三维激光扫描技术与其应用

一、地面三维激光扫描技术
➢ 地面三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)
三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。随 着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这种技术已经引起 了广大科研人员的关注。
通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测 得空间三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取 的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维 可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件 所不可比拟的。
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 7 大坝监测
精密体积量算
胡佛水坝
等高线生成 城市规划
对目标距离进行米级精确测量
形变分析
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 8 地质测绘 • 利用亮度回返信息和RGB颜色信息可以精密对体地积质量结算构 进行详细的分析
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 9 体积测量
量测方法:
二、地面三维激光扫描技术的应用 传➢ 3统文测物量雕方像法
PT1
PT3
PT2
PT7
PT10
PT4 PT5
PT6 PT9
PT8
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 传3 统文测物量雕像
PT1
PT3
PT2
PT7
PT10
PT4 PT5
PT6 PT9
PT8
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 3 文物雕像
2020/11/23
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➢地面三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology) ✓快速扫描
在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等三维 激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速 度已经让测量界大为惊叹.
现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000 点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经 达到120万点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本 保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量 已经成为过去式。
三维扫描系统是一种主动式的测量系统，无需合作目标，可以深入到复杂 的现场环境中进行扫描，将各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完 整地采集到电脑中。其数据采集无论是白天，黑夜，还是恶劣条件天气均可 以测量。 可扩展性
三维激光扫描系统可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。
一、地面三维激光扫描技术
➢ 12 室内改造工程
精密体积量算
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 13 桥
精密体积量算
上海河南路桥点云图
上海河南路桥三维模型
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 14 虚拟雷村变电站
精密体积量算
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二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 15 废料堆地形扫描
精密体积量算
2020/11/23 数字高程模型
一、地面三维激光扫描技术
➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
点云滤波
点云滤波是利用滤波器/滤波算法滤去不感兴趣数据的处理过程。
一、地面三维激光扫描技术
➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
点云的缺陷区域 数据去噪产生的空洞
点云修复
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一、地面三维激光扫描技术
➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
1 项目开发的背景
伴随着三维激光扫描仪的大量引进，应用领域越来越多， 三维激光扫描点云数据处理软件的需求也随之越来越大。 购买相应的随机商用软件费用高 软件功能也不能完全满足不同行业的要求
开发适合我国国情的具有自主知识产权的基于三维激光 扫描技术的复制重建系统软件非常必要。
数据获取
输出到 CAD 软件
数据编辑 (2D or 3D)
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 3 文物雕像
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 3 文物雕像
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 3 文物雕像
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 4 地形变化
精密体积量算
城市规划
二、地面三维激光扫描技术的应用
一、地面三维激光扫描技术 ➢ 5 地面三维激光扫描仪作业流程
一、地面三维激光扫描技术 ➢ 5 地面三维激光扫描仪作业流程
一、地面三维激光扫描技术 ➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
点云获取
一、地面三维激光扫描技术
➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
点云精简(点云压缩)
三维激光扫描仪得到的点云数据是海量数据，由于数据 量大得惊人，给数据处理和存储带来了很大困难。要高效率 地使用点云数据，必须采取科学方法加以压缩。显然，压缩 比越高，压缩后的数据就越少。可是压缩与保真是一对矛盾 ，压缩比越高，数据损失越多，保真度就越差。如何解决这 对矛盾，同时获得高压缩比和高保真度无疑是本项目的关键 技术之一。
开发环境采用OpenGL作为三维图形渲染引擎，并对其进行面向对象的封装，将c风 格的API封装为C++风格面向对象的形式 ，系统采用模块化开发架构，界面采用BCG开 发库 ；编译器采用微软公司Visual Studio 2005即VC 8.0
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
➢ 软件设计方法 ✓ 采用MFC扩展DLL方法，将一个MDI应用程序的各个部分拆分到不同的模块，
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
2 项目开发的技术路线 ➢基本思路
首先，广泛搜集国内外在此领域的研究现状和研究成果。在认真研究分析现有成 果的基础上，找准突破口
然后，集中精力在关键技术问题上集中突破，非关键技术上节约资源。 ➢ 开发平台选择
在武汉大学多年来自主研发的图形和图像处理基础类库的基础之上，开发三维重 建软件系统，兼顾开放体系结构和通用性，同时具备高效、易用、价廉的原则 。
