三维激光扫描仪汇总教材
《三维激光扫描原理与数据处理》教学大纲
三维激光扫描原理与数据处理一、课程说明课程编号：010424Z10课程名称（中/英文）：三维激光扫描原理与数据处理/ Theory and application of 3D laser scanning data processing课程类别：选修课学时/学分：32/2 （其中实验学时：10）先修课程：摄影测量学基础、数字摄影测量、误差理论与测量平差基础适用专业：测绘工程教材、教学参考书：《三维激光扫描数据处理理论及应用》张会霞，朱文博，电子工业出版社，2012《机载激光雷达测量技术理论与方法》张小红，武汉大学出版社,2010 二、课程设置的目的意义三维激光扫描是快速获取地面或者物体三维点的先进技术，该课程主要介绍三维激光扫描原理、三维激光扫描数据处理、三维激光扫描数据处理应用，是遥感科学与技术专业的一门专业选修课。
课程目的主要使学生掌握三维激光扫描数据处理的基本知识，能应用软件进行三维激光扫描数据处理。
三、课程的基本要求对应的专业培养要求1.4.3摄影测量与激光扫描数据处理（5）了解激光扫描的基本原理和数据特点，熟悉激光扫描数据的处理的基本原理、技术与方法，并能使用软件进行数据处理。
2.1 工程实践能力掌握遥感工程项目的设计、数据采集、数据处理、统计分析与专题制图工作。
工程设计中，能理解工程应用要求，掌握外业施测和内业数据处理方法，严格贯彻专业设计规范和专业设计流程，选用合适仪器和数据源、外业实施方案、数据处理方法及软件。
知识：掌握三维激光扫描数据获取的基本原理、数据处理的基本理论知识。
能力：能编写三维激光扫描数据处理的简单程序。
素质：了解三维激光扫描数据处理的发展现状，能利用典型的软件进行三维激光扫描方面的工程应用。
四、教学内容、重点难点及教学设计注：实践包括实验、上机等课堂教学内容与要求第1章绪论(2课时)1.1 引言1.2 机载激光雷达测量技术介绍1.3 地面激光雷达测量技术介绍1.4 车载激光雷达测量技术介绍1.5 发展趋势第2章地面三维激光扫描数据获取与精度分析（4课时）2.1 地面三维激光扫描仪的基本原理2.2 地面三维激光扫描数据外业获取2.3 地面三维激光点云误差来源与精度影响分析第3章地面三维激光扫描数据处理（8课时，4课时实践）3.1 点云数据噪声剔除3.2 点云数据的组织与索引3.3 点云数据配准3.4 点云数据的特征分析第4章机载三维激光扫描数据获取与精度分析(2课时)4.1 机载三维激光扫描仪的基本原理4.2 机载三维激光扫描数据外业获取4.3 机载三维激光点云误差来源与精度影响分析第5章机载三维激光扫描数据处理（6课时，2课时实践）5.1 机载三维激光扫描数据预处理5.2 机载三维激光扫描数据地面点滤波与数字地面模型获取5.3 机载三维激光扫描数据分类5.4 机载三维激光扫描数据特征提取与数字线画图获取第6章多源数据联合处理(6课时,2课时实践)6.1 地面三维激光扫描数据与近景影像配准6.2 机载三维激光扫描数据与航空影像配准6.3 基于机载三维激光扫描数据与航空影像的DOM制作第7章三维激光扫描数据应用（4课时,2课时实践）7.1 地面三维激光扫描数据处理系统介绍7.2 地面三维激光扫描数据典型应用介绍7.3 航空三维激光扫描数据处理系统介绍7.4 航空三维激光扫描数据典型应用介绍五、实践教学内容和基本要求六、考核方式及成绩评定。
地面三维激光扫描总结报告
地面三维激光扫描总结报告
地面三维激光扫描技术是一种以激光为载体进行的三维数据采集技术。
它通过利用激光发射器发射激光束，经过地面反射，激光能量被地物吸收，再由接收器接收反射回来的激光能量，根据时间差值、频率差值或相位差值来确定目标物的三维空间坐标，并将数据传输到计算机进行处理。
与传统的测量手段相比，地面三维激光扫描技术具有以下优点：
