三维激光扫描系统
隧道三维激光扫描系统
德国SPACETEC公司
工作参数如下： 扫描头工作频率：旋转速度可达250~300Hz(即扫 描头每秒可旋转250~300转) 螺旋线纵向间距：相邻两条扫描测线纵向间距为 2~5mm
扫描精度：每条扫描线(360°范围)10000激光测 点，2500000~3000000点/秒
TS3型隧道三维激光扫描系统
德国SPACETEC公司
隧道定期检测目的
• 找出隧道衬砌表面的全部病害； • 准确判断病害是否发展； • 为业主养护提供科学依据和合理建议。
TS3型隧道三维激光扫描系统
德国SPACETEC公司
养护业主的期望
• 合理的价格； • 全面而准确的查； • 科学而合理的建议
TS3型隧道三维激光扫描系统
理，便于分析数据的正确性，加
快工作进度。 三个同步记录频道：在一次记
录扫描下，TS3能生成一张隧道表
面像片、热影成像图片和断面尺 寸数据图片，允许进行计算机组
合，生成多种不同的分析结果。
TS3型隧道三维激光扫描系统
德国SPACE活性 TS3隧道扫描仪能安装在任何只要 有足够安放扫描仪和操作平台的空间， 且能提供相应载重能力的运输机车上。 这可以是像小型货车和小客车等公路交 通工具，也可以是任何能描述的轨道车 辆。这使得扫描系统可适用于任何应用， 不管是公路、铁路还是城市轻轨地铁隧 道，也可适用于能源隧道和水工隧道。
德国SPACETEC公司
该检测系统硬件主要由四部分构成：
带电镜驱动和控制器的360度扫描头 两套同步数据采集和存储系统 配套改装运载车辆 辅助测量设备
TS3型隧道三维激光扫描系统
德国SPACETEC公司
带电镜驱动和控制器的360度扫描头 主要性能：
三维激光扫描系统技术参数
三维激光扫描系统技术参数一．仪器精度:（1）点位精度：3 mm @ 50 m; 6 mm @ 100 m（2）距离精度：1.2 mm + 10 ppm（3）角度精度：8" / 8"（垂直/水平）（4）标靶获取精度:2 mm @ 50 m（5）双轴补偿器:实时机载液态传感器形式的双轴补偿，可选开/关，分辨率1’，补偿范围+/- 5’，补偿精度1.5"二．激光扫描:（6）激光类型:脉冲式,超高速WFD（波形数字化）增强技术,颜色及波长:1550 nm (不可见的) /658 nm (可见的),激光等级1级（符合IEC60825:2014标准)（7）扫描距离,范围:最小距离0.4 m最大范围270 m(34 %反射率)，范围噪音*0.4 mm rms @ 10 m,0.5 mm rms @ 50 m（8）扫描速率：1000000点/秒（9）激光光斑大小：前窗激光光斑直径≤3.5mm（10）数据储存容量：256 GB内置固态硬盘（SSD）或外接USB设备（11）数据传输：千兆以太网，集成WLAN USB 2.0设备（12）机载界面显示：触摸屏（触笔）控制，真彩色VGA图形显示（640 x 480像素)（13）激光对中器：激光安全等级：1级（IEC 60825:2014）对中精度：1.5 mm @ 1.5 m 激光光斑直径：2.5 mm @ 1.5 m可打开/关闭（14）激光发散角：<0.23mrad（15）视场角：水平：360°（max）垂直：270°（max）照准：无视差，可变焦（16）仪器可同时使用两块内置锂电池和一块外挂锂电池，支持热交换2块内电池内置电池> 5.5小时（2块电池）外挂电池> 7.5小时（常温下）以便适应长时间野外作业；外接电源：24 V直流电或100 - 240 V交流电，典型40w功耗；。
工程测量新技术—三维激光扫描技术(工程测量)
扫描仪的内部有一个固定的空间直角坐标系统。当一个扫描站上不能 测量物体全部而需要在不同位置进行测量时，或者需要将扫描数据转 换到特定的工程坐标系中时，都要涉及坐标转换问题。为此，就需要 测量一定数量的公共点来计算坐标变换参数。为了保证转换精度，公 共点一般采用特制的球面（形）标志（也称球星标靶）和平面标志 （也称平面标靶），在变形监测时一般采用贴片固定在监测对象上。
野外扫描方案设计
• 3).大范围区域扫描方案设计。当扫描范围比较大，扫描站 数较多时，采用一种拼接方式可能会有较大的累积误差。 目前大范围区域点云数据拼接是研究的热点问题，直接影 响野外扫描方案的制定。
野外获取点云数据
• 1.扫描的基本步骤。 • 在项目实施过程中，野外获取点云数据是重要的组成部分，
获取完整符合精度要求的点云数据是后续建模与应用的基 础。扫描开始前要做好相关准备工作，主要包括仪器、人 员组织、交通、后勤保障、测量控制点布设等。
野外获取点云数据
• 一个侧站上扫描的基本步骤为： • a.仪器安置。对于集成度较高的扫描仪，仪器安置主要工作包括电源
