大场景三维激光扫描仪

2024-06-17

大场景三维激光扫描仪（精选6篇）

大场景三维激光扫描仪第1篇

实践教学是研究生教学中的重要一环,通过实践教学可以充分挖掘学生的潜能、让学生通过观察、操作、分析、讨论、交流、合作等方式,引导学生自主学习,让学生在实践过程中掌握所学知识。在国家教育院发布的“教育部关于开展研究生专业学位设置方案的通知”中提出了“研究生的培养应当注重实践教学以适应经济社会的发展需要”。而机器视觉这门课是一门非常注重理论联系实践的研究生课程。本课程主要研究如何利用摄影机和电脑代替人眼来对目标进行识别、跟踪或测量。机器视觉作为一门科学学科广泛地应用在工业、农业、制造业、食品安全行业等。典型的有机械部件尺寸检测,织物疵点检测,三维重建逆向工程等。三维重建是近些年来机器视觉主要发展的领域。三维物体的模型重建在CAD、模式识别、文物艺术品重建、数字娱乐(游戏、动画、电影)等领域有着广泛的应用。①随着计算机技术的发展以及图形应用领域的不断扩大,人们对图像的研究已经不再满足于二维图形,并逐渐深入到三维世界中。而基于图像的三维重建,一直是计算机视觉领域研究的热点问题,大场景的三维重建,逐渐显示出其较大的科研和实用价值,例如利用大场景三维扫描技术可进行古建筑数字化、文物保存、城市数字化等。②由于三维重建理论过于抽象难懂,如果只是单纯的进行课堂教学,学生对知识的理解会非常的表面,不能有深刻的理解。为了加深研究生对这门课程的理解,提高学生的科研实践能力,本课程组织学生利用大场景三维激光扫描仪进行了实践教学培训。大场景三维激光扫描仪应用在研究生实践教学中,既可以突破教学中的重点、难点,促进教学方法和实践教学的改革与创新,又能增强学生的实践创新能力。本次课程先由教师讲授三维重建的基本原理,然后讲解大场景仪器的操作流程,最后由学生独立使用仪器对所在实验室场景进行扫描重建。

1 大场景仪器在研究生实践教学中的探索

机器视觉是控制科学与工程、电气工程、通信工程、计算机工程、机械工程等多学科的主干课程。同时该课程也是一门多学科交叉的课程,涉及光学、图像处理、模式识别以及最新的三维重建等相关内容。由于三维重建过程非常复杂,所涉的数学表达式晦涩难懂,学生仅通过课堂教学很难理解。通过大场景仪器的使用,有助于学生全面了解相关内容,直观看到所学理论能够达到的实际效果,能激发学生的创新意识,提高他们的创新能力,对教师教学和学生能力培养具有一定的促进作用。

大场景三维扫描仪是一种科学仪器,用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状(几何构造)与外观数据(如颜色、表面反照率等性质)。③搜集到的数据常被用来进行三维重建计算,在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。其测量原理所用到的数学原理比较抽象,难以理解。例如在扫描过程中地面激光扫描仪采用的是仪器内部坐标系,X轴和Y轴在横向扫描面内,Z轴垂直于横向扫描面,并且三维激光扫描仪采用的是TOF脉冲测距法(Time of Flight),通过数据采集获得观测物的测距观测值S,精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值,以此计算出三维激光脚点坐标,坐标计算公式如下:

但是如果仅从数学原理上为学生进行讲解,学生很难对该原理有深入的了解,因此本次实践教学让学生亲自动手搭设仪器设备,对场景进行数据采集,通过让学生观察大场景三维激光扫描仪的工作过程,促进学生对枯燥的数学公式的理解。

在开始扫描前要带领学生对待扫描场景进行场景规划,这样能够将大的场景分成小场景的组合,通过对小场景的依次扫描,然后将获得的小场景数据通过数据拼接的方法进行拼接从而获得大场景的数据信息。④研究生的实践课程不仅仅要让学生学会课本上的内容,还应该注重培养学生的动手实践能力,只有培养学生全面发展而不是一味地将教学倾向于学术化教学培养,才能使毕业研究生能跟上社会发展的步伐。