1. 高精度：激光扫描仪能够以非常高的精度和准确度获取地面数据，精度可达毫米级别，可为后续工程提供高质量的数据支持。
2. 实时性：通过激光扫描仪可以在很短的时间内获取目标地面的三维数据，采样速度最高可达每秒数十万个数据点，非常适合现场测量需求。
3. 安全性：激光扫描仪可以远距离获取地面数据，不需要人员接触目标地面，有效保障了现场工作的安全性，减少了工作人员的伤害风险。
4. 灵活性：激光扫描技术可以适应不同地形和地貌的测量需求，可快速实现点云数据采集和处理，方便数据的应用和进一步处理。
在工程应用方面，地面三维激光扫描技术具有广泛的应用价值。
它可用于建筑物立面测量、道路桥梁设计、隧道施工监测、城市规划与设计、水利工程巡查等多种领域，并得到了广泛的应用和推广。
随着科学技术的不断发展，地面三维激光扫描技术也在不断改进和提升。
目前，新型的激光扫描仪不仅扫描速度更快、精度更高，而且可以应用于更加复杂的地形和地貌。
未来，随着激光扫描技术的不断发展和普及，我们相信地面三维激光扫描技术将会在更加广泛的领域得到应用，为我们的科技进步和社会发展注入新的动力。
三维扫描仪 讲义精品
确定扫描幅面
情景一：扫描小件用大幅面 情景二：扫描大件用小幅面 两目、四目的区别 注：软件自动切换扫描幅面
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根据要扫描的物体确定扫描幅面的尺寸大小
2.3-2 三维扫描仪的幅面调节
怎样使扫描幅面变化呢？
（一）调节物距 物距：光机与墙面的距离，也是后面扫描时，光机与物体的距离 夹角：两个相机之间的角度 相机距离：两个相机之间的距离
1、扫描主机：主要包含光栅发生器和工业相机
2、扫描软件：与主机相连的扫描软件
3、标定系统：进行校准的硬件系统
标定靶
4、扫描辅件：自动转盘和光笔等辅件
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自动转台
标记点
显像剂 光笔
1.6 三维扫描仪的相关概念
1、面扫描：一次扫描是一个面，上百万个，比点扫描、线扫描速度快 2、蓝光扫描：光的波长短，能量强，抗光的干扰性更高 3、系统标定：系统的校准，采用五幅照片进行标定 4、扫描的幅面：扫描幅面决定着一次扫描的最大尺寸的大小 5、拼接方式：标记点和纹理的拼接方式以及标记点的去除 6、整体精度：通过全局误差控制，获得整体拼接精度以及第三方的验证报告
三维扫描仪的逆向案例
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3.1、三维扫描仪的应用
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1、逆向设计 2、三维检测 3、雕刻加工 4、3D打印 5、三维展示
3.2 逆向设计的目的
扫描数据
逆向过程
CAD图纸
企业在实际生产过程中，经常会遇到有实体没有三维模型的情况，为了获得三维模型，这时候就需要 工程师手工测量进行绘图。手工测量绘图不仅效率低、测量不方便，而且测量的尺寸不准确。这就会导致 项目周期加长，反复做测试以及成本的增加。借助三维扫描仪进行扫描，从而获得三维数据，就可以很好 的解决这些问题。
激光三维扫描仪的课件1
对三维激光扫描仪的评价
一项伟大的发明
多项科技的结晶 带来方便的工具
奇妙有趣的玩具
美好事物克隆者 逆向工程不可缺 研究领域开拓者 创造了新的市场
三维激光扫描的由来和发展
平面扫描技术简介 有合作目标的全站仪的原理简介 无反射棱镜全站仪的出现
激光的特点4
（4）相干性好
相干性是所有波的共性，但由于各种光波的
