三维激光扫描仪
利用三维激光扫描仪提取塌陷裂缝
张飞跃
（西安科技大学，陕西西安 710600）
摘要：三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，是一种先进的、自动化的、非接触式、高精度三维激光技术，是继GPS之后测量技术的又一次革新。由于地面沉降引起的地裂缝是一种日趋普遍且显著的地质问题，对矿区地表作物及生态产生重大影响。利用三维激光扫描仪并结合数字图像技术提取塌陷裂缝是对三维激光技术应用的又一次扩展。论文对三维激光扫描仪进行了详细的介绍说明并通过对矿区实地数据的处理和分析，探索三维激光扫描仪在地表变形监测领域的应用理论和方法。
关键词：三维激光扫描技术，点云数据处理，数字滤波，裂缝信息提取
Using three-dimensional laser scanner to extract Surface crack
ZHANG Fei-Yue
(xi’an university of science and technology)
Abstract：As a new measurement technique,three-dimensional laser scanning technology is an advanced, automated, non-contact, high-precision three-dimensional laser technology, following another GPS measurement technology innovations.
Due to cracks caused by ground subsidence is a common and increasingly significant geological problems, there has a significant impact on the mine surface crops and https://www.360docs.net/doc/1d17640703.html,ing three-dimensional laser scanner and digital image technology to extract collapse crack is another expansion of three-dimensional laser technology .This paper has been illustrated and described in detail by mine field data processing and analysis for three-dimensional laser scanner,to explore the three-dimensional laser scanner application theory and methods in the field of surface deformation monitoring.
Key words: Three-dimensional laser scanning technology，Point cloud data processing，Digital Filter，Cracks information extraction
0 引言
三维激光扫描系统是一种集高新科技于一身的空间数据获取系统。利用地面三维激光扫描技术，可以进行复杂地形地貌的地区或是管线设施密集的工厂进行扫描作业，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。
在矿山开采沉陷研究中，传统地表沉陷观测方法在地表变形盆地主断面上步设一定密度的监测点获取地表变形数据。监测点数量有限，并且在较长的观测周期中出现因监测点难以保护而造成点位丢失的现象，给之后的数据处理工作带来
麻烦，甚至无法满足观测站的监测精度要求。在塌陷裂缝信息提取方面，也因为观测数据不充足而无法对裂缝进行全面展示分析。地面三维激光扫描技术引入矿山开采沉陷研究以后，上述问题得到了有效的解决。三维激光扫描技术通过扫描获取地表或空间点云数据替代传统的线状观测数据，大大增加了采集数据的信息量，使得在之后的数据处理阶段从点云中提取完整的地表裂缝信息。
1 三维激光扫描仪的工作原理及特点
三维激光扫描仪测量过程使用自身内部坐标系。获取扫描点的三维坐标的原理是：扫描过程中以扫描仪的内部为原点O 的扫描坐标系统，X 、Y 轴在扫描坐标系的水平面上，X 轴为扫描方向，Z 轴为垂直方向，构成如图3-2的左手系。
由激光脉冲发射器周期地发射激光脉冲，精密时钟控制编码器获取发射出的激光光束的水平方向角和垂直方向角，由脉冲激光发射到被目标反射被接收的时间差计算得到扫描点到坐标原点的距离S ，由此可得到扫描点P 的(x,y,z)三维坐标的计算公式：
θ
?θ?
θsin sin cos cos co S Z S Y s S X === 根据地面三维激光扫描仪的工作原理，对公式（3.1）每项中的S 、θ、?分别求偏导，根据误差传播定律可得：
()()()()()()()()2
222222222222222
22222222/cos sin /cos cos /sin sin sin cos /sin cos /cos sin cos cos ρσθσθσρσ?θρσ?θσ?θσρσ?θρσ?θσ?θσθ?θ?θS S S S S s s s y s x +=++=++= （6.8）
在上式中，s σ为测距中误差，θσ是竖直角中误差，?σ是水平角中误差，ρ=206265。则地面三维激光扫描仪理论点位中误差p σ为： 2222222222//ρσρσσσσσσ?θS S s s y x p ++±=++±= （6.9） 已知徕卡Scanstation 10在扫描50m 处时的测距中误差为4mm,水平角和竖直角的中误差都为12″。三维激光扫描仪没有类似于全站仪的盘左盘右之分，故认定厂家给定的测角精度s σ是指扫描仪的半测回方向中误差，则根据误差传播定律得三维激光扫描仪半测回的测角中误差为s σ2。将测角和测距中误差带入上式得在扫描距离为50m 时的理论点位中误差为7.06mm 。
传统的测量设备主要是单点测量，获取其三维坐标。三维激光扫描技术是一种全新的数据采集方式，它能够快速、高效、精确、自动化的采集地表信息（点云数据）。特点如下：
（1）非接触测量。三维激光扫描仪可以对目标进行非接触式测量，并且不需要反射棱镜，可以用来解决危险目标或是无法到达的区域的测量工作。
（2）数据采样率高。目前，三维激光扫描仪扫描速度可以达到百万点/秒，这是传统测量仪器无法比拟的。
（3）主动发射扫描光源。通过探测发射的激光回波信号来获取目标物体的信息。可以全天作业，不受光线的影响。
（4）具有高分辨率、高精度的特点。三维激光扫描仪单点精度可以达到2mm ，采样间隔为1mm 。