通过实践教学,学生对枯燥的数学知识有了深刻的认识,并对机器视觉这门课程产生了浓厚的兴趣,对三维重建,摄影测量等都有了较为深刻的认识。

2 利用大场景仪器指导学生进行数据三维重建

三维重建是目前机器视觉领域发展最为热门的课题。利用大场景仪器可以对复杂场景进行三维重建,这种方法还原度较好,精度较高,可以为企业的创意设计,仿型加工提供广阔天地。基于大场景的三维重建过程主要由四部分组成,分别是:(1)数据获取;(2)数据配准;(3)模型构造;(4)纹理映射。一般来讲通过这四个步骤就能够完成大场景的三维重建过程,图1(a)和图1(b)为学生对上课所在实验室进行的三维重建结果。

3 结束语

利用大场景三维激光扫描仪对学生开展教学实践活动,不仅能够让学生深入理解三维扫描仪的工作原理,更能通过本次教学让学生对整体三维场景重建过程有详细的了解。并且此次教学活动让学生亲自动手操作大型仪器并对获得的原始数据进行处理,这就从多方面锻炼了学生的综合能力,这对学生今后的科研学习以及日后的就业都有很大的推动作用。正所谓“授人以鱼不如授人以渔”,让学生掌握原理知识的同时,学会将所学知识运用到实际工程当中,这样才能为社会输送优质的高层次人才。今后我们还会不断改进教学手段与教学水平,使学生的培养能够与社会的发展相接轨,为学校的教学改革和社会的进步作出贡献。

摘要：在当今社会对高素质、复合型人才的需求愈加强烈的同时,也对高层次人才的综合素质提出了更高的要求。组织开展课外实践教学既能培养究生解决实际问题的能力,又能将原本枯燥的理论知识与实践结合起来,不仅让学生学会用理论来指导实践,又能够让学生在实践中加深对理论的认识。本文以大场景三维扫描仪在机器视觉课外实践教学中的应用为例,让学生独立使用大场景仪器对上课所在实验室进行数据扫描采集并对原始数据进行处理重建。在使用仪器的过程中,加深学生对机器视觉理论的理解,并提升学生的工程实践能力、独立创新能力和今后解决综合性重大社会问题的能力。

关键词：机器视觉,大场景三维激光扫描仪,实践教学

注释

1刘军.文化遗址的三维场景建模及虚拟展示技术研究[D].西北大学,2009.

2宋丽梅,李宗艳,陈昌曼,习江涛,郭庆华,李晓捷.A correction method of colo projection fringes in 3D contour measurement[J].Optoelectronics Letters2015,04:303-306.

3宋丽梅,陈昌曼,陈卓,习江涛,禹延光.Essential parameter calibration for the 3Dscanner with only single camera and projector[J].Optoelectronics Letters2013,02:143-147.

三维激光扫描仪在建筑领域的应用第2篇

三维激光扫描技术是诞生于生于上世纪九十年代的一项高新技术,经历几十年的发展,该技术日趋成熟。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,利用激光测距原理,以每秒数万乃至百万次的测量速度,快速获取物体表面点的三维坐标值、反射率和纹理等信息,并通过计算机加工处理,可以快速构建被测物体的点、线、面以及三维模型等各种信息[1]。以其独有的优点,该技术在工业制造、工厂改造、规划、建筑、文物古迹保护、军事等领域得到了大量的尝试与应用。就建筑领域而言,无论是文物古迹维护,还是当代建筑改造,都需要反映建筑现状的图纸等测绘信息,而对于重点文物古迹的测绘,往往需要采用非接触测量方式。三维激光扫描技术无疑为获取建筑较完整的信息提供了完美的技术支持与保障。

2三维激光扫描原理与特点

目前,三维激光扫描仪的种类繁多,但其构成大致相似。三维激光扫描仪主要由激光测距仪和旋转反射棱镜组成,主流的扫描仪还具备高清数码拍照设备(CCD)。激光扫描仪的工作原理是由激光发射器主动发出一个激光脉冲信号,再由均匀旋转的反射棱镜引导至物体表面点,信号经物体表面反射后由接收器接收, 计算测点与扫描仪的距离,同时角度编码器同步记录旋转反射棱镜纵向测量角度β和扫描仪水平旋转角度α, 由此便可计算出目标点三维坐标值(X,Y,Z)[2]。(图01)

