地面三维激光扫描仪的分类与应用

,& 按照扫描仪的扫描成像方式划分分为 # %(& 摄影扫描式 ! 此类型的扫描仪扫描瞬时视场 % -./& 有 限 " 它 与 摄 影 测 量 的 相 机 类 似 ! 莱 卡 的 0123,4## % 56&,47# & 和 .%8905 的 :;2:& !6 扫 描
仪属于此类型 ! 它适用于室外物体的扫描 ! 尤其是对 于长距离的扫描很有优势 ! %,& 全景扫描式 ! 此类型的扫描仪视场局限于仪 器的自身如三角架 ! 它适用于室内扫描 " 例如数字化 房屋 ) 设备等 * 此类仪器有:<)=>? 477!或03;;:6@&* %!& 混 合 型 扫 描 式 * 它 集 成 上 述 两 种 类 型 的 优 点 " 水平方向的轴系旋转不受任何的限制 " 而垂直的 方 向 上 的 旋 转 受 镜 面 的 局 限 * $&,77 % A9B&: & 和 ;A& C!"7 %2:9$;& 都是这种型号 * 分类结果如图,所示 *
从数字地球和数字城市等一系列概念的提出伊 始! 各种各样的三维数据获取工具和手段就不断涌 现 ! 推动着三维空间数据获取向着集成化 ( 实时化 ( 动态化 ( 数字化和智能化的方向发展 T 如何将现实世 界的立体信息快速地转换为计算机可以处理的数据已 经不再是人类的梦想 ) 地面三维激光扫描系统是近几年发展起来的 ! 它 在一些国家和领域已经发展成熟并得到广泛应用 * 它 是集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取的手 段与工具 ! 这一技术在国际上处于领先水平 ! 而在国 内尚处于起步阶段* 整个系统由地面三维激光扫描 仪+ 数码相机( 后处理软件( 电源以及附属设备构 成 ! 它采用非接触式高速激光测量方式 ! 获取地形或 者复杂物体的几何图形数据和影像数据 * 最终由后处 理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成 绝对坐标系中的空间位置坐标或模型 ! 以多种不同的 格式输出 ! 满足空间信息数据库的数据源和不同应用 的需要 * 我们从扫描的空间位置或系统运行平台来划分 ! 可分为如下三类 " =& 机载型激光扫描系统 * 这类系统由激光扫描 仪 %5X &! 飞行惯导系统 %4,X &! j-1X 定位系统 ! 成 像装置 %‘4 &! 计算机以及数据采集器 ( 记录器 ( 处 理软件和电源构成 * j-1X 系统给出成像系统和扫描 仪的精确空间三维坐标 ! 惯导系统给出其空中的姿态 参数 ! 由激光扫描仪进行空对地式的扫描来测定成像 中心到地面采样点的精确距离 ! 再根据几何原理计算 出采样点的三维坐标 * %& 地面型激光扫描仪系统 * 此类别可划分为两 类! 一类是移动式扫描系统! 一类是固定式扫描系 统* 所谓移动式扫描系统 ! 它是集成了激光扫描仪 ! SSj 相机以及数字彩色相机的数据采集和记录系统 ! -1X 接收机 ! 基于车载平台 ! 由激光扫描仪和摄影测 量获得原始数据作为三维建模的数据源 * 而固定式的扫描仪系统类似于传统测量中的全站 仪 ! 它由一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相 机 ! 以及软件控制系统组成 * 二者的不同之处在于固 定式扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标 ! 而是一 系列的 , 点云 - 数据 * 这些点云数据可以直接用来 进行三维建模 ! 而数码相机的功能就是提供对应模型 的纹理信息 * +& 手持型激光扫描仪 * 是一种便携式的激光测 距系统 ! 可以精确的给出物体的长度 ! 面积 ! 体积测 量 * 可以帮助用户在数秒内快速的测得精确 ( 可靠的 成果 * 应用范围包括古建筑重建 ( 建筑应用 ( 洞穴测
摄影式扫描仪
图"
三维激光扫描测量原理图
通常而言" 激光扫描仪的应用包括三个基本步 骤 # 数据获取 " 数据处理和建模评估 *
#"!