（5）数字化采集。三维激光扫描系统直接获取距离的数字信号，具有全数字特征，抑郁自动化显示输出，可靠性好。
（6）外置（或内置）数码相机。系统内置数码相机可以协助扫描工作进行监测、拍照等操作。在数据处理阶段，可对三维模型进行纹理映射，重构三维模型。
（7）集成了高精度定位装置。新型的扫描系统集成了GPS 接收机等高精度定位装置，并通过自身的软件实现坐标系统的转换，从而可以将点云数据直接输出为大地坐标，方便日常使用。
2矿区实例数据分析
本次数据采集使用三维激光扫描仪对地表塌陷地区进行扫描，将扫描得到的
点云数据使用Geomagic Studio软件进行编辑，将之后处理过的点云数据使用
Envi软件进行裂缝提取工作。
2.1点云数据配准
Geomagic Studio是Geomagic公司的一款逆向工程软件，可根据扫描点点云数据生成准确的数字模型[34]。可输出行业标准格式文件，包括STL、IGES、CAD 等多种文件格式。其主要功能包括：点云数据去噪、配准精简等；将点云转换为曲面；对曲面进行公差分析等。
使用Geomagic Studio软件进行点运数据配准。相邻站之间进行一一配准，再进行整个测区的配准，完成后采用精密配准，控制点云数据的整体精度。点云数据配准工作要求细致耐心仔细观察每个纹理特点，从各配准图像上可看到配准精度都在4mm左右，精度比较高，对后续工作有很大帮助。
图5-6 精密配准
2.2数据降噪
完整点云数据中含有噪音，会影响后续工作效率，需要对其进行剔除。数据降噪分两部分，一个是例如杂草、树木类的噪音，通过人机交互的方式手动剔除；另一种是仪器或是外界环境造成的离散的噪音，通过数据滤波的的方式剔除。
此次采用自由曲面和棱柱模型两种不同的数据模型对点云处理，其结果是自由曲面模型降噪效果更为明显，更适用于此类地表。
2.3数据精简
在Geomagic Studio软件中，选择曲率采样对点云数据进行精简，经过多次
试验最终选择采样率为80%。曲率采样的特点是在模型特征比较明显或是特征较多的地方保留的较多的点云；而在地形较简单的地区，特征和纹理较少，用较少的点来表示较大的区域,删除的点就会比较多。该方法的优点是能够在根据模型的特征变化灵活的对点云数据进行精简,同时对模型特征的完整保持良好,将点云中点的数量从198万减少到159万，大大减小了数据量同时很好的保留了细节纹理特征（图5-10）。
图5-10 数据精简
2.4数据输出
利用三维激光扫描仪对矿区地表裂缝的提取是对三维激光扫描仪应用的扩展，并充分考虑裂缝的特点，我们选取数据输出为正射图像，使用数字图像的技术对裂缝信息进行提取。利用Geomagic Studio的图像输出功能将点云数据输出为高分辨率的.jpg格式文件，并设置分辨率为4096*2170。
图5-11 点云数据图像输出
3数字滤波提取图像信息
数字滤波是通过一定的算法，对图像进行处理，将某一频段的信号进行滤除生成新图像的过程。本次数据处理采用的数据滤波有Sobel、Laplacian、Directional、Median、Robert。分析各种滤波器的优缺点，比较其各自特点，选择最完整、最清晰的图像保留使用。此次实验使用Envi 4.5软件对数字图像做数字滤波。
图5-14 中值滤波处理图像
从图中可看到中值滤波对噪音的抑制做得相当好，同时又很好地保留了边缘信息，唯一美中不足的是对一些细线和小块信息丢失的较多，使塌陷裂缝信息产生断续效果。
高斯-拉普拉斯边缘检测算子是二阶微分算子，首先使用高斯低通滤波对图像做平滑处理，这样有利于减小拉普拉斯算子对噪音的二次影响。再使用拉普拉斯算子做梯度检测，提取裂缝信息。实验分别采用①3x3窗口、输入加回值100%的Laplacian算子处理图像②3x3窗口、输入加回值70%的Laplacian算子处理图像。是将原始图像的一部分加回到卷积滤波处理过的图像上，有助于保证图像的连续性。最终成果如图5-16 5-17所示：
图5-16 加回值100%Laplacian算子处理图像
从图像处理结果上看，采用45°方向算子和拉普拉斯100%加回值处理的图像效果都很好。仔细对比两幅图像，采用方向算子得到图像对于裂缝信息左侧部分噪音较大，有局部细节丢失，相比较来说，拉普拉斯算子处理结果最令人满意，选取作为最终裂缝提取图像。
5.4.4 地裂缝信息分析
将高斯-拉普拉斯算子处理过的图像输出，使用Auto CAD软件中导入栅格图像功能添加图像，使用多段线依裂缝走向连线，依比例尺算出裂缝实际长度。
表5-1 裂缝宽度量取
裂缝宽度（mm）均值
（mm）0.245 0.268 0.193 0.189 0.228 0.192 0.222 0.251 0.196 0.233 0.211 0.271 0.197 0.209 0.203 0.191 0.235 0.260 0.241
0.209 0.195 0.267 0.283 0.192 0.252 0.251 0.198 0.221
0.250 0.245 0.200 0.218 0.266
图5-17 Auto CAD裂缝量取
762
.
/
.
=
64=
238
259
.
L438
m
*
77
918
.
891
最终测得矿区地表裂缝长度为77.438m，宽度量测采用多次量测求均值的方法，采样次数为32次得到最终裂缝宽度为23.3cm，从图中可以看出裂缝从左到右宽度依次减小，其中最宽的地方可达到28.4cm，最窄的地方也有19.1cm。
4 结束语
地表塌陷裂缝提取是相对较复杂的，其中最为重要的环节是数据的获取。地面三维激光扫描技术的出现，为地裂缝监测工作带来了新的技术手段，该技术所具有的优势和特性，决定了它将广泛应用于诸多领域。随着传统技术不断改进、工艺精度不断提高，该技术正朝着高精度的变形监测和工程测量领域快速发展，带领着测绘学科不断进步[41]。本文针对地面三维激光扫描技术提取塌陷裂缝，所作的工作以及创新之处如下：
（1）本文系统的介绍了国内外地面三维激光扫描技术的目前的发展情况和应用领域，并且阐述了三维激光扫描技术的原理、优势以及数据处理的流程。按照不同的特点对三维激光扫描仪进行分类。
（2）地面三维激光扫描技术获取的点云数据量是很大的，为了提高处理效率，选择将点云数据转换成数字图像，在保留了细节的同时又很好的压缩了数据量。
（3）依据三维激光扫描仪原理和误差传播定律，计算其在50m处的理论单点精度为7mm，精度满足要求。
（4）对裂缝图像分别使用Laplacian算子、Roberts算子、Sobel算子、
Directional算子、Median算子进行边缘提取工作，其中采用加回值100%Laplacian 算子处理得到图像裂缝信息最为明显，纹理特征清晰。
总的来看，地裂缝提取工作进行的比较顺利，但自动化程度不高，地表环境对精度具有相当大的影响。随着三维激光技术的不断成熟、工艺精度不断提高，利用该技术获取的空间数据会越来越精确，在不久的将来，相信这些问题必将会逐步地得到很好的解决。
参考文献
[1]敖建锋.动态沉陷区地面激光扫描数据处理关键问题研究[D].中国矿业大学,2013.