按照激光类型不同,可将三维激光扫描仪分为相位式和脉冲式[3],两者各有优缺点。相位式三维激光扫描仪的优点是扫描速度快、精度高、点密度大、可以近距离扫描,而缺点是扫描距离相对较近,通常是几十米至几百米。而脉冲式三维激光扫描仪优点是扫描距离远, 可以达到数公里,其缺点是近距离扫描效果差,扫描速度较慢。按照扫描的距离长远,又可划分为短距、中距和长距离扫描仪。若按照扫描仪搭载的平台不同,可划分为手持、车载、机载扫描。不同类型的扫描仪对应着不同的应用领域,只有根据需求选择合适的扫描仪,才能真正发挥扫描仪的功能。

3三维激光扫描仪作业流程

从三维激光扫描仪作业流程来看(图02),我们可以将其概括为前期准备、数据采集、数据加工、点云应用四个阶段[4]。

前期准备阶段。该阶段所做的主要工作是根据现场踏勘情况制定详细的作业方案,包括设站数量和设站位置、参考标靶的摆放等工作,尽量做到保障测量精度的前提下,减少设站数,节约扫描时间,提高作业效率。

数据采集阶段。该阶段就是按照既定的作业方案完成数据采集,在采集过程中如果发现不合理的地方,要及时增加或减少扫描测站,并做好相关的记录,保障后期数据处理顺利进行。

数据处理阶段。数据处理是整个流程中较耗时的, 这与采集的点云数据量大小和计算机性能有关。一般, 数据处理包括点云拼接、点云过滤、去除噪声、数据精简、点云上色等步骤,只有经过以上处理才能得到完整的、高质量的、可用的点云数据。

点云应用。点云是包含了物体三维坐标值、色彩信息的数据,可以根据需要对点云作进一步的加工处理, 其主要应用方向有原始资料存档、三维建模、制作常规二维图、场景虚拟等。

4三维激光扫描仪在建筑领域的应用

4.1原始资料存档

对建筑物进行测量,获取其空间三维数据、颜色信息、纹理等方面的数据,并建立档案,是保护建筑最基本的方法,这为以后建筑物改造或复原提供了依据, 对古建筑和文物而言,这尤为重要(图03)。就测量手段而言,传统方式采用直尺、量角器、锤球等工具现场直接量取各种构件的尺寸和记录相应的文字信息,到室内再绘制出各种图件。这种方式虽然简单灵活,但是作业效率低,对于建筑物整体尺寸的控制却不尽人意;而且古建筑中,往往包含雕刻、文字、绘画等,传统的方式根本满足不了完整记录建筑信息的要求。与此同时, 近景摄影测量虽然能较好的记录建筑表面的信息,但是外业测量比较耗时,测量精度也较差。同以上两种方式相比,三维激光扫描技术无论在数据采集效率还是获取建筑信息完整度、测量精度等方面,都具有无与伦比的优势,该技术为建筑快速数字化建档提供了强有力的支持。[5]

4.2建筑制图

基于三维激光扫描点云绘制常规的平、立、剖面二维CAD图,目前比较流行的方式有两种[6,7]:第一种方式是利用处理后的点云生成正射影像(图04),根据影像绘制平面图;这种方式有点类似摄像测量,但是由于影像没有透视畸变,因而在精度上要优于摄影测量。第二种方式是将拼合处理后的点云切成薄片,将点云薄片导入CAD等软件中,根据点云绘制(图05)。采用这种方式需要注意控制点云片的密度,理论上密度越大,精度越高,但是数据量的增大也对计算机的性能提出了更高的要求。因而,这需要我们在不断实践中寻找到两者间的平衡。这两种方式比较而言,第一种方法的优势是生成正射影像后,图像纹理清晰,绘制更加简单,但是在生成的过程中会有部分精度的损失,耗时比较长,比较适合于壁画、彩绘等精细线划图的绘制,第二种方法的优势则简单快捷,没有精度损失,但同时也因其不够细腻,对壁画、彩绘等的绘制不尽如人意,适合建筑的平、立、剖面等结构性的线划图的绘制,且整体尺寸精度控制较好。