品质不同，导致它们的相干性也有高低之分。 普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。 激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具 有极强的相干性，所以称为相干光。
激光测距技术
激光是一种方向性极强的光，仪器发射的激光 经过内部光路发射出去，遇到物体后，除少量激光 吸收和透射外，大部分激光被反射。由于物体的漫 反射和镜面反射等反射特性，反射的激光呈球状行 进。另外，物体受激光照射，反光光谱产生一些变 化。反射的激光一部分沿原路返回仪器，在仪器内 部反射和折射后，由光电器件接收。
仪器系统构成
仪器系统包括如下几部分:
1.仪器头 2.三脚架 3.网 线 4.笔记本电脑 5.软件 6.电源线 7.电源箱 8.反射目标球和贴片
仪器光路
仪器的光路包括：
激光发射器 透镜 水平反射镜 垂直反射镜 激光接收器等
仪器的优势
传统的测量仪器和记录设备很难完成激光三
目标球，能够吸在铁磁性物体上的磁性贴片 等。在这些球和贴片上，采用了特殊的材料 和颜色，特殊的结构和加工方法。确保仪器 数据处理时能够对它们自动识别。
通讯技术
通讯和网络技术
每一台激光三维扫描仪就是一台网络设备。
具备网卡和各种接口。每台仪器都有一个IP 地址。仪器通过网线与计算机连接。这台计 算机是服务器，而仪器是网络中的一台设备。 所有数据通过网络传送。 设置仪器时要配置IP地址。保证网络畅通。
来高科技三维扫描仪操作手册说明书
三维扫描仪使用手册来高科技（天津）有限公司目录第一章简介 (1)1.1三维扫描仪简介 (1)1.2公司简介 (1)1.3软件版权声明 (2)1.4三维扫描仪安全注意事项 (3)1.5三维扫描仪独特功能介绍 (4)1.6 概念、名词解释 (7)1.7 免责声明 (7)1.8 安全警告 (8)第二章操作说明 (9)2.1 推荐电脑配置 (9)2.2 线束连接方法 (9)2.3 软件安装 (10)2.4 扫描仪幅面调节 (21)2.5标定 (23)2.6 扫描前准备工作 (33)2.7 点云采集、处理及导出 (34)第三章界面功能介绍 (40)3.1工作界面 (40)3.2文件菜单 (41)3.3标定菜单 (44)3.4采集菜单 (45)3.6拼接菜单 (48)3.7工具菜单 (49)3.8 视图菜单 (58)3.9 帮助菜单 (59)第四章常见问题解答 (61)4.1 软件打不开 (61)4.2 光机不亮 (61)4.3 光机亮，但不能投射光栅 (61)4.4 相机打不开 (62)4.5 不能识别标记点 (62)4.6 采集不到点云 (62)4.7 点云拼接不上 (63)4.8 点云数据不好 (63)4.9 机器经常需要标定 (63)4.10 标定不成功 (63)第一章简介1.1三维扫描仪简介三维扫描仪，也称为三维立体扫描仪，3D扫描仪，是融合光、机、电和计算机技术于一体的高科技产品，主要用于获取物体外表面的三维坐标及物体的三维数字化模型。
该设备不但可用于产品的逆向工程、三维检测等领域，而且随着三维扫描技术的不断深入发展，诸如三维影视动画、数字化展览馆、服装量身定制、计算机虚拟现实仿真与可视化等越来越多的行业也开始应用三维扫描仪这一便捷的手段来创建实物的数字化模型。
通过三维扫描仪非接触扫描实物模型，得到实物表面精确的三维点云数据，最终生成实物的数字模型，不仅速度快，而且精度高，几乎可以完美的复制现实世界中的任何物体，以数字化的形式逼真的重现现实世界。
三维激光扫描仪汇总
三维激光扫描仪汇总三维激光扫描仪，也被称为三维激光扫描系统，是一种能够捕捉并测量物体表面形状和对象几何特征的高精度测量仪器。
它通过使用激光束来扫描物体，并通过分析激光点云数据来生成三维模型。
三维激光扫描仪广泛应用于工业制造、建筑设计、文化遗产保护、地质测量、医学等领域。
下面将对三维激光扫描仪的原理、类型和应用进行详细介绍。
一、原理三维激光扫描仪的原理基于激光测距技术。
