶标，分别对 21 段距离值进行扫描，每段距离上扫描 3 次，提取靶心坐标反算距离值后取均值。其单个靶标的点云扫描图像如图2所示。
图2 球形靶标扫描图像
将 RIEGL VZ-1000测量结果与真实值相比较，从图5上可以看出在 50m 以内的距离，搭配球面靶标的测距精度最低为 9mm，低于标称的 4mm。
(2) 测角实验
图3 测量精度检校场
如图 3 所示，将扫描仪架设在 S 点上，对中整平且与一块平面靶标高度大致相等。对所有靶标所在区域扫描 2 次，扫描分辨率为 1mm×1mm。其单个靶标点扫描图像如图 4所示。
图4单个靶标点扫描图像
从扫描点云中提取各靶标中心坐标，通过计算出扫描水平角i，其中x，y为扫描点的横纵坐标。
(3) 温度环境实验
选择清晨、正午的不同温度，干燥和潮湿的不同环境，对同一平面靶标进行多次扫描（具体见表 3），变换同一类环境的过程保持扫描仪位置不变。
第一次扫描在清晨，温度高，湿度降低。由6可以看出来，当温度和湿度变化较平稳时，扫描仪的测距值的变化也相对平稳，当温度湿度变化较大且不同向时，测距值呈震荡趋势，方差变大，相差最大处约 3mm。可见，温度及湿度确实对扫描仪的测距精度产生了一定影响。
图5 第一次扫描距离反算值
第二次扫描为正午时分，由于环境温度在这段时间内恒定为 19.8 度，扫描得到的 6个点的距离值的变化可以认为主要是由湿度变化引起的。
结束语
本次实验不仅验证了自检校方法在扫描仪检校中的实用价值，而且在实验过程中其优越性得到了进一步体现。从某种意义上来说，自检校方法可以对当前所有类型的地面三维激光扫描仪实现系统误差检校，有力地促进了扫描仪的系统误差检校体系的建立与完善，具有非常广阔的应用前景。
参考文献
[1]刘春,张蕴灵,吴杭彬. 地面三维激光扫描仪的检校与精度评估[J]. 工程勘察.
三维激光扫描仪范文3
【关键词】三维激光扫描；场景扫描；点云；拼接；数据处理；DEM
外业数据采集：
中图分类号：C37 文献标识码：A
1、首先对场景周边信息进行仔细的现场踏勘，确定待测范围，选择最佳设站位置，初步制定施测线路。
2、选择通视效果较佳的位置摆放标靶并将标靶进行固定，然后使用RTK进行标靶真坐标的采集。
3、架设三维激光扫描仪按照初定施测线路进行场景点云数据的多站采集及全景拍照。在仪器作业过程中我们尽可能的避免人为因素干扰仪器视野而影响扫描数据质量。
4、现场绘制测量过程草图。对于范围大或地形复杂的场景，绘制架站点及标靶位置的草图可以保证内业数据拼接处理时不发生错误。
5、对场景拍摄连续可拼接的照片，便于配合扫描草图了解场景概况。
图1 场景照片
点云数据处理：
1、多站数据的拼接及坐标转换
在外业进行的数据采集的多站数据是每站独立的坐标系统，内业数据处理的时候通过外业采集的各站之间标靶信息及标靶的真坐标在Cyclone软件中进行自由坐标与真坐标之间的拼接转换。拼接完成后对点云数据进行抽稀及障碍地形数据的剔除。
2、Truview制作
在Cyclone软件中利用采集的点云数据及架站点信息及扫描仪拍摄的全景照片制作可在IE中浏览的Truview数据。
图2 Truview浏览
3、场景DEM制作
在MicroStation V8中使用Terra scan工具对导出的点云数据进行最优化的坐标分类建立地面模型并进行点云数据筛选处理。
图3 模型的建立
4、场景三维点云和大场景DEM融合
利用三维激光扫描仪可以迅速获取场景TIN模型及等高线数据，将生成的TIN模型或者等高线数据和已有的大场景DEM进行融合，从而获取场景最新现状数据。
图4 融合到大场景里(效果图)
经验总结：
1. 做好现场注释，规划图和扫描日志。详细的现场注释，规划图和扫描日志对于所有的扫描操作都是非常重要的。现场注释或规划图应该包含扫描区域的一个计划草图，显示扫描仪和标靶的位置，以及包含每站中标靶位置的标靶信息列表。另外，应该画出具有透视关系的规划图，显示从扫描仪的位置看到的扫描的景象，以及扫描出的对象和标靶。现场注释，规划图和扫描日志能让你有序地记录所有的扫描和扫描中生成的标靶，这些信息也非常有助于后期的拼接和建模。