（锂电池或者交流电源）、对中（在需要条件下）、整平，这些操作 需要的时间非常短。对于扫描控制与数据存储采用笔记本电脑的分体 式扫描仪，需要将各个部件连接完整，就需要一定的时间内，一般是 半小时以内。 • b.仪器参数设置。在确认仪器安置无误后，可以打开仪器电源开关， 一般开机可能需要几分钟时间。当开机完成后，可以进行扫描参数设 置，主要包括工程文件名，文件存储位置，扫描范围，分辨率，标靶 类型等。其中与精度相关参数设置要与项目设计相符。
➢ 制定扫描方案的主要过程：
• 1）明确项目任务要求。当扫描项目确定后，承包方技术负责人必须向项目发 包方全方位细致的了解项目的具体任务要求，这是制定项目技术设计的主要 依据。
三维激光扫描仪原理
目标的反射特性，如表面粗糙度、颜色等，可能影响激光的反射 和接收，从而导致测量误差。
误差控制与校正
硬件优化
通过对硬件部件的优化和校准，可以降低由硬件 引起的误差。
环境稳定性
在扫描过程中保持环境条件的稳定，如温度、湿 度等，有助于减少环境因素对测量结果的影响。
数据处理算法
通过开发和应用先进的数据处理算法，可以对扫 描数据进行校正，以减小误差并提高测量精度。
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感谢您的观看
03
三维激光扫描仪工作流 程
扫描准备
确定扫描目标
01
根据项目需求，确定需要扫描的目标物体或场景，并对其进行
预处理，如清理表面污垢、移除遮挡物等。
设置扫描参数
02
根据目标物体的尺寸、材质和细节要求，设置合适的扫描参数，
如扫描范围、分辨率、点云密度等。
安置标定参照物
03
在扫描区域内安置标定参照物，用于后续的坐标系转换和设备
三维激光扫描仪原理
contents
目录
• 三维激光扫描仪概述 • 三维激光扫描仪系统组成 • 三维激光扫描仪工作流程 • 三维激光扫描仪精度与误差来源 • 三维激光扫描仪发展趋势与挑战
01
三维激光扫描仪概述
定义与特点
定义
三维激光扫描仪是一种通过激光 测距技术快速获取物体表面点云 数据的测量仪器。
坐标系转换与配准
将点云数据从设备坐标系转换到全 局坐标系，并进行多站数据的拼接 与配准，以获得完整的三维模型。
数据输出
将处理后的点云数据或三维模型导 出为通用的数据格式，如XYZ、OBJ、 STL等，以便于后续的分析和应用。
04
车载三维激光扫描系统简介
一、系统简介三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。
它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。
可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。
近些年来，三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展，最具代表性的就是车载三维激光扫描仪，车载三维激光扫描仪是将三维激光扫描设备、卫星定位模块、惯性测量装置、里程计、360°全景相机、总成控制模块和高性能板卡计算机集成并封装于汽车的刚性平台之上，在汽车移动过程中，快速获取高精度定位定姿数据、高密度三维点云和高清连续全景影像数据，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理，实现无控制的空间地理信息采集与建库。
汽车、三维激光扫描仪、数据处理软件，这三部分共同组成了车载三维激光扫描系统。
图1.车载三维激光扫描系统图2.系统工作原理图二、发展状况随着地理空间信息服务产业的快速发展，地理空间数据的需求也越来越旺盛。
地理空间数据的生产，成为世界经济增长的一大热点。
目前世界上最大的两家导航数据生产商NavTech和Tele Atlas均将车载三维激光扫描系统作为其数据采集与更新的主要手段，并将该技术视为公司的核心技术。
我国在车载三维激光扫描系统测图领域的研究起步较早，现已在多传感器集成、系统误差检校、直接地理参考技术、交通地理信息系统等方面取得突破性的进展，其中最具代表性的有李德仁院士主持、立得空间信息技术有限公司研制的LD2000-RM车载道路测量系统和刘先林院长主持、首都师范大学研制的SSW车载测图系统。
三、国内的应用经过多年的发展和应用，车载三维激光扫描系统已在我国基础测绘、应急保障测绘、街景导航地图测绘、三维数字城市建设、矿山测绘、公路GIS与公路路产管理、电力GIS数据采集与可视化管理、铁路GIS与铁路资产管理、公安GIS数据采集等项目中得到广泛应用。
三维激光扫描仪的优点
3D激光扫描仪具有更大的适应温度范围，可避免受到环境的影响，例如雨、灰尘、酷热或严寒。
2
