三维激光扫描仪
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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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
三维激光扫描仪参数设置指南
三维激光扫描仪参数设置指南1. 前言嘿，朋友们！今天咱们来聊聊三维激光扫描仪，听起来高大上对吧？别担心，我们会把这个复杂的东西说得简单易懂。
就像喝水一样，轻轻松松就能搞定！那么，准备好了吗？咱们开始吧！2. 了解三维激光扫描仪2.1 什么是三维激光扫描仪？三维激光扫描仪就像你手里的“魔法相机”，它能瞬间把现实世界的三维数据记录下来。
你只需把它摆好，轻轻一按，咔嚓，整个场景都在它的“脑海”里了。
这就像你拍照一样，不过这个相机可不简单，能捕捉到更详细的深度信息，帮你生成超精准的三维模型。
2.2 用途有哪些？说到用途，那可是多得数不清！不管是建筑设计、文化遗产保护，还是工业测量，三维激光扫描仪都能派上大用场。
想象一下，在一个古老的寺庙里，扫描一下就能完美记录下所有细节，真是太酷了吧！而且，未来再复原的时候就方便多了，简直就是时间旅行者的必备良品！3. 参数设置的基本要领3.1 扫描模式的选择好啦，进入正题，咱们得开始调整参数了。
首先，要选择合适的扫描模式。
这里有几个常见的选择：快速模式、高清模式和室内/室外模式。
快速模式适合赶时间的朋友，反正结果也不要求太精细；高清模式呢，就像你的高清电视，细节满满，适合那些喜欢“看得仔细”的人。
室内和室外模式各有千秋，别搞混了哦！在室内扫描时，光线和反射会影响结果，得小心翼翼。
而室外就更要考虑天气情况，风一吹，数据可就飞了！3.2 分辨率与扫描范围接下来，咱们得聊聊分辨率和扫描范围。
这两个参数就像是给你的激光扫描仪穿衣服，得根据需求来选择。
分辨率越高，数据越细致，但扫描速度可能就会慢一些。
而扫描范围就像你拉开窗帘，看得越远，越能看到大千世界。
要是你只想扫描个小房间，范围就没必要设得太大，省电又省时间。
不过，记得适度哦，别像拿着放大镜看蚂蚁，哈哈！4. 实际操作小技巧4.1 数据存储与管理嘿，朋友们，数据存储也很重要！扫描完成后，数据会像一堆小星星，得好好管理。
建议你用外接硬盘，确保数据不丢失。
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。
激光三维扫描仪原理
激光三维扫描仪原理嘿，朋友们！今天咱来唠唠激光三维扫描仪原理这玩意儿。
你说这激光三维扫描仪啊，就像是一个超级厉害的“眼睛”！它能把物体的形状、大小、细节啥的，都给看得清清楚楚，明明白白。
想象一下啊，你面前有个复杂得像迷宫一样的物体。
咱普通眼睛看过去，可能也就是个大概轮廓。
但激光三维扫描仪可不一样，它就像个神奇的侦探，一束束激光就是它的线索，一点点地去探索这个物体的每一个角落和缝隙。
它的工作原理呢，其实也不难理解。
就是通过发射激光束，然后这些激光碰到物体后就会反射回来。
这就好比你朝墙上扔个球，球弹回来，你就知道墙在哪里啦！扫描仪呢，就根据激光反射回来的时间和角度等等信息，来计算出物体的各种数据。
你说神奇不神奇？就这么一束束小小的激光，就能把一个物体的所有信息都给“挖”出来。
这要是放在以前，那不得让人惊掉下巴呀！而且啊，这激光三维扫描仪用处可大了去了。
比如在工业领域，它能帮着检测产品质量，看看有没有瑕疵啥的。
要是产品有个小坑小洼的，它一下子就能发现，比人眼可厉害多了。
在文化领域呢，它能给文物来个全方位的扫描，把那些珍贵文物的样子原原本本地保存下来，这多有意义呀！再想想看，要是没有激光三维扫描仪，那我们很多工作得多难开展呀！就像没有导航的车，只能瞎转悠。
有了它，我们就像是有了一双超级慧眼，什么复杂的东西都能轻松搞定。
你说，这激光三维扫描仪是不是个了不起的发明？它就像给我们打开了一扇通往新世界的大门，让我们能看到更多、了解更多。
它让我们的生活变得更加丰富多彩，也让我们的科技不断向前迈进。
所以啊，咱可得好好感谢那些发明激光三维扫描仪的人，是他们让我们的世界变得更美好呀！。
激光3d扫描仪原理
激光3d扫描仪原理
激光3D扫描仪是一种利用激光测距原理进行三维物体表面信
息获取的设备。
其工作原理基于光电测量技术，通过测量物体表面上一系列点的三维坐标，最终构建出物体的三维模型。
具体操作过程如下：
1. 激光器发射一束激光束并照射到物体表面上的某个点上，光束被物体表面反射或散射后，一部分光束返回扫描仪。
2. 接收器接收到反射或散射回来的光束，并将其转化为电信号。
3. 通过测量光束的时间延迟或相位差，可以计算出激光束从发射到返回所需的时间，进而计算出该点与扫描仪之间的距离。
4. 通过控制激光束的扫描方式（例如旋转镜或移动激光头）以及接收器的接收方式（例如点接收或线接收），可以将激光束照射到物体表面的不同位置，从而获取到物体表面上多个点的三维坐标。
5. 计算机将得到的三维坐标数据进行处理，通过点云配准和重建算法，可以生成物体的三维模型。
利用激光3D扫描仪可以快速、准确地获取物体的三维形状和
表面细节。