4.3构建数字实体模型

构建数字三维模型能直观的展现建筑风貌,可用作效果展示,虚拟漫游等。另外,随着工程信息化的不断发展和建筑信息模型(BIM)技术的推广,利用BIM模型实施工程建设阶段的管理需要结合高效的测量手段来检测施工质量[8]。三维激光技术能够有效的链接模型和工程现场,高效、完整的记录工程现场的复制情况。通过对三维激光点云进行抽稀、除噪,导入GEOMAGIC、 IMAGEWARE、POLUWORKS等专业软件中,可直接对点云进行拟合建模,形成高精度,多种分辨率的三维模型(图06、07、08、09),并可转换为BIM模,进而与设计模型进行精度对比。

4.4建筑变形分析

对于建筑变形监测,传统方式都是在建筑的特征部位埋设变形监测点,在变形影响范围外埋设基准点,定期观察监测标志相对于基准点的变形量。这种基于点的监测方式可靠程度很大程度上取决于特征点选择的合理性。而且基于点的监测方式并不能最大程度反映建筑的最大变形,对于大型钢结构建筑更是如此。基于三维激光扫描仪的监测方式能够对建筑物进行全方位的测量[9],通过两次扫描数据对比分析,进而可知建筑整体变形情况(图10)。

4.5智慧城市

在智慧城市的建设中,城市数字化与信息化是智慧城市重要的组成部分。城市数字化信息的获取包括人工测量、航空影像、卫星影像、激光扫描等。三维激光扫描已经成为获取空间信息的主要技术手段,其特点是获取速度快、高精度、高密度、实时性强、自动化程度高;基于三维点云数据,可以快速、准确构建二维平面图与三维实体模型。同其他手段集成,三维激光扫描技术的应用也扩展到城市环境监测、地表资源获取、城市建设规划,实现了对城市信息化高度把控。

4.6建筑设计与3D打印

3D打印是目前比较热门的一项高新技术,它是一种以数学模型文件为基础,以可粘合物体为原料,采用逐层打印的方式来构造物体[10]。3D打印技术实现了设计蓝图到实体模型的转换,更加直观的展示设计效果。在旧房改造中,可利用三维激光扫描仪扫描构建建筑模型,再根据模型作规划设计,结合3D打印技术制作出修改后的建筑模型,既可以做效果展示,又能发现设计中的不足。三维激光扫描技术和3D打印技术是目前的前沿技术,在实际应用中还存在不足,但可以预见的是,这两项技术的发展必定会相互促进,而建筑设计也会由虚拟的三维模型过度到实体模型的设计方式。

5总结与展望

三维激光扫描仪突破传统单点测量的方式,采用非接触测量方式,高效快速记录建筑物的外观、结构、色彩、纹理等信息,对测量的对象进行实景复制。该技术不仅能减少外业工作量,而且利用测量点云还能快速制作CAD建筑图纸、构建三维模型,进而加工成BIM模型。随着三维激光扫描技术的发展以及制造成本降低, 后处理软件不断完善,三维激光扫描技术在建筑领域将得到更加广泛的应用。

摘要：三维激光扫描仪作为一种新的空间数据获取手段,可高速、高精度获取物体表面点的三维坐标值和纹理信息。本文论述三维激光扫描仪工作原理、工作流程,并概述了三维激光扫描技术在建筑领域的应用。

大场景三维激光扫描仪第3篇

1 三维激光扫描仪的具体工作原理

一台精确度较高的激光测距仪与扫描角速度较为均匀的反射棱镜共同构成三维激光扫描仪。激光测距仪对激光予以主动发射是三维激光扫描仪具体工作方式, 对自然物所反射信号予以接受, 并具有测距功能, 根据扫描点可以检测出扫描电与测点的斜距, 再配合高妙水平及垂直方向角, 以此列举出扫描点与测站坐标。在已知测站坐标的情况下, 能够准确计算出扫描点三维坐标。根据扫描平台差异性, 主要有三种三维激光扫描类型, 即:1) 便携式激光扫描;2) 地面激光扫描;3) 机械激光扫描。地面激光扫描工作原理为:扫描仪将激光脉冲信号发射出来, 经过物面反射后, 顺着同一路径传至接收器中, 能够将扫描仪与日标点距离计算出来。三维激光扫描仪的主要组成设备包括电源、数据后处理软件、附属设备、地面数码相机、三维激光扫描仪。几何图形数据、复杂物体及地形影像数据能够通过三维激光测量出来, 并利用后处理技术能够有效处理影像与点云数据。通过格式的多样化输出, 使其与不同的信息数据库应用需求相符合。