2. 在有些环境条件不允许的情况下，无法进行RTK测量标靶坐标的时候，可以利用扫描仪进行标靶信息的传递，建立测站之间联系。
参考文献
三维激光扫描仪范文4
1.引言
桥梁变形可分为静态和动态两种。前者是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值；后者指在外力影响下产生的变形，它是以外力为函数来表示的动态系统，观测结果表示桥梁在某个时刻的瞬时变形。
桥梁变形产生的原因很多，桥墩台地基的水文地质、工程地质、土壤的物理性质、水位变化、大气温度、地震等都会导致桥墩台不均匀沉陷，使桥跨结构倾斜；土基的塑性变形也会引起均匀沉陷；台风、车载以及超期服役、腐蚀、疲劳、车、船的冲击、碰撞和爆炸等许多不定时或不可确定的危害性事件也是其中原因。墩台与梁的结构、型式；作用在桥梁上部结构的恒载与作用墩台的恒载；活载的作用(如车辆通过时的震动、风力等)。勘测、设计的不合理；没有按照相关标准和规定规范施工；运营、管理工作的不恰当等也会使桥梁产生变形。
道路桥梁在施工过程和使用期间，由于上述各种原因的存在，桥梁肯定会出现变形，如果这种变形超过规定允许的限度，就会影响正常运营，严重时还会危及桥梁的安全寿命。因此，查明桥梁变形的原因并对其进行变形测量是十分必要的。
2.桥梁变形传统测量方法
垂直位移观测采用的是精密水准测量法和精密跨河水准测量法；在横向位移观测中，遇到直线桥梁则应按照基准线法观测(如测小角法和活砚牌法)，如果是曲线桥梁，就需要利用导线测量方法；纵向位移观测通常采用的是最精密的光电测距仪(如桥跨距较短)，用特制的钢线尺来测定两相邻桥墩之间的跨距变化；桥跨结构的恒载和活载挠度观测主要采用四等水准测量。
此方法灵活性高，适用于各种结构形式的桥梁和不同的外界条件以及精度要求；把观测组成了网状，便于进行测量结果的处理和精度评定；可以提供桥墩台和桥跨结构的变形状态。但是，此方法外业工作量大，作业时间长，连续监测及测量过程的自动化问题也不容易解决。
3.利用三维激光扫描仪测量桥梁变形
三维激光扫描技术是一项高新技术，是一种利用激光测距原理（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。
激光三维扫描技术是将激光测距技术、激光跟踪技术、激光测速技术、激光成像技术等多种激光测量技术有机地结合在一起构成的激光三维成像扫描仪和系统软件组成的综合测量系统。激光三维扫描技术能够快速、高精度、非接触、直接获取研究对象表面空间三维数据，其独特的空间数据采集方式使其具有多方面的技术优势。
3. 1三维激光扫描测量技术的特点
在目前各种测量手段和方法之中，相比之下，三维激光扫描技术来进行地质测量具有独特的优势，它能够完整并高精度地重建扫描实物，快速获得原始测绘数据；可以真正从实物中进行快速的逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其激光点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠，具有精度高、速度快、逼近原形等优点。该技术归纳起来具有如下一些特点：
（1）非接触测量
三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需进行任何表面处理，直接采集物体表面的三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境(或柔性目标)及人员难以企及的情况，具有传统测量方式难以完成的技术优势。
（2）数据采样率高
目前，采用脉冲激光或时间激光的三维激光扫描仪采样点速率可达到数万点/秒，而采用相位激光方法测量的三维激光扫描仪甚至可以达到数十万点/秒。可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。
（3）主动发射扫描光源
