如何选择地面三维激光扫描仪修订版

Faro、天宝与其公布的相差较大， Optech其
次，徕卡和Z&F所公布的精度相差最小。 但是全是其多次重复扫描的精度，并且是使 用特殊的优质球型标靶。 相差最小的徕卡的scanstation2，厂家给出的 点位精度为±6mm，距离精度为±4mm (50 米距离)。但是，在实际应用中，即使你使用 徕卡推荐的标靶，在50米的距离，采用小的 垂直扫描角度，你也达不到8mm的精度，请 不要沮丧，因为他们使用的标靶是不一样的。
2、两种方式三维激光扫描仪主要性能特 点
2.1脉冲式：
a. 射程：大于200米，最远的甚至达到6,000
米； 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）。
2 激光扫描速度Scan Rate：
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，目前三维激光扫描仪行 业内就把脉冲激光的发射频率即PRR，当做 扫描速度参数。
3、三维坐标确定方法
4、三维激光扫描仪应用
量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模 空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用 正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原 结构特性分析、试验工程仿真、后数据测计量、目标形变监测 工程技效评估、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析 对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试
2．2相位式
a. 射程：受相位式影响，扫描射程会受限制。 Leica 6200 0.4-79米，法如120米， Surphaser 0.2-140 b. 精度：2 mm (距离：< 25米）：±12 mm （距离：< 50米）。 c. 最大激光发射频率：30万 – 120万赫兹。 Surphaser目前是最高的120万赫兹，法如 97.6万，Leica50.8万。 d. 扫描速度：随所设定的激光发射频率变化。 e. 太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响： 有影响。 Surphaser是受环境影响最小的。
Surphaser产品目前是严格按照美国军方标准





