如何选择三维激光扫描仪

Basis Software Inc.美国，www.surphaser..com 问题七：脉冲激光的发射频率是什么？ 脉冲激光的发射频率即 PRR（Pulse Repetition Rate）脉冲重复频率。它表达的是激光器每秒 中所发射的脉冲激光的个数，即赫兹。由于激光是受激发射的光，所以， PRR 不是一个恒 量，有一个变化的幅度。如我们说：激光脉冲发射频率是 5,000 赫兹，也就是它可能有时发 射 4,950 赫兹，有时发射 5,010 赫兹。 通常，车载、船载和机载的激光扫描仪用的是二维激光扫描仪，有时，车载和船载系统也用 三维激光扫描仪。不论是二维还是三维激光扫描仪，都是对一维激光扫描仪（或称测距仪） 通过马达转动和/或棱镜的运动而制作的。 激光脉冲的发射频率越高，在单位时间内所发射的激光点云的数量越多。 每一个激光点云的形状呈近似于高斯分布的正弦波，脉冲宽度为几个纳秒。 一般来讲，为了达到最高的精度，在扫描时，我们要选择设备的最高的激光发射频率和最小 的递增角度，使得扫描的激光点云密度达到设备的最大值。 对于不同厂家的设备，其激光脉冲的发射频率 PRR 不同。从天宝（ GX：5000 赫兹，新款 CX： 30,000 赫兹） 、 Optech （5,000-10,000 赫兹） 、 徕卡 （50,000 赫兹） 、 I-SiTE （4,400 和 8,800 赫兹） ，Riegl 的 LMSZ-Z 系列（27,000-30,000 赫兹）以及 VZ 系列（300,000 赫兹） 。一般来 讲，激光脉冲的发射频率越高，激光扫描的角度递增越小，它在完成一个全景（360 度水平） 最高精度扫描所需要的时间越短，即扫描速度越快。因此我们在选择激光扫描仪时，要挑选 PRR 高的参数，以提高工作效率。同时，也要选择角度分辨率高的参数，以求达到较高的 点密度。 因此，有些厂家也将 PRR 称为激光扫描速度，如徕卡公司。 Riegl 的 LMS-Z 系列的三维激光扫描仪的激光脉冲的发射频率均为> 27,000 赫兹，它在完成 一个全景（360 度水平）的高精度扫描所需的时间小于 10 分钟。而天宝的 GS 系列，它在完 成一个全景（360 度水平）的高精度扫描时所需的时间大于 80 分钟。 Riegl 的最新型 VZ-400（PRR=300,000 赫兹） ，完成一个全景（360 度水平）的高精度扫描所 需的时间小于 2 分钟。 另一方面， 三维激光扫描仪的脉冲发射频率和精度是有多重的选择档。 因此选择的发射频率 和精度（即角分辨率）越低，完成一个全景（360 度水平）扫描所需要的时间越短。 问题八：激光扫描速度 Scan Rate 是什么？ 有些厂家，如徕卡，常常给出激光扫描速度：如激光扫描速度 5,000 点/秒（ScanStation1） 或 50,000 点/秒（ScanStation 2） 。它实际上是发自激光器的单位时间的激光点数，PRR 即激 光重复发射频率。 从物理上讲， 这种定义是不对的， 激光扫描速度应该指的是单位时间内激光所扫描的长度值 但是，习惯成自然，我们也不能要求徕卡公司改变他的习惯，权当如此。 问题九：如何鉴定设备的激光发射频率或激光扫描速度？ 由于到目前为止， 也没有一个官方的组织和检校机构来对激光扫描仪进行质量鉴定， 因此有 关激光扫描仪的发射频率、最大测量距离、测量精度也没有一个统一的评判标准，只能靠各 个厂家和用户自己来裁定。 在实际应用上， 由于物体的形状、 反射率、 发射的角度等的影响， 即使激光扫描仪发射了 5,000 点/秒，激光扫描仪最多只能接受到 1/3，其余的 2/3 都被散射了。如果垂直方向的角度大于 ±40 度， 激光扫描仪在单位时间内所能够接受到的激光点的数量还要小于 1/3， 甚至小于 1/5。
