1、College of Surveying And Geo-Informatics维维 激激 光光 扫扫 描描 技技 术术 与与 应应 用用 实实 例例三三吴旭祥College of Surveying And Geo-Informatics随着科技不断 发 展 , 测绘 技 术 不断更新，地形 测 量的方法由 传统的平板白 纸测图 、 经纬仪测图 等， 发 展到 现 在的全站 仪 、 GPS实时动态 定位 (RTK)、数字 摄 影 测 量等，近几年，地形 测 量一体化技 术飞速 发 展， 测 量 领 域的高精度 仪 器越来越多。三 维 激光 扫 描 仪 就是其中的一种，它的 发 展更推 动 了
2、地形 测 量向高科技立体 图 形的 发 展。传统 地形 测 量 平板白 纸测图 经纬仪测图现 今地形 测 量 全站 仪测图 GPS-RTK测图 数字 摄 影 测 量地形 测 量一体化三 维 激光 扫 描数字测图技术的发展College of Surveying And Geo-Informatics三维激光扫描技术的概念三维激光扫描仪（ 3D laser scanner ）通过发射激光来扫描获取被测物体表面三维坐标和反射光强度的仪器。三维激光扫描技术 (3D Laser Scanning Technology)三维激光扫描技术，是通过三维激光扫描仪获取目标物体的表面三维数据；对获取的数据进行处
3、理、计算、分析；进而利用处理后的数据从事后续工作的综合技术。 三维激光扫描技术又称为 “ 实景复制技术 ” ，它不同于单纯的测绘技术，主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构。 College of Surveying And Geo-Informatics采用非接触目 标 的方法，无需反射棱 镜 ， 对扫 面目 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。非接触 测 量采 样 点数据 远远 高于 传统测 量的采 样 点数据 ,脉冲式激光 扫 描方法的采 样 点数可达到数千点 /秒 ,而相位式的激光 测 量更可高达数十万点 /秒 。数据采 样
4、 率高三 维 激光 扫 描技 术 可以不受 扫 描 环 境的影响主 动发 射激光 ,通 过自身 发 射的激光的回波信息来解得目 标 物表面点的三 维 坐 标 信息 。主 动发 射 扫 描光源三 维 激光 扫 描可以快速的 获 取高精度 ,高分辨率的海量的点位数据 ,就可以高效率的 获 取目 标 物表面点的三 维 坐 标 ,从而达到高分辨率的目的 。高分辨率 、 高精度通 过 直接 获 取数字信号采集数据的 ,所以具有全数字特征 ,方便 进行后期 处 理和 输 出 ,且它的后期 处 理 软 件与其他 软 件有很好的共享性 。数字化兼容性好多学科融合涉及 现 代 电 子、光学、机械、控制工程、 图
5、 像 处 理 、 计 算机 视觉 、 计 算机 图 形学、 软 件工程等技 术 ，是多种先 进 技 术 的 集成。三维激光扫描技术的特点College of Surveying And Geo-Informatics传统 工程 测 量中， 对 三 维 数据的 获 取主要有：RTK定位皮尺量 测全站 仪 特征点采集基于光学 摄 影 测 量原理的近景 摄 影 测 量、航空 摄 影 测 量等 ;采用三 维 激光 扫 描技 术 的方法：无需 设 置反射棱 镜进 行无接触 测 量，在人 员难 以企及的危 险 地段使用 优势明 显 ;突破 单 点 测 量方式，以高密度、高分辨率 获 取 扫 描物体的海量点
6、云数据，对 目 标 描述 细 致、采 样 速率高， 传统 方法 难 以 实现 ；三维激光扫描技术与传统测量技术的区别College of Surveying And Geo-InformaticsB1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1
7、001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23B1001F23三 维 激光 扫 描 仪 可以 获 取高密度的 观测 目 标 的表面海量数据，采 样 速率高，对 目 标 的描述 细 致。三维激光扫描技术与传统测量技术的区别College of Surveying And Geo-Informatics三 维 激光 扫 描 仪按 扫
8、 描平台机 载 激光扫 描系 统地面型激光扫 描系 统便携式激光扫 描系 统有效 扫 描距离短距离激光扫 描 仪中距离激光扫 描 仪长 距离激光扫 描 仪航空激光扫 描 仪其最 长扫 描距离不超 过 3m， 适合用于小型模具的量测 ，不 仅扫 描速度快且精度 较 高最 长扫 描距离小于 30 m， 多用于大型模具或室内空间 的 测 量扫 描距离大于 30m， 主要 应 用于建筑物、 矿 山、大坝 、大型土木工程等的 测 量扫 描距离大于 1km，并且需要配 备 精确的 导 航定位系 统 ，可用于大范 围 地形的 扫 描 测 量三维激光扫描仪的分类College of Surveying And