三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源(激光)，通过探测自身发射的激光回波信号来获取目标物体数据信息，因此扫描过程中，可以实现不受扫描环境的时间和空间的约束。
（4）高分辨率、高精度
三维激光扫描测量技术可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的，对于单点测量精度也完全满足一般测量需求。
（5）数字化采集，兼容性好
三维激光扫描技术所采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。用户界面友好的后处理软件能够与其他常用软件进行数据交换及共享。
3.2 surphaser三维激光扫描仪工作原理
Surphaser 三维激光扫描仪是按照美国军方标准严格设计和生产的测绘产品，广泛用于工业测量、考古和文物保护、工程测绘和科学研究，从帕特农神庙的数字化保护到NASA空间站及飞行器的测量，Surphaser 充分体现了快速、高精度的特点，是最新三维激光测量技术的体现。
其具有以下特点：
（1）最高扫描速度（120万点每秒）与高精度（0.3毫米精度）和优秀的扫描品质（0.07毫米噪音）的结合。
（2）涵盖从0.2米到140米的扫描范围
（3）超低噪音数据和亚毫米的精度
（4）高扫描密度，质量相当于100M像素数码照片
（5）防尘防水设计，可轻松工作在室内或室外环境
（6）高质量、精确的扫描数据可以导出为多种格式，用于常用点云后处理软件（Polyworks，Realworks Survey，Leica Cyclone，Geomagic等）
3.3数据处理
SurphExpressStandard是Surphaser三维激光扫描仪的专有平台，可以对扫描仪进行实时控制。
（1） 对扫描仪硬件自诊断和自动校正
（2） 对扫描仪实时控制
（3） 进行原始数据的采集和实时压缩
（4）实时数据分析和扫描质量控制
（5） 快速度预览扫描
（6） 用户可自由设置扫描区域以提高工作效率
（7） 多种扫描模式及扫描密度的设计可以胜任更多的扫描项目
（8） 扫描完成数据可以导出多种格式，方便用户导入适合自己的软件进行后期处理。
（9） 独有的视图窗口可以对扫描的数据以二维和三维的方式进行查看。
（10） 平台自带的数据过滤器可以过孤立有用数据去除不可靠数据，以保证数据的可靠性。
4变形监测应用
对于既有道路桥梁来说，由于桥梁墩台较高，利用传统的测量方法，比如在桥梁几处认为受力和变形大的地方贴应变片，通过位移来获得桥梁的变形，但这仅仅能反应这几点处的变形情况，很不全面，每一点的测量费时都在2-5秒不等，更甚者，要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量，在数字化的今天，这样的测量速度已经不能满足测量的需求，而且不能完全反映整个桥梁的实际变形情况，我们采用Surphaser三维激光扫描仪可以获得最直接最直观的图像信息，同时也获得了相对应的变形数据，具有很好的实际应用前景。
我们通过对国道312线某桥梁进行了实地检测，应用效果较好，图像清晰，数据完整，对桥梁的三维变形情况有了更好地掌握。
5结论
文中提出采用三位激光扫描仪对既有的道路桥梁变形情况进行三维扫描测量，这是一种全新的方式，具有较好的应用前景，获得的数据量大，对桥梁变形的测量更全面，同时因为其具有采集图像的功能，直观性很强，可以对桥梁的实际情况把握性更强，方便我们对桥梁的加固维修，作出更有效的判断，但是其也有一定的局限性，三维激光扫描技术是一个新生事物,其技术上还有很多地方需要改进和提高,如①受到安全激光功率的局限,扫描距离和范围有限；②特定材料对激光光源反射不够敏感,造成扫描范围内出现盲区，如潮湿的地表和绿色植被对扫描结果都有较大的影响；③扫描激光光斑随距离的增加而变大，造成扫描结果中物体边缘细节难以识别；④三维处理软件功能有待进一步完善。比如当桥梁位于水中的时候，就比较困难，但总的来说，利用三维激光扫描仪进行桥梁的变形监测具有较广的应用前景，有一定的研究价值。
参考文献：