[2]朱生涛.地面三维激光扫描技术在地形形变监测中的应用研究[D].长安大学,2013.
[3]施展宇.地面三维激光扫描技术在开采沉陷应用研究[D].西安科技大学,2014.
[4]张会霞,朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].电子工业出社.2012.
[5]李巧莲.三维激光扫描测绘技术[A].中国采选技术十年回顾与展望[C].2012:4.
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[7]李伟.地面三维激光扫描技术在西安地裂缝监测中的应用研究[D].长安大学,2012.
三维激光扫描仪使用说明
瑞士徕卡三维激光扫描仪 产品型号：ScanStation c10 徕卡测量系统股份有限公司HDS高清晰测量系统部门是三维激光扫描解决方案的供应商，她是全球范围内将三维激光扫描技术应用于改建工程、细部测量、工程设计与咨询以及地形测量项目的领导者。其先进的高清晰测量扫描仪、软件以及“交钥匙”系统是高精度、确保投资回报、容易使用以及手段灵活的完美结合。除了这些产品之外，徕卡也向客户提供最全 面的客户服务和支持，并把客户介绍给业内最大也是经验最丰富的服务商网络。 徕卡测量系统的HDS产品家族包括：基于时间测量的HDS3000和ScanStationc10测量系统,基于相位测量的超高速系统HDS6000.这样的产品组合再结合Ｃyclone软件和CAD 插件Cloudworx，我们为用户提供完整的工程解决方案，用户可以获得符合徕卡品质的测量成果、完整的ＣＡＤ工具集成、高精度的可提交成果以及海量工扫描数据管理能力。 徕卡ScanStation 全球第一个带有全站仪功能的三维激光扫描仪 全方位视场角 360°×270°双轴补偿±5′ 全站仪级别的单点测量精度 有效的测距范围 300米 模型表面精度±2mm 全新四大特点： 1、全方位视角:360°×270° 徕卡ScanStation c10全站式扫描仪能够扫描建筑的天花板或顶棚、桥梁下底面、架空管道支撑架、高大物体的立面、柱状或塔式建筑物。全站仪的视场角没有限制，因此，测量员和其它专业人员在安置徕卡ScanStation 全站式扫描仪时，不需为视场角问题费心劳神。 2、高精度双轴（倾斜）补偿器:双轴补偿±5′分辨率1” 比全站仪更加灵活和自由，徕卡ScanStation c10全站式扫描仪可以根据测量控制点完成高精度的导线测量，因为它使用了和徕卡全站仪一样高精度的双轴（倾斜）补偿器。 3、测量级的点位精度:模型表面的精度±2mm 和有些扫描仪通过“多次测量取平均”的方法达到测量级的精度不同，徕卡ScanStation c10全站式扫描仪测量的单点精度也能达到测量级的精度。在远距离扫描时，徕卡ScanStation c10全站式扫描仪的超精细扫描保证了标靶扫描的精度以及扫描拼接的精度，用户会切身体会到其中的好处。
三维激光扫描分类及工作操作规范
三维激光扫描分类及工作 操作规范 Revised by Hanlin on 10 January 2021
一、地面激光扫描系统 1、概述 地面激光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激光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。 2、工作原理 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。进而转 换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。 3、作业流程 整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。（1）、数据获取 利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体和反射参照点进行扫描，尽可能多的获取实体相关信息。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息，点云的发射密度值，以及内置或外置相机获取的影像信息。这些原始数据一并存储在特定的工程文件
三维激光扫描仪的使用说明
甘肃启奥地理信息工程服务有限公司 三维激光扫描仪 使用规范 二零一二年十二月
三维激光扫描仪以其长距离，高精度，快速度数据扫描的特点，能在条件恶劣，人员无法抵达的环境里，完成了一系列高难度、高强度的测绘任务，发挥出了其独有的优势，给我们测绘带来前所未有的效益。在使用RIEGL VZ-1000近一年半的时间里，我们也总结了很多经验，我将此仪器的常规操作做一简要总结，作为基本的使用规范： 一、外业基础工作 1.配件及外业准备工作 三维激光扫描仪外业测绘所需配件有：RIEGL VZ-1000主机、充电器、电瓶、电瓶充电器、数据线、电源线、笔记本电脑(电池，鼠标等)。 辅助设备：RTK1+1模式、仪器箱、内六方扳手、背包（仪器保护小棉袄）、木质脚架，简易脚架、记录本、觇板、反射贴片，卷尺等。 2.充电 1）三维激光扫描仪自带电池直接可以充电，由于其自身的电池保护功能在电池电量没有完全用完的情况下，首先开机放电，让其正常耗电，电量小于10%以下，电量显示为红色，方可继续充电，否则无法充电。充电时间保持8小时以上。 2）电瓶充电时，必须严格按照正负极标注进行接线，严禁违规操作。接通电瓶充电器，绿灯亮后，在仪表盘上，电压设置12V,电流设置18A以上。充电时间保持10小时以上。 3）其余设备（RTK、笔记本电脑、对讲机等）按正常标准充电，
充分保证野外工作的顺利经行 3.外业数据采集 1）找到合适的仪器架设位置后，固定脚架，使其基本平整，将扫描仪固定到脚架上，拧紧连接螺旋。先连接数据线(注意卡口，切记野蛮连接)，如果需用电瓶供电，再连接电源线缆。打开供电按钮，启动一起，同时启动电脑。在距离扫描仪15米左右视野开阔的地方，固定简易脚架，设置反射贴片位置,并记录反射贴片高度，反射贴片正对扫描仪。 2）扫描仪开机后，仪器下方出现激光束投射到地面上，找准激光位置，做好标记，量取仪器高并记录(激光投射地面点到脚架基座的高度,单位m)。 3）笔记本启动后，桌面上点击图标，启动软件，进入软件操作界面（见图1）。 图1 软件操作界面
三维激光扫描仪分类及原理
三维激光扫描仪分类及原 理 Prepared on 24 November 2020
三维激光扫描仪分类及原理 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GPS (Global Position System)技术以来测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。三维激光扫描技术作为目前发展迅猛的新技术，必定会在诸多领域得到更深入和广泛的应用。 对空间信息进行可视化表达，即进行三维建模，通常有两类方法：基于图像的方法和基于几何的方法。基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型，其数据来源是数码相机。而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。 三维激光扫描仪的分类： 三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。