监控工作进展
利用激光扫描仪，测量人员可以测量、管理并报告工作质量，提供三维数据计算体积、面积，工作进展一目了然。
3
数据点云精度更高
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，相对于传统的单点测量，具有测量精度高，作业周期短的特点。
4
降低施工成本
利用3D激光扫描仪可以节省一定的人力物力，精准测量，避免返工，造成浪费。
5
缩短工期
利用3D激光扫描仪可以快速完成每个测量的扫描放线工作，且精度高，误差极小，避免返工，提高施工效率，节省工期。
6
质量保证
简化施工过程，将设计图与现实之间的偏差降到最低。在项目的每个阶段，数据点云可提供详细的施工信息，施工质量有保证。
三维激光扫描分类及工作操作规范
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a和纵向扫描角度观测值0。
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中。
其中选择的反射参照点都具有高反射特性，它的布设可以根据不同的应用目的和需要选择不同的数量和型号，通常两幅重叠扫描中应有四到五个反射参照点。
(2)、数据处理1)数据预处理数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数据进行预处理，应用过滤算法剔除原始点云中的错误点和含有粗差的点。
对点云数据进行识别分类，对扫描获取的图像进行几何纠正。
2)数据拼接匹配一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反映实体信息的，这需要我们在不同的位置对它进行多幅扫描，这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配问题。
三维激光扫描系统技术参数
三维激光扫描系统技术参数一．仪器精度:（1）点位精度：3 mm @ 50 m; 6 mm @ 100 m（2）距离精度：1.2 mm + 10 ppm（3）角度精度：8" / 8"（垂直/水平）（4）标靶获取精度:2 mm @ 50 m（5）双轴补偿器:实时机载液态传感器形式的双轴补偿，可选开/关，分辨率1’，补偿范围+/- 5’，补偿精度1.5"二．激光扫描:（6）激光类型:脉冲式,超高速WFD（波形数字化）增强技术,颜色及波长:1550 nm (不可见的) /658 nm (可见的),激光等级1级（符合IEC60825:2014标准)（7）扫描距离,范围:最小距离0.4 m最大范围270 m(34 %反射率)，范围噪音*0.4 mm rms @ 10 m,0.5 mm rms @ 50 m（8）扫描速率：1000000点/秒（9）激光光斑大小：前窗激光光斑直径≤3.5mm（10）数据储存容量：256 GB内置固态硬盘（SSD）或外接USB设备（11）数据传输：千兆以太网，集成WLAN USB 2.0设备（12）机载界面显示：触摸屏（触笔）控制，真彩色VGA图形显示（640 x 480像素)（13）激光对中器：激光安全等级：1级（IEC 60825:2014）对中精度：1.5 mm @ 1.5 m 激光光斑直径：2.5 mm @ 1.5 m可打开/关闭（14）激光发散角：<0.23mrad（15）视场角：水平：360°（max）垂直：270°（max）照准：无视差，可变焦（16）仪器可同时使用两块内置锂电池和一块外挂锂电池，支持热交换2块内电池内置电池> 5.5小时（2块电池）外挂电池> 7.5小时（常温下）以便适应长时间野外作业；外接电源：24 V直流电或100 - 240 V交流电，典型40w功耗；。
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三维激光扫描系统
基本介绍
三维测量可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能的测量”。
三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。
应用领域
机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型等测量高精度的几何零部件以及测量复杂形状的机械零部件。
三维测量技术的应用领域：
最近几年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，目前三维扫描设备也逐渐商业化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。