1. 三维激光扫描测量在汶川地震后都汶公路快速抢通中的应用. 董秀军.黄润秋工程地质学报.2008.16
2. 大型桥梁产生变形的原因及监控方法. 吕佳泽.北方交通.2010.4
3. 激光三维扫描技术在矿区地表沉陷监测中的应用研究.李秋,秦永智. 煤炭工程.2006.4
4. 基于 LIDAR 的铁路线路工程测量应用研究.谭俊.科技资讯.2010（27期）
三维激光扫描仪范文5
【关键词】金属矿山；陀螺全站仪；地面三维激光扫描；测绘新技术
矿山测量服务于矿山勘探、设计、开发和生产运营的各个阶段，必须将先进的现代技术同矿山测量的实际工作、具体特点相结合，拓宽矿山测量的生存空间和业务范围，促进矿山测量的改进和发展，适应矿山体制改革的需要。目前陀螺全站仪、地面三维激光扫描仪等新技术、新仪器已经在地下开采矿山测量中得到了广泛的应用，探讨其工作原理、作业流程有利于优化作业程序，提高工作效率。以某金属矿山为例，分析了陀螺全站仪定向的精度及地面三维激光扫描仪的作业流程及应用范围。
1 陀螺全站仪在矿山测量中的应用
1.1 陀螺全站仪工作原理
陀螺全站仪是将陀螺仪和全站仪结合在一起的仪器，采用陀螺寻北本体与全站仪共同配合来测定任意测线的陀螺方位角。陀螺仪相对于惯性空间有定轴性的特性，而地球相对于惯性空间有自转效应，因此在地球表面某一纬度φ处的陀螺仪就可以测量出相对于惯性空间的自转角速度ω，然后将地球的自转角速度分解为水平分量和垂直分量，其中水平分量ωn=ωcosϕ沿地球经线指向真北；可见，通过惯性技术测量敏感地球自转角速度的水平分量便可以获得地球的北向信息，这就是寻北仪工作的基本原理。
1.2 陀螺全站仪测量方法及限差
1.2.1 陀螺全站仪测量方法
陀螺全站仪定向采用中天法进行观测，定向程序为：
（1）先在地面任意点上测定仪器当地的比例常数C值。观测6个测回，计算出3个C值，取平均值作为当地本仪器C值，在一定时期内，50km范围内可以使用同一C值；
（2）在地面已知边上观测3个测回，计算仪器常数；
（3）在井下待定边上用2测回测量陀螺方位角；
（4）返回地面后，在原已知边上采用3测回测量陀螺方位角，再求得三个仪器常数。
根据以上测量成果来检验仪器的稳定性和测量的精度，确保陀螺定向成果的可靠性和精度。
1.2.2 陀螺全站仪观测限差要求
为了保证观测精度，测量时需要严格执行以下各项限差：
（1）陀螺全站仪的C值测量互差不大于0.06；
（2）仪器的悬挂带零位不能超过±0.5格，测量前后零位值的互差不得超过0.2格；井上下零位差超过0.3格时，应加入零位改正；
（3）相邻摆动时间的互差不得大于0.4秒，间隔摆动时间的互差不得大于0.6秒；实践总结可以保证相邻摆动时间的互差不大于0.3秒，间隔摆动时间的互差不大于0.4秒；
（4）两个镜位观测测线测前方向值、测后方向值。测前测后方向值的互差不得超过10"；
（5）测回间方向值互差不大于40"。
1.3观测精度
根据测量得到的数据，计算仪器常数一次测定中误差、仪器常数平均值中误差、井下陀螺方位角一次测定中误差、井下测定陀螺方位角平均值中误差，根据仪器常数平均值中误差 、井下测定陀螺方位角平均值中误差 ，得到螺定向边最终定向中误差为：
可以看出，在本次矿山测量方位定向中，陀螺全站仪稳定可靠，精度较高，可节省大量的劳力和时间，提高了测量的精度和工作效率。
2 地面三维激光扫描仪在矿山测量中的应用
2.1 地面三维激光扫描工作原理
地面三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台，数据处理平台及电源和其它附件设备共同构成，是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。地面三维激光扫描技术的工作原理，即由三维激光扫描仪内部的一个发射体发射激光脉冲，再通过两块反光镜有序快速旋转，把由发射体发射的窄束激光脉冲按一定次序扫过目标区域。通过测量每束激光从发射到物体表面反射回仪器的时间计算相关距离，并且编码器还会测量脉冲的相关角度，最终得到目标的真实三维坐标。软件处理后，便会输出实体建模。运用地面三维激光扫描技术，从事各类复杂、大型、不规则、非标准的实景或实体三维数据的采集，快速重构目标的三维模型。