2 地形测量中三维激光扫描仪工程应用实例

所选工程实例为千岛湖引水工程, 其引水管布设长度大约为100公里, 对支洞口、钢衬段、埋管等进行多处布设, 测区多数地貌为山区丘陵, 且植被比较茂密, 通视效果差, 如果其地形测量仪器为传统全站仪, 不仅费时、费力, 而且测量效率不高, 对测量工作效率造成直接性影响。本工程所选仪器为新一代Scanstation C10徕卡扫描仪, 其功能主要包括:1) 全视场扫描。能够轻松得到项部垂直与水平数据, 如果对其镜头进行旋转, 能够将所有垂直视场角覆盖;2) 对等同于徕卡全站仪的双轴补偿器进行使用, 可以完成后方交会测量、导线测量与放样;3) 测距范围比较有效、实用, 扫描距离在300m以上;4) 扫描速度超过50000点/秒[3]。

2.1 布设控制网

采用E级4点GPS点构成首级侧区控制网, 通过GPS接收机进行静态观测, 并对四等水准进行布设测量, 在测区中布设一个控制框架, 方便启闭扫描仪。通过GPSRTK对测区内实施控制点加密, 其主要作用是激光扫描仪进行扫描时可以定向布设, 同时检测标靶点与特征控制点。

2.2 野外作业

2.2.1 野外设站

布设三维激光扫描仪于加密点T1中, 在T2处设置反射标靶架, 实施定向。因为三维激光扫描仪具有较为有限的测程, 各个测站中所测量的数据要通过何种方式拼接起来, 必须标靶完成, 所以, 依照扫描仪测程, 必须将超过3个图形不规则的标靶布设在测站重合处。

2.2.2 侧区扫描

依照测区所划分的区域, 合理布设扫描分辨率、采样间隔, 过小或者过大的扫描分辨率、采样间隔都会影响到所采集的数据量与数据处理江都, 会给数据保存、传输、处理等造成很大困难, 所以需要依照地形测量精度对其进行正确、合理设置。此外, 每站重叠区域必须在5米以上, 270°垂直范围与360°水平范围自动扫描, 实施点云拼接, 进而实现地理配准和对准。

2.2.3 业内处理

通常外业扫描电都具有较大点云数据量, 不仅会扫描出房屋、山河、沟渠等有用数据, 而且还会扫描出树叶、动物、行人等没有任何用途的数据。通过Leica、Cyclone地形后处理软件将精度高、质量好、数据权的点云数据提取出来, 实施内业数据处理, 通过数据抽隙与数据滤波等措施处理点云数据, 之后对点云数据格式进行txt格式的转换, 并导入Studio中, 构建地表DEM与提取高程点与高线。若现场地物种类比较繁多, 而且比较分散, 可通过徕卡扫描仪进一步描绘地形图, 最终能够得出我们想要的地形图, 见图1。

3 结语

GPS (全球定位系统) 和三维激光扫描仪的有效结合是地形测量的进步与创新, 具有高清晰、高效及简捷获取数据的能力。现代三维激光扫描仪测量可以说对传统测绘进行了全面改革, 而且这也是数据测图的一种历史性突破与创新, 与传统地形测量技术相比, 三维激光扫描技术具有表现力强、效率高以及测量细节丰富等优势, 可以一次性完成地貌与地形测量, 可在同一时间内获取影像模型, 使DEM数据得以自动生成, 同时又具有形式多样的成果, 能够满足各个工作者对相关数据的不同需求。此外, 三维激光扫描还具有兼容性强、智能化的特点[4]。然而, 通过这次实例研究, 地面三维激光扫描自身也有一定的不足之处, 比如:采集大比例尺地形数据时, 受限于现场条件, 像山区具有较多植被时, 扫描仪的扫描精度相对来说就会比较低;复杂的数据后处理, 完成外业后, 必须对数据进行长时间处理, 对后续工程造成一定的延误;三维激光扫描仪的价格相对比较昂贵。由于我国现代科技的发展与进步, 在企业效益最大化、生产成本最低化的社会大背景下, 具有现代化的三维激光扫描仪在未来的道路桥梁与地形测绘等工程领域中必将具有非常光明的应用前景。