这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。
因此，其已经成为当前研究的热点之一，并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。
(1)测绘工程领域：大坝和电站基础地形测量、公路测绘，铁路测绘，河道测绘，桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。
(2)结构测量方面：桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量;管道、线路测量、各类机械制造安装。
(3)建筑、古迹测量方面：建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量、文物修复，古建筑测量、资料保存等古迹保护，遗址测绘，赝品成像，现场虚拟模型，现场保护性影像记录。
(4)紧急服务业：反恐怖主义，陆地侦察和攻击测绘，监视，移动侦察，灾害估计，交通事故正射图，犯罪现场正射图，森林火灾监控，滑坡泥石流预警，灾害预警和现场监测，核泄露监测。
(5)娱乐业：用于电影产品的设计，为电影演员和场景进行的设计，3D游戏的开发，虚拟博物馆，虚拟旅游指导，人工成像，场景虚拟，现场虚拟。
三维测量方式
1)将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，这项技术就是三坐标测量机的原理。
三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，可以替代多种表面测量工具，减少复杂的测量任务所需的时间，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息。
2)三维激光扫描仪是通过发射激光来扫描被测物，以获取被测物体表面的三维坐标。
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，具有高效率、高精度的测量优势。
有人说，三维激光扫描是继GPS技术以来测绘领域的又一次技术革命。
三维激光扫描仪被广泛应用于结构测量、建筑测量、船舶制造、铁路以及工程的建设等领域，近些年来，三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展，最具代表性的就是车载三维激光扫描仪和机载三维激光雷达。
3)[1] 拍照式三维扫描仪采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。
这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能。
所谓拍照测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。
三维激光切割原理
激光是一种光，与自然界其它发光体一样，是由原子(分子或离子等)跃迁产生的，而且是自发辐射引起的。
激光虽然是光，但它与普通光明显不同是激光仅在最初极短的时间内依赖于自发辐射，此后的过程完全由激辐射决定，因此激光具有非常纯正的颜色，几乎无发散的方向性,极高的发光强度。
激光同时又具有高相干性、高强度性、高方向性，激光通过激光器产生后由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的融化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工的目的。
激光加工技术在广告行业的应用主要分为：激光切割、激光雕刻两种工作方式，对于每一种工作方式，我们在操作流程中有一些不尽相同的地方。
三维激光切割是利用工业机器人灵活和快速的动作性能，根据用户切割加工工件尺寸的大小不同，可以选择将机器人进行正装或者倒装对不同产品、不同轨迹进行示教编程或离线编程，机器人的第六轴装载光纤激光切割头对不规则工件进行三维切割;光纤激光切割头上配备随动装置和光路传输装置，利用光纤将激光传输到切割头上，再利用聚焦系统进行聚焦，针对不同厚度的板材开发出多套聚焦系统对多种三维金属板材进行多方位的切割，满足客户的需求。
三维激光切割是利用工业机器人灵活和快速的动作性能，根据用户切割加工工件尺寸的大小不同，可以选择将机器人进行正装或者倒装对不同产品、不同轨迹进行示教编程或离线编程，机器人的第六轴装载光纤激光切割头对不规则工件进行三维切割;光纤激光切割头上配备随动装置和光路传输装置，利用光纤将激光传输到切割头上，再利用聚焦系统进行聚焦，针对不同厚度的板材开发出多套聚焦系统对多种三维金属板材进行多方位的切割，满足客户的需求。