三维激光扫描仪范文
时间：2023-03-16 04:35:26
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篇1
1、三维激光扫描仪应用现状
地面三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪的诞生为代表，是继GPS （Global Position System）技术以来测绘领域的又一次技术革命，该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。三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够全天候的对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。该技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，作业时间短，使用成本低，且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前在工程、环境检测和城市建设方面如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、3D城市模型的建立、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等均有成功的应用实例。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域[1]。
2、三维激光扫描仪工作原理
三维激光扫描仪由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜为主要构造组成。其工作方式为激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。
按照扫描平台的不同三维激光扫描仪可以分为：地面型激光扫描系统、机载（或星载）激光扫描系统、便携式激光扫描系统。本文工程中使用的为地面型三维激光扫描仪，其工作原理为：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。
整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、数据后处理软件、电源以及附属设备构成，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[2]。
3、工程应用实例
该工程为千岛湖引水工程，引水管布设长约100公里，沿途多处布设埋管、钢衬段及支洞口，测区多为山区丘陵地貌，植被较为茂密，通视情况较差，采用传统全站仪地形测量方案，废时、废力且效率低下，影响工作效率。现以一处支洞为例，采用地面型三维激光扫描仪进行测量并与传统测量方式进行比较。
本测区采用仪器为徕卡Scanstation C10 新一代一体化扫描仪，具有以下功能：[3]
（1）轻松实现全视场扫描。视场角高达360°X 270°，可轻松获取顶部，水平方向及垂直方向的数据，旋转镜头（智能X-MirrorTM设计），可覆盖几乎整个垂直方向的视场角。
（2）使用了和徕卡全站仪一样的高精度双轴（倾斜）补偿器，能完成导线测量、后方交会测量和放样。
（3）实用有效的测距范围，扫描距离大于300米。
（4）具有全站仪的测量精度，能使点位、距离和角度测量精度达到专业级测量精度。
（5）超高速激光扫描，扫描速度高达50000点/秒。
（6）Cyclone常规地形测量功能，基于扫描点云数据，利用徕卡 CYCLONE II TOPO地形测量软件模块可以轻松完成二维地形图的测绘和输出，节省了外业数据采集的大量时间，提高了地形测绘工程的作业效率。
3.1控制网布设
测区首级控制网由4点E级GPS点构成，采用南方9600北极星GPS接收机进行静态观测，并布设四等水准测量，使整个测区建立在一个基准控制框架内，便于徕卡Scanstation C10扫描仪的起闭。测区内利用GPS RTK进行控制点加密，其作用为三维激光扫描仪过程中布设定向、检查标靶点和特征控制点。
3.2野外作业过程
3.2.1野外设站
将三维激光扫描仪架设在加密点T1，反射标靶架设在T2进行定向（可自由架站，无需人员干涉）。由于三维激光扫描仪的测程是有限的，不同测站的测量数据如何拼接到一起，就需要标靶来完成，因此根据扫描仪测程，需要在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶，以供点云拼接需要。
3.2.2测区扫描