9、 Geo-Informatics1.生 产 厂家 较 少，三 维 激光 扫 描 仪 市 场 近乎 垄 断；2.新技 术 的前期 应 用伴随着高投入；3.三 维 激光 扫 描 仪 的使用 单 位 较 少；三 维 激光 扫 描 仪 作 为测绘 界的最新技 术 和 仪 器，在国内的应 用 还处 于起步 阶 段，有以下几个方面的 问题 和 发 展 趋势 ：越来越多的国内外 测绘仪 器厂家开始涉足三 维 激光 扫 描 仪 的研 发 生 产 工作，越来越多的生 产 施工 单 位开始熟悉并使用三维 激光 扫 描 仪 ， 仪 器的价格会随之下降。仪器价格较昂贵难以满足普通用户的需求精度检测没有形成完整体系硬件
10、得到 进 一步改 进 ，激光 扫 描 仪 有更高的 测 量精度， 应 用精度会不断提高，各系 统 之 间 的融合性会逐步加 强 。工程 应 用技 术标 准和 规 范 还 未出台；数据精度 处 理算法 应 用滞后；各品牌 仪 器的数据兼容性差；数据处理方法较繁琐点云数据的内 业处 理相 对 繁 琐 ；数据 处 理方法尚未完善；数据 处 理 软 件功能会不断加 强 ，三 维 建模的方法会不断 优 化。三维激光扫描技术存在的问题与发展趋势College of Surveying And Geo-Informatics三维激光扫描技术的组成核心是激光发射器、激光反射镜、激光自适应聚焦控制单元、 CCD
11、技术、光机电自动传感装置等。利用激光测距的原理，通过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，获取大量的点云数据，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。系统组成 工作原理三维激光扫描系统的组成和原理College of Surveying And Geo-Informatics由激光器 对 被 测 目 标发 射一个光脉冲，然后接收系 统 接收目 标 反射回来的光脉冲，通 过测 量光脉冲往返的 时间 来算出目 标 的距离： t 的 测 量：在确定 时间 起始点之 间 用时钟 脉冲填充 计 数。t开始结束t=NT时钟脉冲测距方法 脉冲激光测距 三维激光扫描系
12、统的组成和原理College of Surveying And Geo-Informatics采用无 线电 波段的 频 率 对 激光束 进 行幅度 调 制并 测 定 调 制光往返一次所 产 生的相位延 迟 ，再根据 调 制光的波 长 ， 换 算此相位延 迟 所代表的距离，即用 间 接方法 测 定出光 经 往返所需的 时间 。t短距离、高精度，精度可达毫米 级 。三维激光扫描系统的组成和原理测距方法 相位差测距 College of Surveying And Geo-Informatics测 量 过 程中由投影装置把光 栅图 像投影到被 测 物体表面 ,同 时 使用相机拍 摄 下 经被 测 物
13、体表面 调 制而 发 生 变 形的光 栅图 像 ,然后通 过对变 形的光 栅图 像 进 行 处 理 ,计 算出代表物体高度的相位信息。三维激光扫描系统的组成和原理测距方法 结构光测距 College of Surveying And Geo-Informatics原理参数飞行时间 结构光脉冲法 相位差法激光发射装置 固体激光器（红宝石 、 YAG） 连续光源激发器（ He-Ne） 连续光源激发器（ He-Ne）测量距离 远 近 非常近测量精度 低 高 非常高扫描速度 慢 快 慢三维激光扫描系统的组成和原理测距方法 不同测距原理技术的对比 College of Surveying And Geo
14、-Informatics准确度 Accuracy：是指 测 得 值 与真 实值 之 间 相符合的程度。精密度 Precision：指在相同条件下 N次重复 测 定结 果相符合的程度。鉴 于不可能 获 得真 实值 ，只能用更精密 仪 器的 测 量 值 作 为 近似真 实值 ，且精确度与准确度之 间 有一定的相关性，故 实际 中用精确度 Accuracy来衡量 仪器的 测 量性能。三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数 准确度与精密度 扫 描 仪 提供的精度参数点位精度 距离精度角精度表面建模精度 标 靶 获 取精度College of Surveying And Geo-Informatic
15、s三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数 分辨率 扫 描分辨率包含以下参数：光斑大小点 间 距距离分辨率一般来 说 ，分辨率越高，表面建模精度越高，重建得到的模型越精 细 。分辨率随 测 距原理、 实测 距离的 变 化而 变 化：距离越 远 光斑越大距离越 远 点 间 距越大College of Surveying And Geo-Informatics物理定义：单位时间内扫描物体的长度厂商定义：单位时间内发射（接收）激光点数（受散射等原因，激光发射 /接收装置发射 N个激光点仅能接收到 N/3N/5个点）三维激光扫描系统的主要技术参数主要技术参数 扫描速度 主要技术参数 激光发射频率 激