图" 按扫描成像方式分类
数据获取 利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体
和反射参照点进行扫描 " 尽可能多的获取实体相关信 息* 三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置
&
三维激光扫描仪系统的分类
地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描 仪的诞生为代表 ! 有人称 , 三维激光扫描系统 - 是继 -1X B-Y)dDY 1)PJKJ)I XWPK[]i 技术以来 测 绘 领 域 的 又 一次技术革命 * 当今 ! 许多公司厂家都提供不同的类 型的扫描仪 ! 其种类 ( 功能和性能指标不尽相同 * 如 何对烦杂多样的激光扫描仪根据不同的应用目的进行 正确的认识和客观的选择 ! 使得对三维激光扫描仪进 行系统的分类势在必行 * ’(’ 激光扫描系统分类
表! 基于不同测距原理的分类 扫描测距原理 范围 O<P 原始数据精度 O<<P 厂家仪器 时间测量 Q(### ’(# 2D>=GR 0S?)R 0)GGDNLK 相位测量 $%&& $(# CEGG>?T-?E>HGD+HR :U&LJ 光学三角 $( $%& A>JKDJR ADJEGI)R 三坐标 测量机 激光雷达
* <* *
地理空间信息
!11U 年
信息! 点云的发射密度值! 以及内置或外置相机获取的 影像信息 " 这些原始数据一并存储在特定的工程文件 中" 其中选择的反射参照点都具有高反射特性! 它的布 设可以根据不同的应用目的和需要选择不同的数量和型 号! 通常两幅重叠扫描中应有四到五个反射参照点" !"! 数据处理
地面激光扫描仪
!
三维激光扫描仪在工程中的应用
地面三维激光扫描仪的扫描原理在许多文献中都
有阐述 " 它由激光脉冲二极管发射的激光脉冲 " 经过 旋转棱镜 " 射向目标 " 然后通过探测器 " 接收并记录 反射回来的激光脉冲信号来捕获数据 " 最后经过软件 后处理建模输出 " 如图!所示 *
全景扫描仪
混合式扫描仪
图" 三维扫描仪的应用流程图
!
结束语
地面三维激光扫描作为一种新型的集成数据获取 手段! 它首先是对传统测量数据获取方式的一个补 充 ! 是测量工具箱中众多工具的一种 & 从它目前的应 用状况来讲 ! 系统仍然存在着自身和应用上的不足 & 如 ! 仪器的各种轴系旋转造成扫描结果含有误差 ! 激 光发射光斑的大小影响着实体边缘和角落的识别 ! 特 定的材料对激光光源的反射特性不敏感使得扫描出现 盲区 & 扫描测距和扫描范围的局限性 ’ 点云数据识别 分类 ’ 点云模型建立以及结果精度评估模型的建立方 法的选择 ! 三维激光扫描仪的校正体系还不完善等问 题仍是我们亟待解决的 &
!"#$$%&%’()%*+ (+, -.."%’()%*+ *& /0110$)1%(" 2($01 3’(++01$
!" #$%&’()& BCDEFGH 8)IJK)GJIL FIH 1GMNMIKJ)I OMPMFGQR SMIKMGT U"RFI VIJNMGPJKWT XQR))Y )Z -[)\[PW DI\ -[)]DKJ^PT _"RDI ‘IJNMGPJKWT _"RDI ;+&&?AT SRJIDa -4$)1(’)5 bRJP cDcMG JIKG)H"^MP KRM ^YDPPJZJ^DKJ)I )Z bMGGMPKGJDY 5DPMG X^DIIMGP DIH KRM dDPJ^ PKMcP )Z DccYJ^D$ KJ)I JI MILJIMMGJIL JI NJMe )Z ZGMPR ]MIT JIHJ^DKMH P)]M PR)GK^)]JIL MfJPKJIL JI KRM PWPKM] DK KRM PD]M KJ]M $4K cG)NJ\M\ MNJ\MI^M Z)G "PMG K) GMDYJEM DI\ PMYM^KM\ KRM PWPKM] )dgM^KJNMYW$ 607 8*1,$" KMGGMPKGJDY 5DPMG P^DIIMG’ ^YDPPJZJ^DKJ)I ’ ^Y)"\P’ e)Gh ZY)e
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为了保证扫描的完整性 " 许多的扫描仪只扫描几 米到数十米的范围 * 它们主要用于工业测量和反向工
%) & 图! %* & 激光光速发射方式分类 %+ &
程中 * 它可以达到亚毫米级的精度 * 通常 " 这种扫描 仪不分在地面激光扫描仪的范围之内 * 表 ( 列出了基 于不同测距原理的三维激光扫描仪的分类 #
收稿日期 !!""!"#"$"%
第 $ 卷第 $ 期
马立广 ! 地面三激光扫描仪的分类与应用
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量和液面测量等 ! 此类型的仪器配有联机软件和反射 片 " 如莱卡的迪士通系列产品 ! !"# 地面三维激光扫描系统的分类 针对本文的重点 " 我们将讨论地面固定式三维激 光扫描仪系统的类别划分 ! 通常不同的思考角度会导 致不同的分类结果 " 在此分类中我们考虑如下因素 # $ $$ 仪器扫描的方式 % 例如水平 !"# 度扫描 " 瞬 时视场的大小 " 扫描断面 &’ ( (( 仪器的偏差系统 %仪器的轴系旋转或镜面旋 转方式 &’ ( (( 与其它仪器的结合应用 " 如内置或外置的相 机 " $%& 接收机等 ’ ’& 按照激光光束的发射方式划分为 # 灯泡式扫描仪 " 如图( %)& 三角法扫描仪 # 它的用途有限 " 例如三坐标测 量机就是基于这种原理 " 见图( %*&! 扇型扫描仪 # 此种类型的扫描仪扫描点云的密度 和准确度都很高 " 为多数扫描仪所采用 " 见图 ( %+&!