根据测区划分区域，设置采样间隔和扫描分辨率。采样间隔和扫描分辨率设置过大或过小均会对后期的数据处理精度及采集到的点云数据量，数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。因根据地形测量精度的要求合理设置，以达到最佳的效果。同时每站重叠区域不小于5米，360°水平范围和270°垂直范围内自动扫描，进行点云之间的拼接，实现对准与地理配准。
3.2.3内业处理
经外业扫描到的三维点云数据量非常大，其中包含河流、山体、房屋和沟渠之类等有用的数据，也包含车辆、行人、树叶等等无用的数据，利用Cyclone、leica地形后处理软件提取点云质量好，精度高，数据全面的部分点云数据进行内业数据处理，并采用数据滤波和数据抽隙的方法对点云数据进行处理，完成后将点云数据转成txt格式导入Maptek I-Site Studio进行最后地表DEM的建立和等高线及高程点的提取。如果现场地物较为分散且种类繁多，还可以利益徕卡cloudworx将点云导入CAD或者CASS中对地形图进行进一步的描绘从而得到我们所需的地形图。（如图1）
3.2.4优势比较
整个支洞需要测量作业的范围近0.2平方公里，落差近100米。传统全站仪作业方法外业用时需5天，采用三维激光扫描仪作业用时2天大量节省了外业工作时间，大大减轻了外业人员工作强度，另外高分辨率数码相机真实反映了地物特征，提高了内业处理的速度，提升了内业成果精度，增加了成果展示的形式。
4、结束语
三维激光扫描仪测量技术给传统测绘带来了一股清风，是数据测图又一次创新进步，相比传统的地形测量具有效率高、表现力强、测量细节丰富，地形、地貌一次测量完成、并同时获得影像模型，自动得到DEM数据，且成果形式多样，可以满足不同人员对数据的需求，同时还具有智能化，兼容性强等特点。但通过本次工程的实践，我发现地面三维激光扫描技术的普及也存在以下不足：在大比例尺地形图数据采集过程当中受现场条件限制较多，如山区植被较多时，精度较低；数据后处理较复杂，外业完成后需要较长时间的数据处理，耽误后续工程的人员投入；仪器设备价格昂贵[4]。
相信随着科学技术的不断进步，在企业生产成本最低化，效益最大化的时代背景下，这项继GPS之后的高端测绘技术在地形测绘、道路桥梁测绘等领域具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]徐晓熊.刘松林.李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘，2009.（2）
[2]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备，2008.10（2）
[3]徕卡测量系统股份有限公司 Leica Scanstation C10使用手册，2011
[4]许映林.三维激光扫描技术在温泉水电站大比例尺地形图测量中的应用[J].水利水电测绘，2007，3
篇2
关键词 ：三维激光扫描仪；误差测定；影响因素；
中图分类号： R814 文献标识码： A 文章编号：
引言
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”，主要面向高精度逆向工程的三维建模与重构。它可以高效地采集大量的三维点。少则几万个，多则几百万个。它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，从而快速重构出目标的三维点云模型。此外，它所采集的三维激光点云数据还可进行各种后处理工作，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。这对于有限元分析、工程力学分析、流体动力分析等是非常重要的。这种逆向工程的数据获取方式目前在我国还是个薄弱的领域。
一、三维激光扫描仪的概念
三维激光扫描技术是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。三维激光扫描仪通过高速激光发射器运用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
二、地面型三维激光扫描系统工作原理
三维激光扫描仪运用了激光的方向性、单色性、高亮性、相干性等特点，实现了测量速度快，操作简单，测量精确度高等目的。对地面三维激光扫描仪来说，采用的是仪器坐标系统，即所采集到的物体表面点的空间信息是以其自身的坐标系统为准的。系统以激光束发射处为坐标原点；Z轴位于仪器的竖向扫描面内，向上为正；X轴位于仪器的横向扫描面内；Y轴位于仪器的横向扫描面内且与X轴垂直，如图1-1，由此可得点坐标的计算公式：
图1采用脉冲测距法的三维激光点坐标 图2 目标物体倾斜引起测距偏差
二、点云数据的误差来源及分析
从误差理论来分析，径向扫描系统测量误差可分为系统误差和偶然误差。系统误差引起三维激光扫描点的坐标偏差。可通过公式改正或修正系统予以消除或减小。测量系统的偶然性误差是一些随机性误差的综合体现。