参考文献

[1]徐晓雄, 刘松林, 李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘, 2009.

[2]宋宏, 李敏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备, 2008.

[3]许映林.三维激光扫描技术在温泉水电站大比例尺地形图测量中的应用[J].测绘通报, 2007.

浅谈三维激光扫描仪在测量中的应用第4篇

在测量逐步数字化的今天, 三维已经逐渐的代替二维, 因为其直观性是二维无法表示的。三维激光扫描仪就是近年来迅速发展起来的先进测量仪器, 由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性, 将其引入测量装置中, 在精度、速度、易操作性等方面均表现出巨大的优势, 它的出现是测绘领域继GPS技术之后的又一次突破性技术革命。它突破了传统的单点测量方法, 能够提供扫描物体表面的三维点云数据, 通过对观测对象进行多角度的立体扫描、得到被测对象的位置及高度等信息, 然后对这些信息进行处理、建模, 拼接成图, 即可获取高精度高分辨率的数字模型。三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X, Y, Z点的信息, 还包括R, G, B颜色信息, 同时还有物体反色率的信息, 这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉, 是一般测量手段无法做到的。

1 三维激光扫描仪分类

三维激光扫描仪种类很多, 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。按照有效扫描距离可分为:

(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0.6~1.2m, 通常这类扫描仪, 不仅扫描速度快且精度较高, 适合用于小型模具的量测。

(2) 中距离激光扫描仪:最长扫描距离小于30m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Cyrax2500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。

要保证扫描数据的精度, 就必须根据项目的需要, 在相应类型扫描仪所规定的标准范围内使用。

2 三维激光扫描仪外业数据采集

要进行外业数据的采集, 首先要选择合适的位置设置测站。选取视野开阔, 行人车辆较少的地方, 架好三脚架, 将三维激光扫描仪固定在三角架上, 再选择合适的位置 (或者已知点) 摆放球状标靶, 并依次对其进行编号, 以便于后期点云数据的编辑操作。

首先要开机预热约5分钟左右, 然后在仪器设置中输入工程名称, 量取仪器高, 并将仪器高及标靶的坐标、高程等数据输入仪器, 选择扫描方式, 可以进行全景扫描, 也可以指定角度范围进行扫描。设置好后保存, 完成设站。设站完成后, 就可以进行扫描数据采集了, 直到设置范围内景物扫描完毕。

一般情况下由于扫描物范围过大, 或者被扫描物体的形状较复杂, 一次设站往往不能完成物体的扫描, 这就需要多次迁站, 重复上述过程, 以完成整个物体的扫描。为了拼接建模的需要, 各测站中, 要保持三个以上公共点。

3 扫描数据的内业处理

3.1 扫描数据的预处理

野外数据采集完成后, 回到室内, 将点云数据传入电脑, 应用相应专业软件对扫描数据进行预处理。

由于外业环境较为复杂, 在数据采集过程中避免不了人员及车辆的通过。人员及车辆的数据信息就会被采集到仪器中, 数据量大大增加, 对于三维建模没有用处, 且会影响程序的运行速度, 需要将其剔除, 这就是点云数据的去噪声。

点云数据采集的是海量数据, 数据量过大会影响程序的运行速度, 因此在不影响曲面模型重构和保持一定精度的前提下需要对采集的数据进行适当删除精简。常用的精简方法有:平均精简即原点云中每n个点保留1个;按距离精简即删除一些点后使保留的点云中点与点间的距离均大于某值。