三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具可以划分为不同的类型。通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为：（1）短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为0. 6～1. 2 m，通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且精度较高，可以多达三十万个点精度至±0.018 mm。例如:美能达公司出品的VIVID 910高精度三维激光扫描仪，手持式三维数据扫描仪FastScan等等，都属于这类扫描仪。 （2）中距离激光扫描仪：最长扫描距离小于30 m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪，其多用于大型模具或室内空间的测量。 （3）长距离激光扫描仪:扫描距离大于30m的三维激光扫描仪属于长距离三维激光扫描仪，其主要应用于建筑物、矿山、大坝、大型土木工程等的测量。例如：奥地利Riegl公司出品的LMS Z420i三维激光扫描仪和加拿大Cyra 技术有限责任公司出品的Cyrax 2500激光扫描仪等，属于这类扫描仪。 （4）航空激光扫描仪：最长扫描距离通常大于1公里，并且需要配备精确的导航定位系统，其可用于大范围地形的扫描测量。 之所以这样进行分类，是因为激光测量的有效距离是三维激光扫描仪应用范围的重要条件，特别是针对大型地物或场景的观测，或是无法接近的地物等等，这些都必须考虑到扫描仪的实际测量距离。此外，被测物距离越远，地物观测的精度就相对较差。因此，要保证扫描数据的精度，就必须在相应类型扫描仪所规定的标准范围内使用。 三维激光扫描仪工作原理：
三维激光扫描仪
利用三维激光扫描仪提取塌陷裂缝 张飞跃 （西安科技大学，陕西西安 710600） 摘要：三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，是一种先进的、自动化的、非接触式、高精度三维激光技术，是继GPS之后测量技术的又一次革新。由于地面沉降引起的地裂缝是一种日趋普遍且显著的地质问题，对矿区地表作物及生态产生重大影响。利用三维激光扫描仪并结合数字图像技术提取塌陷裂缝是对三维激光技术应用的又一次扩展。论文对三维激光扫描仪进行了详细的介绍说明并通过对矿区实地数据的处理和分析，探索三维激光扫描仪在地表变形监测领域的应用理论和方法。 关键词：三维激光扫描技术，点云数据处理，数字滤波，裂缝信息提取 Using three-dimensional laser scanner to extract Surface crack ZHANG Fei-Yue (xi’an university of science and technology) Abstract：As a new measurement technique,three-dimensional laser scanning technology is an advanced, automated, non-contact, high-precision three-dimensional laser technology, following another GPS measurement technology innovations. Due to cracks caused by ground subsidence is a common and increasingly significant geological problems, there has a significant impact on the mine surface crops and https://www.360docs.net/doc/1d17640703.html,ing three-dimensional laser scanner and digital image technology to extract collapse crack is another expansion of three-dimensional laser technology .This paper has been illustrated and described in detail by mine field data processing and analysis for three-dimensional laser scanner,to explore the three-dimensional laser scanner application theory and methods in the field of surface deformation monitoring. Key words: Three-dimensional laser scanning technology，Point cloud data processing，Digital Filter，Cracks information extraction 0 引言 三维激光扫描系统是一种集高新科技于一身的空间数据获取系统。利用地面三维激光扫描技术，可以进行复杂地形地貌的地区或是管线设施密集的工厂进行扫描作业，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分析，如测绘、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。 在矿山开采沉陷研究中，传统地表沉陷观测方法在地表变形盆地主断面上步设一定密度的监测点获取地表变形数据。监测点数量有限，并且在较长的观测周期中出现因监测点难以保护而造成点位丢失的现象，给之后的数据处理工作带来
关于三维激光扫描仪测量方法的分析以及其发展前景
关于三维激光扫描仪测量方法的分析以及其发展前景 【摘要】本文主要通过图表分析探讨了三维激光扫描仪测量距离、角度等方法，并针对三维激光扫描仪测量技术的不足之处讨论其未来发展趋势，为相关工作开辟思路。 【关键词】三维激光扫描仪；测量方法；发展前景 【abstract 】this paper mainly through the chart analyses and discusses the 3 d laser scanner distance is measured, Angle and other methods, and in the light of the 3 d laser scanner measurement technology deficiency discuss the future development trend, for related work open up ideas. 【key words 】 3 d laser scanner; Measuring methods; Development prospect 在科学技术高速发展的今天，人们认知事物的角度已经逐渐由二维空间向三维空间过度，与此同时，三维激光扫描仪测量技术被各个领域广泛应用，三维激光扫描仪测量又叫作实景复制，其具有扫描快、实时性、信息量大、自动化、精确度高等优势，在文物保护、医药研究、军事训练、工程勘测等领域都具有深渊的意义。 一、三维激光扫描仪的工作原理 三维激光扫描仪运用了激光的方向性、单色性、高亮性、相干性等特点，实现了测量速度快，操作简单，测量精确度高等目的，本文主要通过测量距离原理、测量角度原理、扫描原理、定向原理四个方面探讨三维激光扫描仪的工作原理，具体内容如下。 （一）测量距离原理 距离测量是激光扫描的关键环节，其测量方法主要有三种：三角测量法、脉冲测量法、相位测量法。 1.三角测量法 三角测量法主要是通过几何关系来实现距离的测量，首先得出扫描中心与扫描对象之间的距离，之后再通过激光的发射点、接收点以及目标反射点组成空间三角形，如图1所示。 图1：三角测量法
三维激光扫描技术