三维激光脚点测量误差的影响因素较多。大致可分为三类：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件。仪器误差是仪器本身性能缺陷造成的测量误差，包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；与目标物体反射面有关的误差主要包括目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响；外界环境条件主要包括温度、气压等因素。
2.1激光测距的影响
激光测距信号处理的各个环节都会带来一定的误差，特别是光学电子电路中光脉冲回波信号处理时引起的误差，主要包括扫描仪计时的系统误差和测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差。脉冲计的系统误差造成循环、混淆现象与测距的凸角误差相类似，测距技术中不确定间隔更可能造成数据突变，目前，可运用一些较好的技术（如频率倍乘、微调作用）处理这些突变的误差。激光测距误差综合体现为测距的固定误差和比例误差，可以通过仪器检定确定测距误差的大小。
2.2扫描角的影响
扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微笑震动、扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。目前扫描角测量可达到很高的精度，如徕卡的HDS2500三维激光扫描仪的扫描角精度达到±0.5″。
2.3目标物体反射面倾斜的影响
激光扫描测距系统中激光测距单元由激光发射头和激光接收器两部分组成。用于加工发射和接受窗口的孔径直径有一定的大小。由于激光发射哈接受共用一条光路，且激光光束具有一定的发散角，扫描到目标物体表面形成激光角点光斑。激光角点光斑的大小d、激光发散孔径D和激光光束发散角y存在如下关系：
（2）
式中，S为激光发散点到物体表面上激光角点中心之间的距离。
当扫描目标物体倾斜时，则出现扫描目标物体表面法线与激光光束方向不重合。当表面切平面法线与激光光束方向的夹角为α，根据图2，存在如下几何关系：
（3）
则引起激光角点的位置的最大偏差ds
（4）
由于y/2很小，则siny/2=y/2，所以
（5）
2.4目标物体反射表面粗糙程度的影响
三维激光扫描点云的精度与物体表面的粗糙程度有密切关系。由于三维激光回波信号有多值性特点，有些三维激光扫描系统只能处理首次反射回来的回波信号，有些三维激光扫描系统只能处理最后反射回来的回波信号，也有一些三维激光扫描系统能够综合处理首次和最后反射回来的回波信号。以处理首次反射回来激光回波信号为例（如图3所示），目标物体表面粗糙程度引起激光角点位置的偏差ds，接近于物体表面粗糙极值的1/2.
2.5温度、气压等外界环境条件的影响
温度、气压等外界环境条件对激光扫描的影响主要表现为温度变化对精密机械结构关系的细微影响、扫描过程中风的震动、激光在空气中传播的方向等。较差的外界环境条件对三维激光扫描数据的影响也较大。
径向三维激光扫描仪测量的主要误差来源于测距误差或扫描角误差。由于测距误差包含固定误差和比例误差两部分，其影响具有一定是规律性。如HDS2500仪器的测距误差在50m以内为6mm，超过50m后仪器测距误差随距离线性增加，在200m时达到42mm.扫描角的误差是一种与距离有关的误差，扫描角对扫描点的影响随距离增大而增大。
目前，基于TOF测距技术的三维激光扫描仪已经成为测绘领域的一个新的研究热点，但是，对三维激光扫描仪的仪器设备及测量误差的研究还很少。本文在对三维激光扫描仪的分类基础之上，对径向三维激光扫描仪器的测量误差影响因素进行了较为全面地理论分析，并指出了测距误差和扫描角误差是三维激光扫描误差的主要误差源之一。
结束语
现今，人类社会已经进入了高度文明的时代，各行各业都在寻求更好的发展途径，三维激光测量技术的应用越来越广泛，在今后的发展中，我国必定会不断完善测量技术，为相关领域的稳定收益保驾护航。三维激光扫描仪目前广泛应用于各个领域，是研究的热点。本文主要研究了三维激光测量误差来源――仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界条件影响。通过实验得知了仪器Trimble GX200的测距精度和扫描精度。
参考文献
[1] 马立广. 地面三维激光扫描测量技术研究[D]武汉:武汉大学硕士论文.2005.
[2] 杨伟,刘春,刘大杰.激光扫描数据三维坐标转换的精度分析[J].工程勘察,2004.
[3] 吴剑锋, 王文, 陈子辰. 激光三角法测量误差分析与精度提高研究[J].机电工程.2003.