制定，测距标定方法主要是针对行业应用。 实际测量范围比规定范围要大的多。 SR标称0.2-5米 是定义的高精工业级别， 实际在普通环境中可达35米，并保证精度 0.3mm。如果在黑暗环境可达46米。 IR_X 标称0.4-19米 实际 0.4-45米 MR_X 标称1-30米 实际0.5-50米 ER_XQ 标称 1.5-50米 实际 1-70米 ER_XS 标称 1-70米 实际 1-140米 目前Surphaser在相位式中是测量距离最远的
c. 最大激光发射频率：2,000 – 300,000赫兹。
d. 扫描速度：受脉冲式影响，扫描速度受到 限制。 e. 太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响： 小。 g. 应用于以下领域:测绘.矿山.隧道.电力.水利. 通讯.环境.建筑.地质.警务.消防.爆破.航海.铁 路.反恐/军事.农业.林业.房地产.休闲/户外运 动等.
3.激光扫描的最大距离 每一款的激光扫描仪的最大扫描距离与光线
的强弱、由此所引起的物体反射率的变化、 垂直扫描角度的大小等相关。 我们知道，当光打到物体反射率越高的物体， 所反射回来的光信号越多，强度越高，因此， 激光扫描仪的射程也越远。 但是，大多数的地面、建筑物的反射率为 40%--50%，大多数的树木的反射率为30%-70%，煤和沥青路面在15%和25%之间，因 此在实际应用中，我们要对设备的最大射程 打折。
4、扫描精度 由上述理论得知激光发射频率和角度分辨率
是影响精度的最关键参数。 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 小的角度分辨率，使得扫描的激光点云密度 达到设备的最大值。 发射频率越高单位时间内发射的激光点就越 多，角度分辨率越小激光点间距就越小，从 而点云密度就会越高。
如何选择地面三维激光扫描仪
一、三维激光扫描仪原理
1、三维激光扫描仪构成：
三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、
时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控 制电路板、微电脑和软件等组成。
2、三维激光扫描仪原理 激光脉冲发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉 冲，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生 接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间 差作计数，最后由微电脑通过软件，按照算法处理 原始数据，从中计算出采样点的空间距离;通过传动 装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描;然后进 行数据整理从而获取目标表面的点云数据。
整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程
历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修
5、三维激光扫描仪应用领域
核电站，文物，考古，建筑业，航天，航空，
船舶，制造，军工，军事， 石化，医学，水利，能源，电力，交通，机 械，影视，教学，科研，汽车，公 安，市政建设......
如：许多用户对比了徕卡公司的ScanStaion1
和ScanStation2，发现其所有参数都一样， 只有激光扫描速度由5,000点/秒提高到 50,000点/秒，而且前后推出的时间不到一年。 在使用时，也没有感觉到激光点云的密度有 多大的增加。由于用户不能拆开激光扫描仪， 即使有疑问，也束手无策。但是，我们可以 选择一个扇墙，将垂直角度设定在±10度以 内，水平扫描角度设为20度，扫描距离小于 50米，然后对20秒时间内的扫描结果进行评 判。如果接受到的激光点云数目远小于 50,000点/秒的1/3（即17,000点/秒X 20秒 =340,000点），那就说明你的质疑是对的。
三、三维激光扫描仪基础参数定 义。
1、脉冲激光发射频率： 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。 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。
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。 实际上，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。
1.2、相位式测量原理
相位式测量是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测线一次所 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 出光经往返测线所需的时间，设备记录本身 在水平和垂直方向的旋转角度，通过软件计 算出三位数据。如下图：
1.2.1相位ຫໍສະໝຸດ Baidu测量原理图
I-Site8800设计定义为专业矿山型三维激光扫
描仪。其最大特性就是扫描距离远。针对反 射率仅为10％的物体扫描距离就可达到500m。 对于建筑，地形地貌最为专业。
对于相位式三维激光扫描仪，受扫描模式限
制扫描距离也受到限制。目前突破100m的产 品只有Surphaser和FARO。 LeicaHDS6200标定最大测距79m，在室内应 用时，最大距离应该在50m以内；在室外应 用时，阴天可在30m以内使用，晴天20m或 不可用。晴天时20处，Leica公司标配的标靶 都不可识别了。 FARO Photon 120 据说最远能够达到153米， 据实验目前最高反射率物体（90％以上）能 达到100米就不错了。
Surphaser 25HSX SR
扫描速度120万点/秒 角度分辨率1″ Leica HDS6200 扫描速度100万点/秒 角度分辨率6.4″ FARO FOcus3D
扫描速度97.6万点/秒 角度分辨率32″
扫描精度结果一目了然
脉冲式三维激光扫描仪，精度测量重复性好， 受光线影响小，但是如果垂直扫描角度较大 时，由于激光点云的斑点形状变形（圆形的 成为椭圆或畸形），也会使精度显著降低。 精度与所使用的标靶的反射率和形状以及垂 直扫描角有关 大多公司所给出的精度全是在最理想的标靶 情况下得出的，因此，用户不可能指望他在 使用中能够达到标识精度。 下面有汉堡大学对徕卡、Optech、天宝、 Z&F、Faro等做的实验比较结果。
对于不同公司的产品，因为他们所依据的基础
反射率不同，打折幅度不同。 对于建筑，地形地貌等应用: Optech的ILRIS-3D标定的最大射程参数为 1,200米到1,500米（多种配置），不论它如何 标定，增强型与否，对于建筑物扫描和地形地 貌为例，在实际应用中，它的最大射程大约在 500米。 对于徕卡的ScanStation1和ScanStation2，经 过德国的汉堡大学的测试，在使用HDS黑/白 发射片时（反射率>90%），最大射程为200米。 在实际应用中，对于建筑物和地形地貌扫描， 它的最大射程大约在120米。
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。 脉冲式从天宝、Optech、徕卡（ScanStation 1）、i-site的2,000 –5,000赫兹到Riegl的 LMSZ-Z系列的27,000赫兹。 相位式，Leica6000，6100和德国Z & F的 50.8万点/秒到Surphsaer的120万点/秒。
如：Leica-ScanStation1 5000点/秒




Leica-ScanStation2 50000点/秒 Topcon- GLS-1000 3000点/秒 Topcon- GLS-1600 30000点/秒 当然也有比较真实的厂家 如：Optech- ILRIS-3D 2500点/秒 Trimble-GX 由3000点/秒 升级到5000点/秒 I-Site4400的4400点/秒 I-Site8800的8800点/秒 I-Site8800的实际扫描速度在以上几款设备中 是最快的。
所有厂家标出的扫描速度都是设备的理想值，
实际使用中不肯能达到标定值。 如：相位式中LeicaHDS6100 标称50万点/秒， 和FARO标称97.6万点/秒，实际使用中也就 十几万点/秒，而Surphaser刚开机时最慢的 速度是21.6万点/秒，在十五分钟内能够达到 100万点/秒以上。 脉冲式的扫描速度受扫描模式的限制都比较 慢（几千点），但近几年许多厂家的设备都 出现了，其他参数不变扫描速度乘10倍的增 长。根据上述理论，扫描速度增加相对应精 度就会增加。
二、三维激光扫描仪分类
目前市场上销售的地面式三维激光扫描仪按
扫描方式划分有两种： 1、基于时间-飞行差，又称脉冲式； 2、 基于相位差，又称相位式。
1、测量原理
1.1脉冲式测量原理
由激光发射器发射出的激光经被测量物体的
反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光 往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就 是测距仪和被测量物体之间的距离，设备记 录本身在水平和垂直方向的旋转角度，再通 过软件，计算出三维数据。