三维激光扫描技术 三维激光扫描技术 三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，作为20 世纪90 年代中期开始出现的一项高新技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命，通过高速激光扫描测量的方法，大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点的(x.y.z)坐标、反射率、(R.G.B)颜色等信息，由这些大量、密集的点信息可快速复建出1:1的真彩色三维点云模型，为后续的业处理、数据分析等工作提供准确依据。具有快速性，效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化、实时性强等特点，很好的解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型，主要通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，大量的空间点位信息。是快速建立物体的三维影像模型的一种全新的技术手段。三维激光扫描技术使工程大数据的应用在众多行业成为可能。如工业测量的逆向工程、对比检测；建筑工程中的竣工验收、改扩建设计；测量工程中的位移监测、地形测绘；考古项目中的数据存档与修复工程等等。 三维激光扫描原理 三维激光扫描仪利用激光测距的原理，通过高速测量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，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。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。 三维激光扫描技术引入建筑工程的意义 随着三维扫描技术的发展与成熟，它很快成为空间数据获取的一种重要技术手段，并在很多行业引起技术性变革的热潮。目前，国建筑行业处于变革的阶段，BIM在我们从事的行业中引爆，但是都处于一种建模，碰撞分析，检测等方面，但都没有深入衔接现实，忽略施工工地数据流与建筑信息模型间的流通转化，何谈运维，所以bim模型去哪了？并没有贯穿到bim 的全生命周期中去。三维激光扫描技术在BIM中的应用是最基础的一个重要环节，对现场实际数据的采
三维激光扫描仪的原理与其应用
三维激光扫描仪 2.1三维激光扫描仪研究背景 自上个世纪60年代激光技术已经开始出现，激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展，实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球，数字城市等一系列概念的提出，我们可以看到：信息表达从二维到三维方向的转化，从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前，各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现，推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展，三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量，难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术，它可以采用无接触方式，能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据，得到被测物体表面的采样点集合“点云”，具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型，并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。 其中，地面三维激光扫描技术的研究，已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式，能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理，并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，能以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。 2.2 三维激光扫描技术研究现状 2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍 随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大，生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司，美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。
三维激光扫描仪好用吗
三维激光扫描仪是否好用？一个汽车行业技术人员的回复或许可以解答以上问题，在采访大量技术人员，得到的回答基本大同小异，“真是检测、逆向相关工作的利器啊！以前一个礼拜的工作量，现在只要半天就做完了！”所以，在实际操作应用中，我们也不难发现，三维扫描仪确实好用! 三维扫描仪在工业领域的好用性可以体现在以下几个方面： 在测量速度方面，三维扫描的测量效率可以达到CMM的数倍，这样可以提高检测频率，更快速的发现问题并分析产品的变化。经过我们的实际现场测试，扫描一辆完整的白车身只需要3个小时，同时由于使用的是手持三维扫描仪，所以可以完成车厢内部及底部等狭小空间的扫描工作。而且设备动态跟踪，可以无限扩展量程，因此不管是几厘米的零部件，还是几米的汽车，都能快速获取精确的三维数据。 1、三维扫描可以全尺寸色差分析，任意添加测点。由于其精度
高、稳定性好、便携度高，可以完成绝大部门产品的检测任务，完全可作为常规检测手段，大幅提升监控体量，利于产品尺寸稳定性控制。 2、在非大规模常规产品的应用方面，比如模具型面的检测，三维扫描可以快速检测模具型面的尺寸，检测型面贴合率，为模具研配优化提供量化数据依据；在冲压件扫描方面，可以快速检测零件尺寸，分析零件的回弹，给冲压件尺寸的整改优化提供有效的数据支持。可进行冲压件特征线R角大小的扫描检测，给零件之间特征线匹配检查提供帮助。 3、设备轻巧易携带外业很简单。 比如我们一位铸造客户的问题，他们生产的都是大型铸件。由于扫描仪量程限制、现场环境差、工件翻面数据拼接困难等因素导致这种大型工件的检测任务困难重重。而三维扫描的优势就出来了
①便携式设备，可以在车间的任何位置开始工作。 ②激光扫描，不受现场自然光线影响，不受工件表面状况影响。 ③自定位坐标系统使扫描精度不受工件震动、移动、翻面等位移 的影响。 ④免“蛙跳”的换站方式，可以自由无限扩展量程。 PS：在精度方面三维激光扫描仪更具优势，原因是因为连续工作，相当于将多次单次扫描的数据拼接在一起，一帧一帧的照片拼接起来，在拼接的过程中，一般采用具有反射材质的target来进行定位，由于激光是通过识别反射target来定位的，当识别到有target 时，会根据软件预设虚拟出一个坐标，而白光或蓝光是通过摄像头来记录，这样，就会有一个角度的问题，所以在进行连续工作时，激光三维扫描仪的精度会比白光或蓝光的更高一些。 刚刚我们回答了在工业方面，三维扫描仪很好用，那么在非工业方面，三维扫描仪好用不好用呢？ 现在的三维激光扫描仪效率更高，更加便捷，数据质量更高。可通过对物体空间外形和结构及色彩进行扫描，获得物体表面的空间坐标，所以可进行实景复制。最新的TVB剧《法证先锋4 》第一集中，就出现了2款三维扫描仪还原凶案现场，其中一款是地面空间三维扫描仪，可以快速、简便、高数据精度、全角度、可测量的实现了犯罪
三维激光扫描仪使用说明