它具有高精度、非接触性、快速扫描速度等优点，广泛应用于工业设计、逆向工程、文化遗产保护、医学等领域。
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。
三维激光扫描仪原理
三维激光扫描仪原理
三维激光扫描仪原理
一、三维激光扫描仪的定义
三维激光扫描仪，也称三维激光雷达，是一种以光学技术为主，通过利用激光散射进行测量和图像处理技术，准确测量运动或静态物体的形状、尺寸及其他特性的设备。
二、三维激光扫描仪运行原理
1.激光脉冲发射：通过激光头发射准确、高脉冲能量的激光脉冲，强激光脉冲扩散洒射到目标物体上，对其表面形状反射回激光的多个点进行测量。
2.激光散射测量：激光脉冲扩散到目标物体表面之后，会有一定的反射量传回激光探测器，通过激光探测器和控制系统，可以获得目标物体距离传感器的距离，实现目标物体表面形状的量化测量。
3.数据采集：将激光探测器获取的数据传送到控制电路，经过精确的单元操作，将数据分析成表面形状的某种空间量化模型，实现对目标物体形状形式表示和记录的数据采集处理。
4.三维模型重建：将控制系统接收的数据进行处理，利用重建算法求解出三维模型，实现对目标物体的三维重建，最终得到该物体的中心坐标、尺寸及其他特性。
三、三维激光扫描仪的应用
1. 工业自动化：三维激光扫描仪往往用于检测工件的准确性和合格性，并帮助开发过程中的可视化和实验测试。
2. 无人机导航：由于三维激光扫描仪拥有高精度、宽范围和极低空间要求，因此可以用于无人机技术，帮助无人机在环境比较复杂的情况下以最优路径进行导航。
3. 在医学领域：激光扫描技术可以用来诊断机器中的结构变化，检测微小的细胞变化并执行仪器检测，诊断某些特定疾病以及重建软组织模型。
4. 其他应用：三维激光扫描技术还可以在船舶自动驾驶、飞行飞机的检验维修、地质勘查领域及重建历史文物方面得到广泛应用。
三维激光扫描仪原理
三维激光扫描仪原理
三维激光扫描仪是一种利用激光技术对物体进行三维扫描的设备，它能够快速、精确地获取物体表面的三维形状信息，被广泛应用于工业设计、文物保护、医学影像等领域。
其原理主要包括激光发射、光束聚焦、光斑定位、数据采集和数据处理等环节。
首先，激光扫描仪通过激光器发射一束单色、准直的激光光束，然后利用光学
系统对激光光束进行聚焦，使其成为一束细小的光斑。
这个过程需要确保激光的稳定性和光斑的清晰度，以保证后续扫描的准确性和精度。
接着，光斑被照射到待扫描物体的表面，光斑在物体表面投射出一个二维的图像，激光扫描仪通过控制光斑的移动和旋转，可以扫描整个物体表面，并且在扫描的同时记录下光斑的位置信息。
这个过程需要激光扫描仪具备高速、高精度的运动控制系统，以确保光斑的定位和扫描的连续性。
随后，激光扫描仪将记录下的光斑位置信息转化为数字信号，并通过高速数据
采集系统进行采集和存储。
在数据采集过程中，需要考虑信噪比、采样率、数据传输速度等因素，以保证采集到的数据具有足够的准确性和完整性。
最后，激光扫描仪利用数据处理软件对采集到的数据进行处理和重建，通过三
维重建算法将二维的光斑图像转化为物体表面的三维点云数据，然后根据点云数据生成三维模型。
在数据处理的过程中，需要考虑数据配准、滤波、拼接、曲面重建等算法，以获取高质量的三维模型数据。
综上所述，三维激光扫描仪通过激光发射、光束聚焦、光斑定位、数据采集和
数据处理等环节，实现了对物体表面的快速、精确扫描，为工业设计、文物保护、医学影像等领域的应用提供了重要的技术支持。
随着激光技术的不断发展和进步，相信三维激光扫描仪在未来会有更广阔的应用前景。
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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 crackZHANG 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 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 extraction0 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：θϕθϕθsin 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、ϕ分别求偏导，根据误差传播定律可得：()()()()()()()()222222222222222222222222/cos sin /cos cos /sin sin sin cos /sin cos /cos sin cos cos ρσθσθσρσϕθρσϕθσϕθσρσϕθρσϕθσϕθσθϕθϕθS 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，ϕσ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//ρσρσσσσσσϕθS 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。