!""# 年 $ 月 第%卷%期
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地面三维激光扫描仪的分类与应用
马立广
% 武汉大学灾害监测与防治研究中心 ! 武汉大学 测绘学院 ! 湖北 ! 武汉 ;+&&?A & 摘 要 ! 从初识者的角度介绍了地面三维激光扫描仪的分类及其在工程应用中的基本步骤 & 指出了系统存在一些不足 ! 为用 户能客观的认识和选择提供依据 " 关键词 ! 地面激光扫描仪 # 分类 # 点云 # 操作流程
!# 数据预处理 $"#$%&’#()%
数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数 据和影像数据进行预处理 ! 应用过滤算法剔除原始点 云中的错误点和含有粗差的点 & 对点云数据进行识别 分类 ! 对扫描获取的图像进行几何纠正 &
*% 数据拼接匹配 $+&)#,%’-%#.( %
一个完整的实体用一幅扫描往往是不能完整的反 映实体信息的 ! 这需要我们在不同的位置对它进行多 幅扫描 ! 这样就会引起多幅扫描结果之间的拼接匹配 问题& 在扫描过程中! 扫描仪的方向和位置都是随 机 ’ 未知的 ! 要实现两幅或多幅扫描的拼接 ! 常规方 法式是利用选择公共参照点的办法来实现这个过程 " 这个过程也叫作间接的地理参照 " 选取特定的反射参 照目标当作地面控制点 ! 利用它的高对比度特性实现 扫描影像的定位以及扫描和影像之间的匹配 " 扫描的同时 ! 采用传统手段 ! 如全站仪测量 ! 获 得每幅扫描中控制点的坐标和方位! 再进行坐标转 换 ! 计算就可以获得了实体点云数据在统一的绝对坐 标系中的坐标 " 这一系列工作包含着人工参与和计算 机的自动处理 ! 是半自动化完成的 "
然而 " 没有一个通用的扫描仪能完成所有可能的 应用* 一种扫描仪可能适合于室内的中等距离的扫 描 " 另一个可能更适合于长距离的室外扫描 * 因此应 用中用户要根据不同的目的来选择合适的扫描仪 *
!& 按照扫描仪测距原理划分
前面提到 " 地面三维激光扫描仪对目标进行扫描 时 " 与无反射的电子全站仪相似 " 获得的是扫描仪中 心与被扫描物体的表面的两个夹角和一个斜距 * 三维 激光扫描仪常用测距原理包括 # % (& 基于时间漂移原理 % 8D<> !EF !FGD=HI&* 大 多 数的扫描仪测距都是采用这种原理 " 这种原理测距范 围可以达到几百米 * 甚至扫描范围达到千米也Байду номын сангаас可能 的 % 包括 A>JKD " 2D>=G 产品 &* 但是在大范围内的 扫 描测距 " 精度相对较低 * % ,& 基 于 相 位 测 量 原 理 % %H)K> <>)KL?><>JI & * 主要用来进行中等距离的扫描测量 * 扫描范围通常限 制在 ’77 < 内 " 与时间漂移原理相比 " 它的精度可以 达到 << 级 * %"& 基于激光雷达或光学的三角测量原理 %.MID#