3.2 三维建模

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。

扫描时往往在一站不能测出所有数据, 而需要从不同位置、多视角进行多次扫描, 即多次设站。各测站采集的点云就需要对齐、拼接。点云对齐、拼接可以通过在物体表面布设同名控制点 (各测站间的重合标靶) 来实现。

为了真实地还原扫描物体, 需要将扫描数据用准确的曲面表示出来, 这个过程叫曲面重构。常见曲面有以下几类:三角形网格、细分曲面、明确的函数表示、暗含的函数表示、参数曲面、张量积B样条曲面、NURBS曲面、曲化的面片等。

曲面重构完成后, 下一步就可以进行扫描物体的三维建模, 还原扫描物体的本来面目, 点云数据处理步骤基本完成。

4 注意事项

进行三维激光扫描测站的选择, 应注意该选在视野相对开阔的地方, 四周遮挡物较少, 这样扫描范围广, 减少测站的设置, 提高工作效率, 加快工作进程。

其次测站的选择离观测对象不宜过近, 以免仰角太大, 影响成像的效果。

在扫描过程中, 人员尽量减少在仪器前的走动, 以免影响扫描结果, 增加数据的采集。

各测站间一定要有3个以上重合点, 且要有相应的编号, 便于数据的拼接建模。

5 三维激光扫描仪发展前景

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在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域已有了广泛的应用, 相信随着科技的进一步发展三维激光扫描技术将会在越来越多的领域得到充分的应用。

参考文献

[1]花向红, 马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉:武汉大学, 2005.

[2]张会霞, 朱文博.三维激光扫描数据处理理论及应用[M].电子工业出版社, 2012, 12, 01.

三维激光扫描仪在测树中的创新应用第5篇

1 应用三维激光扫描仪测树的优点

1.1 激光测量树干数据采集技术

首次把激光跟踪测量技术应用于立木树干测量和林业数表的编制, 大幅度提高了立木测量的效率和精度。避免了传统伐倒测定方法对立木的致死破坏和价值赔偿, 有效屏蔽了人为操作误差, 真实再现树干形态, 丰富了树干倾斜、弯曲等状态信息。

1.2 三维点云立木视场再现技术

实现了传统摄影和测量手段的有机结合, 直观、准确地再现了树干形态, 丰富了测树成果信息。

1.3 树干形态数字解析技术

针对立木免伐倒、非接触激光测量结果所开发的数据处理系统, 实现了树干任意角度旋转再现、任意高度断面截取、任意方向的几何测量, 将树干解析、测量数据分析计算进行一体化封装, 支持任意环节的重复、修改、再现。

2 应用三维激光扫描仪采集样木数据

2.1 样点布设

在石家庄辛集采集欧美黑杨107杨, 在邢台采集部分北京杨, 以杨树林带和片林为主。

2.2 样木采集

样木选取上充分考虑代表性, 选择生长正常、长势中等、无病虫害、不断梢的树木;采样日期一般选在秋冬季树木落叶后进行, 以保证树干的通视;采样时间应保证无风且光线良好。扫描仪以场景为单位存储扫描空间, 扫描空间的最大范围是水平方向360°, 垂直方向320°, 扫描空间可以随意调节。三维激光扫描仪可以连续采样多次, 效率高, 3个技术人员可以在1天内采样达500棵之多。

2.3 样木室内树干解析

首先清理图像模糊、记载错误等一些无法利用的有残数据, 然后利用三维激光扫描仪影像处理软件, 对影像进行单株木分隔, 并删除噪音点和过细的枝杈, 保存为所需的三维数据格式文件。应用开发的相关数据处理软件进行基准值测算与坐标变换, 然后采用三点定圆法量取树干任意高直径, 再利用平均断面区分求积式求得各样木的材积。

3 三维激光扫描仪测树精度验证

将扫描过的样木进行现地伐倒解析, 和样木室内解析一样, 每个区分段长2.6m, 同样利用平均断面区分求积式求得各样木的材积, 共选样木58株。用扫描仪V机测材积值作线性回归统计假设检验, 即令V实测材积=Y, V机测材积=X, 建立线性方程, 并对参数a=0, b=1, 作F检验, 一般称作F (0, 1) 检验, 结果如下:模型:Y=a+b*X, 零假设a=0, b=1;回归值变量名=X, 实测值变量名=Y;X平均数=0.342069, X标准差=0.343667;平均误差=-0.465019;a=0.001170, b=1.001250;协方差=0.018643;相关系数=0.999198;F-统计量=2.455089;F-临界值=3.161861;危险率=0.050000;一自由度=2.000000;二自由度=56.000000, 由F-统计量<F-临界值, 可以看出差异不显著。