它通常通过发射激光束并测量激光束返回的时间来计算物体表面的距离。
激光束由发射器产生并聚焦到一个点，然后被反射回扫描仪接收器。
接收器测量激光束返回的时间，并根据时间和光速的关系计算出物体表面的距离。
通过在多个角度对物体进行扫描，可以得到物体的各个点的三维坐标数据，从而构建一个完整的三维模型。
二、类型根据扫描技术的不同，三维激光扫描仪可以分为接触式扫描仪和非接触式扫描仪。
接触式扫描仪需要物体与扫描仪直接接触，以便获取物体表面的数据。
这种扫描仪通常使用机械臂来控制激光头的运动。
非接触式扫描仪则不需要物体接触，通过激光束直接扫描物体表面。
这种扫描仪可以分为两类：光干涉式扫描仪和光视差式扫描仪。
光干涉式扫描仪使用干涉原理来测量物体表面的形状，它可以达到非常高的测量精度。
光视差式扫描仪则通过比较激光束在不同位置的视差来推断物体表面的形状。
三、应用三维激光扫描仪在各个领域都有广泛的应用。
在工业制造中，它可以用来对产品进行质量控制和尺寸测量。
例如，在汽车制造中，三维激光扫描仪可以用来检测车身的平整度和尺寸偏差。
在建筑设计和土木工程中，三维激光扫描仪可以用来对建筑物进行测量和建模。
它还可以用来进行建筑物的实时监测和变形分析。
在文化遗产保护方面，三维激光扫描仪可以用来对古建筑、雕塑和艺术品进行数字化保护。
在地质测量中，它可以用来获取地表的几何信息和地貌变化。
在医学方面，三维激光扫描仪可以用来进行面部重建和医疗器械的量身定制。
总结起来，三维激光扫描仪是一种非常重要的测量仪器，它可以帮助我们捕捉和测量物体表面的形状和几何特征。
三维激光扫描仪汇总教材
钟摆式扫描方式
• 原理：光直接入射到反射平面镜上，每一个钟摆 周期在地面上生成一个周期性的线性图案，Z之 字型。
• 生产厂家：Optech和莱卡公司。
旋转棱镜式扫描F
• 原理：激光入射到连续旋转的多棱镜的表面上， 经反射在地面上形成一条条连续的、平行的扫 描线
• 激光器生产厂家：Riegl
处理软件
三维测量产品品牌
Faro：
通过收购德国的IQvolution公司
移动激光雷达系统品牌
Riegl
移动激光雷达系统品牌
Optech（加拿大）（从2008年开始）
移动激光雷达系统品牌
• TOPCON
移动激光雷达系统品牌
激光雷达工作原理
• 市场上销售的三维激光扫描仪按扫描方式有两种：
1. 基于时间-飞行差; 2. 基于相位差
• 每个仪器都包含数据传输软件和点云处理软件 点云拼接
• 建模软件：CAD（2010以上版本）
3D MAX
应用
基于相位差的三维激光扫描仪多用于室内的应用： 如数字工厂（石油、天然气、化工、汽车、重工 业、等工厂，轮船、飞机）的生成，交通事故和 犯罪现场重建、铁路轨道扫描和最近应用的隧道 扫描。
这些应用的特点：近距离，高点云密度，毫米-厘米 --- 分米精度
瑞格 VZ-400
产品
产品
瑞格 VZ-4000
• 三维激光扫描仪 VZ-1000
• 三维激光扫描仪 LPM-321
VMX-250移动激光扫描系统
VMX-450移动激光扫描系统
徕卡ScanStation C5
徕卡ScanStation C10
• HDS8800
• HDS6200
TOPCON1500
三维激光扫描测量培训讲义(内容详细)
车载激光扫描注意事项
5、每天外业采集前要清洁影像包工头，采集过 程中发现有异物挡在镜头上应马上停车，清洁镜 头后再继续采集。 6、操作计算机作业员应精神集中，避免因人为 因素造成曝光度的调节不当影响影像质量，严禁 作业中发短信、接打电话或做一些分散注意力的 事。 7、在商业区由于楼与楼间隙较小，应放慢车速 采集。 8、每天外业采集完成后，将车上的数据拷贝整 理检查确保数据无丢漏。
三维激光扫描仪的分类:
地面三维激光测量技术
• 主流设备
我们常用的三维激光扫描类型