三维激光扫描仪使用说明 1、三维激光扫描原理 Trimble GX200三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。地面三维激光扫描系统的工作原理：首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通过探测器，接收反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。 2、三维激光扫描工作流程 应用三维激光测量技术采集数据的工作过程大致可以分为计划制定、外业数据采集和内业数据处理三部分。在具体工作展开之前首先需要制定详细的工作计划，做一些准备工作，主要包括：根据扫描对象的不同和精度的具体要求设计一条合适的扫描路线、确定恰当的采样密度、大致确定扫描仪至扫描物体的距离、设站数、大致的设站位置等等；外业工作主要是采集数据：主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等等；内业数据处理是最重要也是工作量最大的一环，主要包括：外业采集到的激光扫描原始数据的显示，数据的规则格网化，数据滤波、分类、分割，数据的压缩，图像处理，模式识别等等。 3、三维激光扫描仪用途 目前Trimble GX200三维激光扫描仪的主要用途为工程测量、地形测景、虚拟现实和模拟可视化、矿区土方开挖断面和体积测量、工业制造、变形测量、加工检测、施工控测、事故调查、历史古迹的调查与恢复，以及特殊动画效果的测量等。 4、本校对三维激光扫描仪主要用途说明 本校对Trimble GX200三维激光扫描的主要用途有如下三个方面： （1）本科生可以运用三维激光扫描仪进行相关的教学实验，用于建立简单的建筑物模型，了解外业操作和内业数据处理的基本方法，使自己掌握先进的测量仪器，拓宽自己知识面，为以后进一步的研究打下基础。 （2）硕士研究生可以结合本专业情况运用三维激光扫描仪进行各种实验项目，例如可以在变形监测方面运用仪器进行相关实验，获得测量数据进行相关的后续研究。 （3）博士研究生可以更深入对三维激光扫描系统进行理论研究。例如三维激光扫描仪工作原理的研究，相关数据处理软件的研究和开发，三维激光测量系统理论方法的研究等。
三维激光扫描
9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用 三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统，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，或得点云数据。最远测量距离可达数千米，最高扫描频率可达每秒几十万，纵向扫描角θ接近90o，横向可绕仪器竖轴进行360o全圆扫描，扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机，外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。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。 目前，生产三维激光扫描仪的公司很多，典型的有瑞典的Leica公司、美国的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech 公司等。它们各自产品的测距精度、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，可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后，选用不同的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。 一、地面三维激光扫描仪测量原理 无论扫描仪的类型如何，三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的，则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。 地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。 1.测距原理 激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分，对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前，测距方法主要有脉冲法和相位法。 脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。激光发射器向目标发射一束脉冲信号，经目标反射后到达接收系统，
三维激光扫描仪都有哪些种类
顾名思义，扫描仪就是用来对物体进行扫描的工具，通过扫描我们可以得到物体的成像。但是其他产品和工具一样，扫描仪的种类也是多样的，并且不同种类的扫描仪特点和优势也各不相同。今天我们就一起来了解一下在扫描领域比较先进的三维激光扫描仪。下面将从不同类型的三维激光扫描仪有哪些特点和优势给大家进行简单的介绍。 三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。 1、脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。由光速c，时间t1，t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c/2。 脉冲测距式3D激光扫描仪，其测量精度受到扫描仪系统准确地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候，由于时间太短，就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。
2、三角测距法：用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD （图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度θ。然后结合己知激光光源与CCD 之间的基线长度d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距L≈dtanθ。 手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形：通过手持式设备，对待测物发射出激光光点或线性激光。以两个或两个以上的侦测器测量待测物的表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定参考点－通常是具黏性、可反射的贴片－用来当作三维扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据，会被导入电脑中，并由软件转换成3D模型。 3、三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、
浅谈三维激光扫描技术原理及应用
浅谈三维激光扫描技术原理及应用 摘要：三维激光扫描技术是—种新型的测绘技术，被称为“实景复制技术”。本文介绍了三维激光扫描仪的系统分类、基本原理、技术特点，探讨了三维激光扫描技术的应用。 关键词：三维激光扫描技术工作原理技术特点应用 1、引言 近年来，随着工程测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域。 2、三维激光扫描技术 随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这项国际上近期发展的高新技术已经引起了广大科研人员的关注。这种技术采用非接触式高速激光测量方式，来获取地形或复杂物体的几何图形数据和影像数据，最终通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析，转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或者建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，既省时又省力,同时点云还可输出多种不同的数据格式，做为空间数据库的数据源和满足不同应用的需要。 2.1 三维激光扫描系统组成 整个系统通常由以下四部分组成：1)三维激光扫描仪；2）数码相机；3）后处理软件；4)电源以及附属设备。如图1： 图1 地面激光扫描仪系统组成与坐标系 2.2 三维激光扫描仪的分类 三维激光扫描仪按照扫描平台可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。 三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具，按照其有效扫描距离可进行如下分类： (1)短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为
三维激光扫描仪分类及原理.