4 结论与讨论

通过三维激光扫描仪野外扫描获取样木三维立体影像数据信息, 并由相应软件室内量取样木任意高直径的方法是可行的, 其测量精度完全能够达到林业数表编制对直径测量精度的要求, 是测树技术的完全创新, 使编表更科学, 可信度更高。利用三维激光扫描仪测量不用伐倒样木的优点, 可以在河北省内进行高效、大数量、大范围的样木采集, 这样做在地域上具有很强的针对性, 量体裁衣, 保证了数表的高精度, 依次分区、分类编制杨树系列数表, 付诸于生产实践, 对推进集体林业产权制度改革, 建立现代森林资源流转制度具有重要的现实意义, 其中一元地径材积表在处理盗伐案件中可以作为法律依据。

三维激光扫描仪在测树中的创新应用, 必定能够满足河北省杨树品种更新换代和林业发展的需要, 同样能满足其它落叶树种的需要。

参考文献

[1]孟宪宇.测树学 (第二版) [M].北京:中国林业出版社, 1995

[2] 亢新刚.森林资源经营管理[M].北京:中国林业出版社, 2001

[3] 茆诗松, 周纪芗.概率论与数理统计[M].北京:中国统计出版社, 2000

探讨三维激光扫描技术的应用第6篇

近些年来, 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。

2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术, 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云点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三维模型, 以多种不同的数据格式输出, 来满足空间数据库的数据源和不同应用的需要。

2.1 系统组成

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。

2.2 工作原理

三维激光扫描技术, 通过内部的激光脉冲发射器向目标物发射激光脉冲, 反光镜旋转, 发射出的激光脉冲扫过被测目标, 信号接收器接收来自目标体反射回来的激光脉冲, 通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离, 同时扫描控制模块控制和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β, 后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标 (云点) , 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。

2.3 三维激光扫描技术特点

三维激光扫描技术, 具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式、兼容性好等优势, 被誉为“测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命”。通过与传统测量技术, 如全站仪、近景摄影测量、航空摄影测量等类比分析, 主要有以下特点:

1) 非接触式。三维激光扫描技术采用非接触式高速激光测量方式, 不需反射棱镜, 直接对目标体进行扫描, 采集目标体表面云点的三维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下, 传统测量技术无法完成, 此时三维激光扫描技术优势明显。

2) 数字化程度高、扩展性强。三维激光扫描系统采集的数据为数字信号, 具有全数字的特征, 易于处理、分析、输出、显示。而且后处理软件用户界面友好, 能够与其它常用软件进行数据交换及共享, 可与外接数码相机、GPS配合使用, 拓宽其应用范围, 具有较好的扩展性。

3) 高分辨率。三维激光扫描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集, 从而达到高分辨率的目的。

4) 应用广泛、适应性强。由于其良好的技术特点, 在工程建设各领域, 应用广泛。对使用条件要求不高, 环境适应能力强, 适合野外测量。

3 三维激光扫描技术

由于三维激光扫描仪技术特别适合于对大面积的、表面复杂的物体进行精细测量, 所以其应用范围极广。

3.1 文物修复

对受损的文物进行修复时, 要求无接触测量, 传统测量无法胜任, 但现在可充分利用激光扫描仪的非接触测量特点以及高分辨率和高精度云点数据, 获取建筑物表面的精细结构, 提供修复数据, 进行精细测量, 对文物进行修复。

3.2 边坡变形监测

三维激光扫描技术可以获取高密度、高精度的三维云点数据, 因此, 对边坡的变形监测能反映坡体的总体变形趋势和量级。其操作过程是对边坡定期进行扫描, 将前、后两次扫描点云数据叠加在一起, 然后由处理软件分析前、后两次点云数据的差别, 从而得出边坡的变形趋势和量级。