✓ 在爆破前扫描完整的矿 体情况
精密体积爆量破算前
✓ 爆破并移走爆破物 ✓ 在次扫描矿体
爆破中
✓ 比较爆破前和爆破后扫 描的数据以精确计算出 爆破前后体积变化情况
爆破后
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 10 隧道测量
精密体积量算
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 11 虚拟化工厂
精密体积量算
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 5 冰川监测 — 地形复杂，落差大
精密体积量算
在珠穆朗玛峰进行冰 河监测试验。
等高线生成 城市规划
项目内容： 采用激光扫描技术在 珠穆朗玛峰进行冰河 监测试验的研究。
形变分析
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 6 滑坡监测
通过比较扫描区域的两次扫描结果得出结论
精密体积量算
等高线生成 城市规划
形变分析
等高线
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二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 16 现场保存
NASA扫描哥伦比亚号航天飞机碎片 精密体积量算
二、地面三维激光扫描技术的应用
➢ 17 现场保存
精密体积量算
一、地面三维激光扫描技术 二、地面三维激光扫描技术的应用 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统 五、后续研究工作
一、地面三维激光扫描技术
➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
点云配准
由于物体的遮挡、扫描仪的限制等原因,要完成对一个物体的完整三 维数据获取,地面三维激光扫描仪需要多测站多角度进行扫描。但在不 同测站进行扫描的坐标系不同,因此需要通过点云配准将多站扫描数据 拼接到同一坐标系下,以获得物体表面的完整的形状信息。
一、地面三维激光扫描技术
➢ 地面三维激光扫描技术(3D Laser Scanning Technology)
✓ 是利用激光进行高速、实时、自动获取给定区域目标表面 三维坐标的测量技术。
✓ 是一种大面积高密度的非接触式主动测量技术。
✓ 激光测量单元进行从左到右，从上到下的全自动步进扫描 测量，在激光测量斜距的同时，记录激光光束的水平角和 垂直角，从而解算目标相对于仪器中心的三维坐标，并可 同时记录反射信号强度值。
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 1 历史建筑
构网TIN
贴纹理
二、地面三维激光扫描技术在文物建筑中的应用 ➢ 1 历史建筑
二、地面三维激光扫描技术在文物建筑中的应用 ➢ 2 现代建筑
二、地面三维激光扫描技术的应用 ➢ 3 文物雕像
二、地面三维激光扫描技术的应用 传➢ 3统文测物量雕方像法
一、地面三维激光扫描技术 ➢ 2 地面三维激光扫描仪扫描定位原理
Z Y
X
X L cos cos
பைடு நூலகம்
Y
L cos
sin
Z L sin
在仪器内, 通过两个同步反射镜快速而有序地旋转, 将激光脉冲发射体 发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物 表面再返回仪器所经过的时间差( 或者相位差) 来计算距离, 同时扫描控制 模块控制和测量每个脉冲激光的角度, 最后计算出激光点在被测物体上的三 维坐标。
徕卡C10三维扫描仪
手持大型三维激光扫描仪 三维激光扫描仪 VZ-400
• 传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都 是二维结果（如CAD出图），在现在测量仪器里 全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维 形式的， 在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的
代替二维，现在的三维激光扫描仪每次测量的数 据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色 信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的 信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉， 是一般测量手段无法做到的。
一、地面三维激光扫描技术
➢ 3 地面三维激光扫描仪扫描特点
实时、动态、主动性 三维激光扫描系统为主动式扫描系统，通过探测自身发射的激光脉冲回射
信号来描述目标信息，使得系统扫描测量不受时间和空间的约束。 高密度、高度灵活性、高稳定性
激光扫描能够以高密度、高精度的方式获取目标表面特征。通过扫描可 以获得点云数据（海量数据）。可自由控制采集密度，适应不同的目的。观 测过程中无人工干预，由扫描仪内部电子设备自动控制，减少了人工干预的 不确定 。 无需和被测物体接触 ，适应性好
点云分割
点云分割是点云数据的标记过程，经过标记后，属性相同或相近、且空间 近邻的点被划分为一类。
一、地面三维激光扫描技术 ➢ 6 地面三维激光扫描仪关键技术
三维建模
一、地面三维激光扫描技术 二、地面三维激光扫描技术的应用 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统 五、后续研究工作
景点的点云数据和处理后的数据导入数据库
CloudProcess（3DLaserSRS1.0）软件建模后的效果
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
5 自主开发的软件
计算机软件著作权
按照云南省科技计划项目任务书 《基于三维激光扫描技术的复原 重建系统开发》要求，对系统进 行检测，检测合格。
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
一、地面三维激光扫描技术 ➢ 1 地面三维激光扫描系统组成
扫描单元 控制单元 电源 三脚架和标靶
平面靶标（Flat Target） 球形靶标（Sphere Target）
• 按用途分类：
• 可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离 的不同。
• 按生产厂家不同：Surphaser（美国），I-site (澳 大利亚maptek)，riegl，徕卡，天宝，optect，拓 普康，faro等产家。
分别开发，然后在集成组装起来。
✓ 在MDI主应用程序中实现动态集成，并调度各个模块之间的通讯。
✓ 扩展DLL方法可以实现多个MFC程序之间的无缝通讯，包括数据访问，消 息发送，消息机制等。
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
3 现场工作情况
三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发
4 数据处理 对金刚塔、大理国经幢和唐继尧墓三个景点的点云数据进行处理，并将三
➢ 4 地面三维激光扫描仪分类
按扫描距离分 ✓微距小于1米 ✓近距离1米~100米 ✓中距离100米~500米 ✓远距离大于500米目前，最长2500米
按平台分 ✓星载IceSat Cloud and land Elevation Satellite ✓机载Riegl LMS Q560 ✓地面Trimble Mensi GS200
内容
一、地面三维激光扫描技术 二、地面三维激光扫描技术的应用 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统 五、后续研究工作
一、地面三维激光扫描技术 二、地面三维激光扫描技术的应用 三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发 四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统 五、后续研究工作