16、光发射频率 PRR(Pulse Repetition Rate)激光脉冲的发射频率越高，在单位时间内所发射的激光点的数量越多主要技术参数 激光发射频率 反射率 投射到物体上面被反射的激光能量与投射到物体上的总激光能量之比 ,直接影响到激光 扫描仪的实际测距能力。College of Surveying And Geo-Informatics当 PRR=f 时，发射相邻两个激光点的间隔时间：则单位时间内可以发射的激光点数量 N为：这与厂商的扫描速度定义相同因此也有厂商将激光发射频率称作 扫描速度三维激光扫描系统的主要技术参数PRR与单位时间发射点数 N的关系College of Surveyin
17、g And Geo-Informatics当 PRR=f 时，发射相邻两个激光点的间隔时间：光速为 C，则扫描仪理论最大扫描距离 D为：频率越高，射程越近这也是相位式扫描仪普遍射程偏近的原因PRR与扫描距离（激光射程） 的关系三维激光扫描系统的主要技术参数College of Surveying And Geo-Informatics扫描距离越远，分辨率越低为了获取更精确的模型，就需要增加 PRR以增加发射激光点数量相应地也就增加了扫描时间分辨率与表面建模精度有关与测量精度无关，厂商往往将之混为一谈三维激光扫描系统的主要技术参数 扫描距离（激光射程）与精度 的关系 扫描距离（激光射程）与分辨率
18、 的关系 精度与分辨率的关系扫描距离越远，精度越低College of Surveying And Geo-Informatics当 反射率、扫描距离 固定时，可以来衡量三者之间的关系：由于对于实际的待测物体，反射率与扫描距离总是固定点，对任何品牌的扫描仪都是这样，而分辨率则由用户具体需求确定，也可认为是固定值，因此：PRR越高的扫描仪，其扫描速度越快。 这也是相位式扫描仪宣称速度快的原因。分辨率越高，扫描速度越慢PRR越高，扫描速度越快 PRR、分辨率与扫描速度 的关系三维激光扫描系统的主要技术参数College of Surveying And Geo-Informatics三维激光扫描系
19、统的主要应用领域从应用领域上分：从用途上分： 工厂数字化三维设计改造 数字城市 管道三维工程改造重新设计 数字文物（大佛 雕塑 景观小区）存档 矿区土方开挖断面和体积量测 建立三维数字化多源数据库 地形 测 量 土地 资 源 调查 建筑物平、立、剖面 图 的制作 船舶外形 测 量考古 现场记录 事故 现场调查 工程施工 质 量 监 控， 规 划，管理采矿业、测绘工程、结构测量、逆向工程、数字城市、数字工厂、文物保护、虚拟现实、医学、娱乐业、土木工程等。数值计算形变分析重建目标三维模型距离测量、面积计算、体积计算、容积计算前后测量数据对比，分析表面形变三维重建College of Surveyi
20、ng And Geo-Informatics隧道量测的主要方面轮廓线放样掌子面定位钢架安装定位开挖方量计算超欠挖分析掌子面测量超前地质预报红外探水地质雷达TSP超前水平钻加深炮孔岩层结构分析喷浆平整度断面分析喷浆厚度分析二衬厚度分析喷浆厚度分析变形监测施工量计算隧道工程监控三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveying And Geo-Informatics三维激光扫描系统在隧道施工的应用隧道施工与验收针对隧道工程施工的特殊性，使得隧道测量变成了测量学的难题隧道挖方量的计算多挖欠挖比较危险的环境怎样快速的获得数据这些随着三维激光扫描技术在隧道施工验收方面的应用变的迎刃
21、而解，为隧道施工节约大量成本，降低外业的危险系数，为隧道施工验收提供最好的解决方案。College of Surveying And Geo-Informatics三维激光扫描法与传统隧道测量系统（ TMS）方法对比三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveying And Geo-Informatics两种方法的效率耗时（分钟）三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveying And Geo-Informatics具体施工步骤：提前将 所有的设备、棱镜、参考球的高度，调成一致。三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveyin
22、g And Geo-Informatics第一步 : 开始测量 , 勘测脚架和参考控制点三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveying And Geo-Informatics第二步 : 参考球取代棱镜，三维激光扫描仪开始测量采集三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveying And Geo-Informatics点云数据预处理将扫描到的数据导入仪器自带的后处理系统中，对所有站点扫描数据进行坐标变换，使其位于同一坐标系内点云配准除去点云数据中由于某些环境因素的影响，比如行人和 被测实体表面存在的缺陷等点云去噪数据精简在不影响曲面重构和保持一定精度的情况下，对数据进行精简， 从而减少数据的处理量，提高处理速度。 数据导出三维激光扫描系统在隧道施工的应用College of Surveying And Geo-Informatics第三步 : 在 Scene软件中利用固定控制参考点实现配准拼接三维激光扫描系统在隧道施工的应用可利用信息 :脚架上的扫描数据点脚架上的参考球内建倾角探测器