篇3
关键词:三维激光扫描系统；相似材料实验；变形观测
Abstract: This paper using similitude stuffs experiment method to simulate mine coal bed exploitation simulating the earth’s surface displacement and distortion case. By using 3D laser scanner to observe and analyze the earth’s displacement and distortion circs. Using 3Dlaser scanner to observe the simulate stuffs can that get datum well, it has more advantages.
Key words: 3D laser scanning system; similar material experiment; deformation observation
中图分类号： TP731 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）
0 引言
随着国家对资源和人民财产的重视，对矿山开采沉降区和边坡观测显得日益重要。本文正是用相似材料来模拟矿山煤层及其周围的真实实体，用三维激光扫描仪对模拟岩体进行监测与分析实验。通过模拟试验得出了很好的变形监测分析预报结果，体现了三维激光扫描仪在相似材料试验中的应用。
1 三维激光扫描仪
实验中采用的三维激光扫描系统是由Cyrax2500激光扫描仪和Cyclone软件组成。考虑到实验数据获取的需要，测量中控制精度指标如下：水平方向为0.5mm，垂直方向为10mm，在1.5m~5m范围，测距精度为±1mm，角度为±0.5″，形成模型表面控制点的精度为±2mm，垂直方向和水平方向最大40°角。
三维激光扫描系统的工作流程为：测站设计、扫描、控制标靶中心的获取、坐标配准和三维建模。
2 相似材料模拟实验
2.1 相似材料实验原理
相似材料实验是一种以相似理论为基础，通过用一定的相似材料构造物理参数与实际开采条件相似的模型来研究实际工程问题。采用相似材料模型法模拟地下煤层的开采引起的覆岩与地表移动、变形和破坏规律的实质是采用原型的物理力学性质相似的人工材料，按几何相似常数、运动相似常数、动力相似常数及相似指标与相似判据，将原型缩制成一定比例的模型。在保证原形与模型的初始状态和边界条件相似的情况下，对模型进行模拟开采，观测模型在模拟开采过程中的覆岩的断裂破坏、弯曲和移动与变形规律，地表的移动与变形规律及其影响范围，然后按照相似指标将模型得到的观测结果推算到原型上去，确定原型的破坏、移动和变形的规律。
本次实验某矿区某工作面为相似材料模拟基本原型，由于实验的需要在设计模型时作了必要的简化，以便和理论模型近似。该工作面从地表至800m采深，煤层开采厚度为10m～30m，可采煤层为2层，煤层间距120m。相似材料模拟实验为急倾斜煤层开采。由实际开采工作面地质采矿条件进行必要的简化，采用类比法确定煤岩的物理力学参数。本次实验选用的比例尺为比例尺1:1000。
2.2 模型设计
模型设计长2m，宽0.2m，高1.2m。模拟的急倾斜煤层平均倾角为60º，煤层厚度10 m，两层煤间距100 m，开采上限采深300 m，下限采深800 m，分多阶段开采，阶段采高不等。
2.3 测量点的布置
根据急倾斜煤层开采岩层移动与变形的特点和实验目的的需要，本实验采用三维激光扫描仪进行观测，从模型的前后两个面各自独立进行观测。其中主要是针对地表移动和顶、底板的变形进行监测，地表观测线1条，共计13个测点，测点间距10~16cm。顶、底板观测线各1条，顶板共计测点7个，测点间距12~17cm。底板共计测点5个，测点间距10~20cm，测点布设如图3.2所示。三维激光扫描仪观测法是利用cyrax2500三维激光扫描仪对模型进行全面监测，共布设13条观测线，其中水平观测线6条，顶板观测线各6条，底板观测线1条。测点共256个。观测三次。