d. 扫描速度：不同厂家的产品相差较大。 Riegl 的最快。 其新型号 VZ-400 和 VZ-1000 全景 360 度景观扫描需时：7 秒钟。大多数工程 项目的一站扫描（水平 360 度）只需要 1-2 分钟。 其传统型号的 LMS-Z420i ，LMS-Z620，LMS-Z390i 和 LMS-Z210ii 的激光发 射频率为 27,000—30,000 赫兹，使用它们进行全景 360 度景观扫描需要 80 秒钟。 大多数工程项目的一站扫描（水平 360 度全景）只需要 10--16 分钟。 其次为徕卡的 C-10(激光发射频率为 50,000 赫兹)。全景 360 度景观扫描需时： 120 秒钟。大多数工程项目的一站扫描（水平 360 度）需要 10-16 分钟。 Optech 和天宝的较慢：大多数工程项目的一站扫描（水平 360 度）需要 60--90 分钟以上。但是， 天宝又推出了一款新的机型：CX，激光发射频率提高到 30,000 赫兹，扫描速 度应该提高到与徕卡的 C-10 和 Riegl 的 LMS-Z 系列相当。 Riegl 的激光扫描仪开机即可使用，不需要预热。而其他的品牌一般需要预热 30 分钟后才能进行测量。 e. 太阳光和室外光线对扫描点数、距离和精度影响：小。 f. 下雨天：小雨影响不大。中雨和大雨影响激光扫描的距离，精度和激光点 数。 g.. 植被覆盖区域：能够应用，并且能够去除植被。 h. 在黑暗中扫描的效果最好：点数多、距离与阴天相同、精度高。 （２）基于相位差的三维激光扫描仪的性能特点： a. 射程：<120 米，室内 b. 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。 c. 最大激光发射频率：300,000 – 1,200,000 赫兹。 d. 扫描速度：随所设定的激光发射频率变化。如 激光发射频率（赫兹） 1,250 5,000 10,000 20,000 40,000 60,000 100,000 200,000 500,000 自：http://www.zf-laser.com/Datenblatt_IMAGER%205006i_E_10.09.2008.pdf 扫描速度快和激光点云密度高时相位差激光扫描仪的优势。 在近距离时， 其扫 描的精度非常高，但是在 20 米以外的距离上，精度下降很快，相比于基于飞行时 间差的激光扫描仪来说，稍逊一筹。 在许多实际应用中，对于如汽车一部分的一个站点的扫描常常选用 10 分钟的 扫描时间，以便获取较好的点云密度。 e. 太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：大。不适宜在阳光和晴天下室 一个站点所需扫描时间（水平旋转 360 度） 25 秒 1 分 40 秒 3 分 22 秒 6 分 44 秒 26 分 40 秒 � 260 分 （4 小时 20 分） � 10 小时 一天一夜？
如何选择三维激光扫Hale Waihona Puke Baidu仪？（一）
刘燕京 博士 目前市场上销售的射程大于 10 米的三维激光扫描仪有许多不同的型号。如何看懂各个 厂家的参数和配置，性能的优劣，尽量不受销售代表的误导，选择适合自己应用的型号， 是 一个比较困难的问题。本文现就一些常见的问题做一个简要的和客观的介绍。 问题一：三维激光扫描仪的类型： 目前市场上销售的三维激光扫描仪按扫描方式划分有两种： � 基于时间-飞行差; � 基于相位差 问题二：两种类型的三维激光扫描仪的销售情况如何？ 基于时间-飞行差的三维激光扫描仪约占总数量的 90%以上, 而基于相位差三维激光扫 描仪约占总数量的 9%。 问题三：两种类型的三维激光扫描仪的主要性能特点如何？ （1）基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的性能特点： a. 射程：大于 200 米，最远的甚至达到 6,000 米。 当我们阅读射程的技术参数时， 要注意厂家所给出该射程是在什么反射率下所 得到的。这个问题会在后面专门论述。 影响射程的客观条件有以下几点，请注意： (i) 阴天或艳阳天。差别不大。但是，太阳光特别强时，射程会下降。 (ii) 小雨或雾天。对于射程会有影响，取决于雨的大小。 (iii) 白天或黑夜。 在黑夜扫描时所获取的激光点的噪音会少， 激光点密度稍微 大些，距离稍长些。 （iv）空气中的污染度会影响扫描的数据质量和射程。 在某些厂家代理为客户演示时， 客户往往发现所获取的射程达不到这些厂家所 声称的射程的一半，问题较普遍。原因是有一些厂家的射程参数有“泡沫” ，请不 要太相信。 b. 