三维激光扫描仪分类及原理 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GPS (Global Position System)技术以来测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用，无需复杂的费时费力的数据后处理；且无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用；并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。三维激光扫描技术作为目前发展迅猛的新技术，必定会在诸多领域得到更深入和广泛的应用。 对空间信息进行可视化表达，即进行三维建模，通常有两类方法：基于图像的方法和基于几何的方法。基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型，其数据来源是数码相机。而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。 三维激光扫描仪的分类： 三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为：机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。 三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具可以划分为不同的类型。通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类，可分为：（1）短距离激光扫描仪：其最长扫描距离不超过3m，一般最佳扫描距离为0. 6～1. 2 m，通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测，不仅扫描速度快且精度较高，可以多达三十万个点精度至±0.018 mm。例如:美能达公司出品的VIVID 910高精度三维激光扫描仪，手持式三维数据扫描仪FastScan等等，都属于这类扫描仪。 （2）中距离激光扫描仪：最长扫描距离小于30 m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪，其多用于大型模具或室内空间的测量。
三维激光扫描仪在古建筑测绘的应用
三维激光扫描仪在古建筑测绘的应用 引言 古建筑的艺术价值、文化价值及历史价值较高，是中国几千年来的文化沉淀和劳动人民智慧的结晶。随着社会经济的发展，人们对古文物建筑保护的重视度日益提升，在古建筑保护中，古建筑测绘是一项基本工作，具有深远的意义。随着科学技术的不断发展和计算机技术的发展，空间数据采集的手段和方法不断创新，三维激光扫描仪产生。作为空间数据获取的有效手段，它能够对事物的客观事实进行迅速的反映，对古建筑的测绘具有重要作用。 1三维激光扫描仪和古建筑测绘 1.1三维激光扫描仪的测量原理 三维激光扫描仪是新兴的测量技术，能够对大范围区域的信息进行高精度、直接、快速以及全天候的采集，它利用激光测距的原理，通过点云集密集的目标物表面的纹理信息、反射率和三维空间坐标对其空间进行三维记录。 1.2古建筑测绘
古建筑测绘是将测绘学直接应用于文化遗产保护领域，对建筑遗产进行记录、监测和保护。在古建筑保护中，对保护对象进行完整的测绘并存档，为日后的修复和重建提供参考依据是最基本的工作任务。传统的古建筑测绘所用到的测量工具是垂球、直尺和角尺等，最终获取的数据多用图纸和文字记录，对古建筑的现状和尺寸表达不准确，也容易出现遗漏，对后期的工作产生不利影响，造成资源的浪费。 2古建筑测绘中三维激光扫描仪应用的误区 2.1对三维激光扫描仪的精度认识存在误区 误差和错误不同，错误可以避免而误差是不可避免的。在多数情况下，物体的真实值无法知道，测量只是对某个量真值的描述，即使多次重复测量的平均值也只是接近真值。而精度和误差又是两个不同的概念，精度是在测量中误差分布的程度，即为概率；误差是测量值和真实值的差异。测量的精度高仅说明测量中误差分布的大小较为集中，并不是测量的误差值。在古建筑测绘中，数据的获取和二维线划图的精度，不仅受扫描仪精度的影响，点捕捉的误差、点云的厚度的因素也会对其造成影响。因此，在应用三维激光扫描仪进行古建筑测绘时，不能过分相信仪器的精度，应当对误差产生的来源进行细致的分析，从而确定结果的实际精度。
实验一 三维激光扫描仪数据采集
班级：测132 学号：2013123025 姓名：王秋瑾 ----------------------------------------------------------------------------------- 实验一三维激光扫描仪数据采集 一、实验目的 1．熟悉三维激光扫描仪结构与功能； 2．掌握三维激光扫描仪作业模式； 3．掌握三维激光扫描仪数据采集的方法。 二、实验时间与地点 时间：2016年4月8日 地点：测绘楼停车场 三、实验的仪器与工具 徕卡C10扫描仪一套，球形标靶4个。 四、实验内容 （一）三维激光扫描仪主要部件 （1）徕卡C10扫描文件仪（含电池）（2）三角架 图4-1 徕卡C10扫描文件仪图4-2三角架 （3）球形标靶4个(4)电池充电器2个 图4-3 球形标靶图4-4 电池充电器
（5）电源线1个，外接电缆1 个（6）内置扫描软件 图4-5 电源线和外接电缆图4-6 内置扫描软件 （二）三维激光扫描仪数据采集的方法 （1）选取合适的扫描对象 测绘132第三组选取汽车作为扫描对象 （2）扫描仪安置 在【主菜单】中点击【状态】图标（图4-7），在弹出的【状态菜单】中点击【整平&激光对中】图标（图4-8），调节脚螺旋使圆水准器气泡居中（图4-9），在弹出的【整平&激光对中】菜单中将扫描仪对中并整平（图4-10）。 图4-7主菜单图4-8状态菜单 图4-9 圆水准器气泡居中图4-10对中整平菜单
（3）新建工程文件 在主菜单，点击【管理】图标，在弹出的【管理菜单】中点击【工程】图标 （图4-11），在弹出的【工程】菜单中点击【新建】按钮来创建新的工程文件。 在【新建工程】菜单中输入名称：ch132,完成后点击回车按钮完成该项的输入(图 4-12)，待所有的项目编辑完成之后点击【储存】按钮（图4-13）。 图4-11管理菜单图4-12新建工程输入面板 图4-13新建工程菜单 （4）设置测站点 在建立新的工程文件后在主菜单，点击【扫描】图标，在弹出的【开始扫描】 菜单中点击【新建站】按钮，由于是采用标靶测量，所以仪器自身设置测站号 （5）目标物扫描 在【主菜单】中点击【扫描】图标，在弹出的对话框中设置扫描参数信息，包括视场、分辨率、拍照控制、过滤器。 1）视场设置。在【视场】的【预设值】选项中选择Quick Scan”选项（图4-14）。 点击【窗扫描】按钮，在视频图像窗口中分别将十字丝移动至将要扫描对象的左 右两侧，退出视频窗口，记录下左右边界的数值（图4-与15图4-16）。在【预