第一次观测是在煤层开采前，以获取模型在没有采动情况下的原始空间位置数据，为以后的变形数据进行比较。第二次实施对模型全面的观测在1＃煤层由-200m水平开采至-1100m水平变形稳定后。第三次全面的观测在2煤层由-200m水平开采至-1100m水平模型变形稳定后，共进行了三次对模型的全面观测，获取了相应的数据。
同时在观测前，在模型的周围还布置了4个固定的控制点t1、t2、t3、t4，主要通过水平观测线来观测在不同的岩层平面内地层的下沉变化情况，这些不同岩层在水平面的下沉情况反映了岩层下沉移动向地表传递的过程，这6条水平观测线分别为Sw1～Sw6。而倾斜观测线是沿岩层的层面布置的，其中在顶板内共布置了6条观测线，观测顶板在法向方向位移的变化，同时在底板中也布置了一条观测线，观测顶、底板受采动的影响。
3 实验观测数据处理
通过Cyclone软件首先对三次扫描的点的模型数据建立一个统一的局部坐标系，并利用固定的控制标靶中心t1、t2、t3、t4作为建立局部坐标的依据。
通过三次观测数据的对比可以得到模型受采动影响下观测点的下沉和水平移动情况。在特征点的提取过程中，分别将对应的特征点进行标识，以便可以对变形前后的变化情况进行对比。特征点用sw4－、sw6－和sw7－加点号表示。从上至下布置的水平观测线上的观测点号依次为1－19，30－52，70－97，123－149，172－197和220－245。而模型倾斜方向布设的观测线主要是在开采煤层的附近，方向和煤层近似平行，其中煤层顶板中布设了4条观测线，1＃煤层和2＃之间共布设1条观测线，在底板中布设了2条观测线，各倾斜观测线间距不等。
（1）水平观测线上观测点下沉分布特点
篇4
关键词：三维激光扫描 cyclone点云 去噪 精度
中图分类号：TP731 文献标识码：A文章编号：
一.引言
本项目投入使用的是来自瑞士的Leica ScanStation C10三维激光扫描仪， All-in-One“一体化设计”是C10的最大特点，它把所有的关键部件都集成在一个便携的测量仪器中。C10具有全视场角（水平360°，垂直270°）、高速(每秒5万点)、高精度（测距中误差达到4mm，测角中误差达到12″）、长距离（扫描范围超过300m）等特点，完全满足本次测绘任务。安装了双轴倾斜补偿器，可以在±5′的范围自动补偿，补偿精度达到1.5″；安装了激光对中器，可以大大减少仪器对中整平和迁站的时间，提高了工作效率和测绘成果质量。
二.作业流程
（1）控制测量
本次图根控制采用HZCORS系统。HZCORS系统利用本系统提供的网络平差软件计算出所采集的控制点成果。经检查，控制点精度满足工程测绘技术规范要求。
（2）外业扫描
C10可以采用四种设站方式：已知测站点和定向点坐标方式；已知测站点坐标和定向方位角方式；后方交会方式；任意设站方式。前三种设站方式各站之间的点云数据可以自动拼接，最后一种设站方式各测站之间的数据不能自动拼接，因为每站均为独立坐标，各站之间的点云数据通过标靶或点云拼接成一个统一的独立坐标系，然后实测三个以上特征点或标靶的地方坐标系，把拼接后的坐标系归算到我们使用的平面直角坐标系中。相对来说前三种设站方式比较灵活，但精度不如第四种设站方式高。对于本项目，推荐采用第一种设站方式，因为测站点和定向点坐标均可以采用RTK非常方便地测得，测量的误差主要来源于控制点的误差，已完全满足项目测绘的精度要求，还可以把图根控制测量与地形扫描同步进行，扫描仪架设在已知点上，用另一个已知点定向，与传统全站仪设站方式一样。
(现场采集时的情景)图2