车载式 架站式
背包式
三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描技术 与传统测量技术的区别
三维激光扫描系统组成
• 三维激光扫描技术的核心是激光发射器、激光反射镜、 激光自适应聚焦控制单元、CCD技术、光机电自动传 感装置(包括:激光水平46b步进传感、同轴纵向320b步 进自旋转、目标遥控捕捉及取景)等。
三维激光扫描测量
三维激光扫描测量
• 三维激光扫描仪定义 • 三维激光扫描仪分类 • 主流设备 常用设备 • 技术特点 • 激光扫描与传统测量区别 • 系统组成 • 数据处理 • 作业注意事项 • 应用领域
什么是三维激光扫描？
• 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。
MDL扫描头 惯导AP50
GPS天线
车载三维激光扫描数据处理：
车载三维激光扫描数据处理：
车载三维激光扫描数据处理：
多窗口联动作业
立体点云
矢量图形
立体窗口下采集测图
三维场景
三维激光扫描仪原理PPT学习教案
置则与空间物体表面相应点的几何位置有关。这些位
置的相互关系，由摄像机成像几何模型所决定。该几
何模型的参数称为摄像机参数，这些参数必须由实验
与计算来确定，实验与计算的过程称为摄像机定标。
摄像机模型是光学成像几何关系的简化。这一节讲述
比较简单的模型——线性模型或称针孔模型（pin-
hole model）。
Z
X
Y
被 扫描 球 体
o
30°
激 光线 激 光平 面
圆球扫描设置
激 光 器
摄 像机
第29页/共30页
Z
-10
-15
-20
-25
-30
-35 -10
-20
-30
-40
0
-50
-20
-40
Y
-60 -60
X
激光线重建的扫描线
60 40 20
第3页/共30页
（1）图像坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系
摄像机采集的数字图像在计算机内为MN数组，M行N列的图像中的每一个元 素（称为象素，pixel）的数值即是图像点的亮度（或称灰度）。若为彩色图 像，则图像上象素的亮度将由红、绿、蓝三种颜色的亮度表示。如图1所示， 在图像上定义直角坐标系u、v，每一象素的坐标分别是该象素在数组中的列 数与行数。所以，是以象素为单位的图像坐标系的坐标。由于只表示象素位 于数组中的列数与行数，并没有用物理单位表示出该象素在图像中的位置， 因而需要再建立以物理单位（例如毫米）表示的图像坐标系。该坐标系以图 像内某一点为原点，x轴与y轴分别与u、v轴平行，如图1所示。
第23页/共30页
(3) 定标矩阵的计算
计算定标矩阵主要是由式
xi
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• 建模软件：CAD（2010以上版本）
3D MAX
应用
基于相位差的三维激光扫描仪多用于室内的应用： 如数字工厂（石油、天然气、化工、汽车、重工 业、等工厂，轮船、飞机）的生成，交通事故和 犯罪现场重建、铁路轨道扫描和最近应用的隧道 扫描。
这些应用的特点：近距离，高点云密度，毫米-厘米 --- 分米精度
三维测量产品品牌
Faro：
通过收购德国的IQvolution公司
移动激光雷达系统品牌
Riegl
移动激光雷达系统品牌
Optech（加拿大）（从2008年开始）
移动激光雷达系统品牌
• TOPCON
移动激光雷达系统品牌
激光雷达工作原理
• 市场上销售的三维激光扫描仪按扫描方式有两种：
1. 基于时间-飞行差; 2. 基于相位差
激光雷达工作原理
• 基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的性能特点：