2.2 地面三维激光扫描工作流程
（1）实地踏勘实际情况，制定合理的施测方案。合理布设扫描测站，划分地面三维激光扫描作业面，保证整体埽，扫描无缺失，避免数据过度冗余，提高扫描效率。
（2）按照制定的施测方案计划进行数据采集工作。根据精度要求设置扫描分辨率，对于规则区域，采用较低的分辨率，不规则区域采用高分辨率扫描。扫描完成后在现场初步分析数据质量是否符合设计要求，保证地面三维激光扫描采集的数据既不缺失，又不过度冗余。地面三维激光扫描的过程中避免人员走动，以减少异常点的出现。
（3）对采集好的点云数据进行数据预处理，包括：点云的拼接、去噪以及统一坐标系统等工作；并进行数据处理，得到观测数据及三维模型等成果。
2.3 地面三维激光扫描在矿山测量中的应用方向
（1）矿区地形图测绘：地面三维激光扫描仪可以实现远距离非接触性测量，对于人员难以企及和十分危险的地段进行测量具有明显优势,可以根据测量得到的点云数据，绘制大比例尺地形图，可以满足1:500比例尺地形图的精度要求。
（2）三维模型构建：根据地面三维激光扫描得到的点云数据，可以提取特征点，利用专业软件构建三维立体模型，使得地形地物的表达更加直观形象。
（3）巷道变形监测：可以根据不同时期的地面三维激光扫描获得的点云数据进行处理，并通过数据分析，进行巷道的变形监测。
3 结论
在金属矿山巷道定向测量中，使用陀螺全站仪仅需测量几小时，精度可以达到±6.2″，远远高于单井定向和两井定向，投点和井下基本控制导线起始方位角传递任务是单独完成的，排除了投点误差对起始边坐标方位角传递的影响，因而，提高了定向的精度；地面三维激光扫描可以具有远距离无接触测量的特点，可以用于矿区地形图绘制、三维模型构建、巷道变形监测中，节省大量人力物力，并得到海量的点云数据，提供直观的三维成果。可以看出，陀螺全站仪、地面三维激光扫描仪等新技术、新方法的出现，极大的促进了矿山测量的发展。
参考文献
[1]靳朝阳,王润平,胡光,等.陀螺全站仪在井下导线测量中的应用[J].矿山测量,2010(6).
[2]马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉:武汉大学硕士学位论文,2005.
三维激光扫描仪范文6
关键词：三维激光扫描
Abstract: The three-dimensional laser scanning technology is the field of surveying and mapping, following the GPS after another revolutionary technological innovation to overcome the deficiencies of traditional surveying and mapping technology and equipment, freed of the heavy field work, a field data collection, can be made into a variety kind of geographic information products. After ten years of development, the three-dimensional laser scanning technology, such as topographic survey, road surveying, bridge measurements, earthwork engineering, architectural design, ancient architecture, measurement and protection of cultural relics, large-scale construction monitoring, disaster monitoring, a very good application.