三维激光扫描技术的发展及应用本科论文
三维激光扫描技术的发展及应用 摘要：三维激光扫描技术是一种新型的测绘技术，被称为“实景复制”技术，是测绘领域继GPS开发之后后又一项技术革命，通过和传统的测量技术的比较，介绍了三维激光扫描仪的基本原理，技术特点，及其与传统测量比较的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效，快捷，精确，简便等特点，被广泛的应用于测绘行业各个领域。本文探讨了三维激光扫描技术在土地复垦领域的应用的优缺点，并且就瑞士Leica三维激光扫描仪及其数据处理软件Cyclone的操作流程进行探讨研究。本文主要介绍了三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、主要应用和发展方向等几方面的状况，重点介绍三维激光扫描技术在工程测量领域的应用。 关键词：三维激光扫描定义，工作原理，技术特点，主要应用，现状发展趋势引言： 近些年来，随着测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求，传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和逆向工程的需要相比这些传统的测量技术，三维激光扫描技术具有极大的技术优势，特别是在数据采集方面，具有高效、快捷、精确、简便等特点，被广泛的应用于各个领域三维激光扫描技术。 主题 三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域GPS 技术之后的又一次技术革命。它是从传统测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展的，是对多种传统测绘技术的概括及一体化。三维激光扫描系统一般由扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统三部分构成，激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。
1.工作原理 三维激光扫描测绘技术的测量内容是高精度测量目标的整体三维结构及空间三维特性，并为所有基于三维模型的技术应用而服务；传统三维测量技术的测量内容是高精度测量目标的某一个或多个离散定位点的三坐标数据及该点三维特性。前者可以重建目标模型及分析结构特性，并且进行全面的后处理测绘及测绘目标结构的复杂几何内容。如：几何尺寸、长度、距离、体积、面积、重心、结构形变，结构位移及变化关系、复制、分析各种结构特性等；而后者仅能测量定位点数据并且测绘不同定位点间的简单几何尺寸，如：长度、距离、点位形变、点位移等。 三维激光扫描测量原理：每一个扫描云点的测量都是基于三角测量原理进行的，并且根据激光扫描的传感驱动进行三维方向的自动步进测量。三角测量原理的实现是通过激光发射器发出的激光束经过反光镜（三角形的第一个角点）发射到目标上，形成反光点（三角形的第二个角点），然后通过CCD（三角形的第三个角点）接受目标上的反光点，最后，基于两个角度及一个三角底边计算出目标的景深距离（Y坐标），再经过激光束移动的反光点的位移角度差及Y坐标等计算出Z，X坐标。参见图4。 反光镜的作用在于将激光束进行水平偏转，以便实现激光水平方向的扫描测绘功能。扫描仪主体本身的周向自旋转功能可以实现纵向的扫描，每当水平扫描一个周期后，扫描仪主题将步进一次，以便进行第二次水平扫描，如此同步下去，最终实现对所有空间的扫描过程。 每扫描一个云点后，CCD将云点信息转化成数字电信号并直接传送给计算机系统进行计算。进而得到被测点的三维坐标数据。 扫描仪采用自动的、实时的、自适应的激光束聚焦技术（在不同的视距中），以保证每个扫描云点的测距精度及位置精度足够高。它可以工作在非常广域的照度下及各种复杂环境中进行操作。 根据目标大小及精度要求，徕卡可以把不同视点采集的点云信息经过拼接处理后合并到同一个坐标系中，合并办法是通过多个定标球来完成的。 操作员使用一个便携计算机便可在现场遥控操作。传感器中的视频微摄像机可以提供实时获取观测景象。
三维激光扫描仪应用案例1.
三维激光扫描仪应用案例1：变形监测 三维激光扫描仪是目前国际上最先进的获取物体三维点阵的设备。它可以将任何大型的、复杂的实体或实景的三维数据完整地采集到计算机中，进而快速建立目标的三维模型并提取线、面、体等各种制图数据，它所采集的三维激光点云数据经过处理还可应用在许多场合。三维激光扫描技术改变了传统的单点数据采集方式，可以在很短时间内以很小的采样间隔，获取实体表面各点坐标，实现“实景复制”。 优势：１、高效率；２、数据精细；３、与近景摄影测量相比方便建立模型缺点：１、目前价格高。 多发滑坡崩塌事故的某露天矿的高陡边坡需要变形监测。 采用三维激光扫描仪监测变形，需要解决的难题是：如何布设测站和控制标靶和目标球；如何统一各次扫描的坐标系统；如何提取变形信息；变形监测误差的估算；如何显示变形数据等。 变形监测方法： 测站地点要选择在地面坚实、受变形影响小，且离变形体近（<150m）的地方；布设专用标牌； 初始扫描并内业处理； 按照观测要求，实施各期扫描并内业处理；
提交数据和结论： 由于点云数据极其密集，靠视力很难分辨一个点的变形情况，所以必须对变形体进行处理，以方便提取变形信息。 方法一：在变形体表面安装多个涂色的球形标志，根据颜色和形状，可以从扫描点云中将球形标志分辨出来，用Cyclone软件建立球模型并输出球心坐标，通过比较各时段扫描数据中相同球心坐标变化来提取变形信息。
模型（DTM），让所有时段的变形体模型的坐标方法二：根据所有点云数据建立变形体的数字地面系统一致，直接分析所有模型的变形。对于滑坡监测，可以采用数字高程模型（DEM）。 根据DEM提取变形信息： 由于不同时间段的DEM并不完全相同，为了比较相同水平坐标点的高程变化，需要以初始扫描时建立的DEM数据作为参考，将后面的DEM进行内插计算。以该坐标相邻点的高程加权平均值作为该点高程。最后比较相同点的高程变化来分析变形。 变形结果输出和显示： 提取出的地形变化可以用Matlab和CAD下自主开发的软件来表示。也可以用表格、文本、断面图、曲线图、三维变形曲面图来表示。 精度分析： 采用上述方法一来提取变形数据，由于模型表面精度为±2mm，可以满足变形监测要求。采用方法二，是将各个单点数据进行处理，取其平均值，则精度也要优于±6mm。参与计算的点越多精度越好。而用传统的全站仪来观测，其精度在厘米级。所以两者没有明显的精度区别。