1. 射程：大于200米，最远的甚至达到6,000米 2.精度：（射程：< 2,000米）：
±2 mm –±7 mm （测量距离<50米时） （射程：< 6,000米）：
±15 mm （测量距离50米以内时） 3.最大激光发射频率：2,000 – 300,000赫兹
IS全站仪
IS全站仪
• IP-S2
• 法如focus-3d
Trimble GX 3D 扫描仪
仪器欣赏
视频资料
新年快乐
天宝Trimble：
通过收购法国的MENSI公司， 自己生产一款产品GX，通过对 美国的Basis Software Inc.公司 的Surphaser ER-XS贴牌，销 售型号为FX。也贴牌Callidus 设备，型号为CX。
三维测量产品品牌
I-SiTE：
澳大利亚的矿山软件大公司，也生 产应用于矿山的三维激光扫描仪。 目前销售型号有：I-SiTE4400 和ISiTE8800。
三维时代
三维测量产品汇总
三维测量产品品牌
徕卡Leica：
通过收购美国的Cyra 公司，自己只生产一 款设备C-10。通过向 德国Z&F公司和澳大 利亚I-SiTE公司OEM 贴牌销售另外三款设 备HDS6100（相位 差），HDS4400以 及HDS8800。
三维测量产品品牌
Optech：
位于加拿大的多伦多市， 生产ILRIS系列三维激光扫描仪
拓普康
日本。生产GLS1500 型号（老款 为GLS1000）。
三维测量产品品牌
Riegl：
位于奥地利的维也纳市附 近，是规模最大的二维和 三维激光扫描仪生产厂家 （1991年开始生产激光测 距仪），也是唯一一家可 提供全数字化信号三维激 光扫描仪（VZ-400和VZ1000）的厂家。除了可以 为厂家提供各种特殊用途 的二维和三维激光扫描仪 外，也向用户提供一系列 的射程从400米到6,000米 的三维激光扫描仪。
钟摆式扫描方式
• 原理：光直接入射到反射平面镜上，每一个钟摆 周期在地面上生成一个周期性的线性图案，Z之 字型。
• 生产厂家：Optech和莱卡公司。
旋转棱镜式扫描F
• 原理：激光入射到连续旋转的多棱镜的表面上， 经反射在地面上形成一条条连续的、平行的扫 描线
• 激光器生产厂家：Riegl
处理软件
应用
基于脉冲扫描式三维激光扫描仪应用范围广，除 了能够在上述的室内等应用中使用，还能够在室 外的环境中使用，基本不受限制。
如室外应用：地形地貌测量、矿山开采、土木工程、水利、 水电、公路、铁路、电站、建筑等工程、滑坡监测、泥石 流监测、河水和海水对港口码头和堤坝的侵蚀变化、隧道 施工过程扫描（超、欠挖等），桥梁和隧道的变形监测， 文化遗产数字化建档和分析、三维建筑物模型生成等。
激光雷达工作原理
• 基于相位差的三维激光扫描仪的性能特点：
1. 射程：<120米，室内 2.精度：<±1 mm (距离：< 1米）；
±5 mm (距离：< 25米）： >±12 mm （距离：> 50米） 随着距离的增加，精度下降快 3.最大激光发射频率：300,000 – 1,200,000赫兹
激光雷达工作原理
• 激光雷达 激光器的扫描方式
– 目前市场上的脉冲式激光器有四种扫描方式：
1. 振荡（或叫钟摆）式 (Oscillating Mirror) 2. 旋转棱镜式 (Rotating Polygon) 3. 章动式 (or Palmer) (Nutating Mirror, or Palmer Scan) 4. 光纤扫描式(Fiber Switch)
瑞格 VZ-400
产品
产品
瑞格 VZ-4000
• 三维激光扫描仪 VZ-1000
• 三维激光扫描仪 LPM-321
VMX-250移ห้องสมุดไป่ตู้激光扫描系统
VMX-450移动激光扫描系统
徕卡ScanStation C5
徕卡ScanStation C10
• HDS8800
• HDS6200
TOPCON1500