精度： 对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪 （最大射程： < 2,000 米） ：± 2 mm –±7 mm （测量距离 <50 米时） ；对于超长距离脉冲扫描式三维激光扫描仪 （最大射程：< 6,000 米） ： ±15 mm （测量距离 50 米以内时） 。距离测量准确和 精度高是基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的一个性能特点。 在使用时，用户往往发现其所获取的精度达不到多个厂家所给出的精度参数。 除了使用者的技术和熟练程度外，另外一个原因是有一些厂家的精度参数有 “泡 沫” ，请不要太相信。 c. 最大激光发射频率：2,000 – 300,000 赫兹。 物理意义：最大激光发射频率越高，在同等技术要求的条件下，扫描所需要的 时间越短，效率越高。如：发射频率为 300,000 赫兹的 Riegl 的 VZ-400 比发射频 率为 27,000-30,000 赫兹的 LMS-Z620 快 10 倍，比天宝的 GX（发射频率： 5,000 赫兹） 快 60 倍。 换句话说： 你用 GX 去扫描一个物体需要 60 分钟， 在同等条件下， 用 VZ-400 只要 1 分钟。
外进行大于 20 米的测距工作。 f. 植被覆盖区域：不能够应用。 g. 使用范围局限：在扫描对象具有多重目标的情况（如网状、篱笆、树木后 的房子，设备）下不能使用。 h. 由于玻璃或其他有机透明玻璃对于光有反射和折射，所以，基于相位差的 激光扫描仪的部分光学部件和中央的旋转部分是没有遮盖的， 因此， 灰尘和水汽等 污染物很容易进入到反射棱镜的表面和旋转部件的内部， 不适合在尘土飞扬和水汽 较多的地方（如施工工地，矿山、隧道等）长期使用。 问题四：目前哪些行业应用三维激光扫描仪比较成熟？都使用哪些种类？ 通常，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。 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。 至于说到要使用哪种类型或型号的激光扫描仪， 应该根据具体的要求， 选择不同的激光 扫描仪。没有一款激光扫描仪能够满足所有的要求。 问题五：生产基于时间-飞行差的三维激光扫描仪厂家都有哪些厂家？ 徕卡 Leica ： 通过收购美国的 Cyra 公司， http://www.leica-geosystems.com/hds/en/lgs_5210.htm。 自己只生产一款设备 C-10， 旧的型号有 ScanStaion2。 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。 Optech：位于加拿大的多伦多市，www.optech.on.ca。生产 ILRIS 系列三维激光扫描仪。 天宝 Trimble：通过收购法国的 MENSI 公司，www.mensi.com。自己生产二款产品 GX 和 CX，通过对美国的 Basis Software Inc.公司的 Surphaser ER-XS 贴牌，销售型号为 FX。 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， www.isite.com。 目前销售型号有：I-SiTE4400 和 I-SiTE8800。 拓普康。日本。生产 GLS1500 型号（老款为 GLS1000） 。 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 VZ-1000）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。www.riegl.com。 问题六：生产基于相位差的三维激光扫描仪厂家都有哪些厂家？ Z & F： 德国， 最早的生产基于相位差的三维激光扫描仪厂家 （1993 年） ， www.zf-laser.com 。 Faro：通过收购德国的 IQvolution 公司，www.faro.com。 Callidus: 德国，www.callidus.de。