Keywords: 3D laser scanning
中图分类号： O348 文献标识码： A 文章编号：
0引言
三维激光扫描技术被称为“实景复制技术”始于上个世纪九十年代中期，它的出现是继GPS技术之后测绘领域的又一次新的技术革命，三维激光扫描技术是根据全站仪的基本工作原理，记录点的三维点云数据（X、Y、Z坐标），在全站仪的基础上加上伺服马达转动仪器来自动完成水平方向和垂直方向的扫描，从而完成水平方向360度和一定垂直方向的全方位的点云数据的采集。
1三维激光扫描仪的基本工作原理
目前，生产三维激光扫描仪的公司有很多，典型的有瑞士的Leica公司、美国的3D DIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、瑞典的TopEye公司、法国的MENSI公司、日本的Minolta公司、澳大利亚的I-SITE公司。它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同，但它们的基本工作作原理是一致的。
基本工作原理 三维坐标计算公式
2 Lieca三维激光扫描仪的发展
从1998年全球第一台商用三维激光扫描仪开始，徕卡测量系统的HDS扫描仪产品已经更新换代了六代。速度从最初的100点/秒提升到目前的100万点/秒。目前Lieca三维激光扫描系统最新的硬件产品有：满足不同测量需求的三维激光扫描系统Scanstation C5、高效一体化三维激光扫描仪Scanstation C10 、超高速三维激光扫描仪HDS6200以及超长测程型三维激光扫描仪HDS8800。
Lieca最新三维激光扫描仪性能对比表
3 Lieca Scanstation C10三维激光扫描仪的特点
Leica ScanStaion C10是ScanStaion2的升级产品，是通过收购美国的Cyra公司后的第三代升级产品，是一款全站仪式的扫描仪。All-in-One“一体化设计”是C10的最大特点，它把所有的关键部件都集成在一个便携的测量仪器中。C10具有全视场角、高速、高精度、长距离等特点，可以满足最常见的测绘任务；具有丰富的图形控制界面和强大的相机/摄像头功能，大大提高了作业人员的可操作性和便利性；内置了80G硬盘，可以满足每天的数据量存储；装有2块热插拔的电池，2块电池可以同时使用也可以拆下1块单独使用；安装了双轴倾斜补偿器，可以在±5′的范围自动补偿，补偿精度达到，安装了激光对中器，可以大大减少仪器对中整平和迁站的时间，提高了工作效率。
4 Lieca Scanstation C10三维激光扫描仪的应用
4.1 工程项目的监测
以往在地质灾害监测、大型建构筑物的变形监测中，采用传统的测量方法或GPS测量法，往往需要在监测物表面上人工选择一些观测特征点，在上面设置标志或设置棱镜或设置仪器，考虑到成本或条件限制，所以不可能设置很多的特征点。如果监测的特征点选择不同，能够反映监测对象变形的能力就完全不同，所以对选择特征点的技术人员有较高的要求，但有些情况下，如高危的边坡、泥石流地区，人工是不能到达现场的，要如实的反映这些地区的变形，使用传统的测量方法或GPS测量法是不可能完成的任务。但是如采用三维激光扫描技术，就可以很轻松地完成这类任务，三维激光扫描是主动式测量，不用接触被监测物体，不需要在被监测对象上设置监测标志，Lieca Scanstation C10三维激光扫描仪可以在300米的地方设站，把整个监测的对象以点云的方式全部记录下，包括每个细微的特征点。Lieca Scanstation C10扫描速率最高达到5万点每秒，根据不同的设置模式，最多需要十几分钟就可以全方位扫描一个站，大大减少了工作人员在危险现场的时间。接下来的工作就是在室内利用Lieca随机的Cyclone软件，对点云数据进行处理，建成三维模型，再把新测的三维模型与以往建立的模型进行对比，可以直观求出每个细微特征点的变形情况。
4.2 历史文物古址的保护
历史文物古址是人类进程的脚印，是人类文明的象征，但由于自然灾害、人类的破坏，所以这些文物古址是不可再生和和永久长存的，怎么永久地记录下这些历史文物古址，使它们流传后世，长期以来一直困扰着考古界和文物界。以前对历史文物古址记录采用尺子丈量加素描、拓印等，由于历史文物古址的造型奇特、不规则、细节丰富等特点，所以传统的方法不能详尽和精确地记录，采用直接接触式丈量和拓印还不利于和不便于历史文物古址的保护。后来虽然采用了摄影摄像技术，可以详尽地记录下历史文物古址的形状，但是还是不能解决精确的尺寸问题。现在三维激光扫描技术的出现，克服了以前的诸多问题，实现了非接触、高精度、高密度、真三维、全息影像融合记录下了历史文物古址的全部细节。为历史文物古址的保护、修护、研究、再造提供了最全面的精确的数据。
4.3 虚拟三维环境
虚拟现实、虚拟漫游、虚拟三维展示、三维仿真等都要使用到高分辨率的3D建模技术，可以使人身临其境地在三维环境中漫游，无论在世界任何角落，只需轻点鼠标就能足不出户免费“游览”。目前的虚拟三维环境，并不是真正的三维，一般采用的是2.5维。主要是因为基础数据采集困难，现在三维激光扫描技术的出现，就可以很方便地解决这个问题。
5 结论