测站与测站之间距离不应太大，一般不要超过200m，要注意障碍物后面的阴影，定向点的距离不要太远，一般不要超过100m，否则会增大标靶捕捉的难度，也不要小于50m，否则会影响测绘的精度。
由于本项目扫描主要是为了获取大桥桥墩和高压线的情况，为了提高工作效率，将采用高密度采集方式进行扫描，全景影像（每站260张，每张像素为960*960）。每站扫描完毕，仪器要手动退到主菜单界面，防止意外启动扫描操作。仪器迁站时，如果距离比较远或时间比较长，要关闭仪器电源，等风扇停止工作后再进行装箱迁站；如果距离比较近，路比较好走，可以不关机，直接把三角架连同仪器竖直架在肩上迁站，也可把仪器提在手上迁站，但要非常注意安全。
（3）点云数据处理
（扫描获得的初始点云数据）图3
a、去噪（滤波）：在数据采集中，由于车辆、行人、树木等因素的影响，我们采集到了很多无用的数据，这些数据称作噪声数据，将这些数据的剔除过程叫做数据滤波。噪声数据与有用数据点云的区别在于噪声数据是不连续的、无规律的、比较稀疏而杂乱，利用这一特点可以将噪声数据剔除。精确的去除噪声数据最基本的原则是需要我们设置一个好的视角，可以从几个不同的视角中选择和检查操作的点云，以免意外的删除掉前面或背后的有用的点云。
b、抽稀：由于各测站扫描的点云全都叠加在一起，造成部分区域点云非常密集，加上多站点云数据叠加数量非常庞大，为了减少最终的点云中的点的数量，保障软件运行顺畅，需要对点云进行抽稀（Unify Clouds）操作。可选择Reduce Cloud: Average Point Spacing，并设定采样点的间距，这个尺寸代表了在三维空间中的最密集区域的点的密度，右图设置采样点的距离为0.25inch。
c、切割点云：切割点云的本质是划分一片完整的点云为多个小的子集点云。这样有助于多名作业员协作完成，也可以达到减少点云中的点的数量，提高计算机运行效率，便于软件的操作。
d、Cloudworx：cloudworx是整合在AutoCad和MicroStation平台内部的激光点云插件，用户可以在自己熟悉的平台下使用激光数据。本项目将采用Cloudworx配南方Cass软件来完成地形测绘。
（处理后的点云数据）图4
经过处理好的数据导入CAD，很容易得到各个高压铁塔的高度，高压电线的最低点。各个桥墩的高度和厚度,桥墩之间的距离。扫描一次数据就可以得到设计上所需要的各种数据。
三. 质量检查
本次检查采用全站仪测量图根导线与三维激光扫描仪的支站点数据采集进行比较。其结果如下：表1：
其中平面中误差为0.014厘米，高程中误差为0.024厘米，完全符合规范要求。
四．结论与展望
三维激光扫描技术快速地获取高密度高精度点云数据，具有扫描速度快、数据信息量大、精度高、采集过程简单、节省人力并且软件具有强大的数据后处理能力，可以提供任何位置、任何细节的信息，作业成果完全能满足道路工程设计和施工的需要。但通过实践，我发现三维激光扫描技术的普及也存在以下不足：数据采集过程当中受现场条件限制较多，如植被较多；数据后处理较复杂，外业完成后需要较长时间的数据处理，耽误后续工程的人员投入；仪器设备价格昂贵，现阶段一个生产单位完全由传统测量方式向三维激光扫描测量方式转型不太现实。
随着技术的发展，点云数据生产企业生产成本的降低，三维激光扫描技术这种“所见即所得”的测量方式必将在道路工程测量、文物、模具、石化、医学、交通等领域得到广泛应用，这项高端技术将是继GPS之后在测绘领域的又一重大革命。
【参考文献】
[1] 徐进军，严学清，王尚庆,等.地面激光扫描与数码相机数据的联合处理研究[J].武汉大学学报.信息科学版，2009，34(1)：85-87
篇5
【关键词】输电线路 差异化防雷治理 三维激光扫描技术
随着电网规模的不断扩展和供电可靠性要求的不断提高，以及当前全球气候条件的复杂多变，输电线路因雷击跳闸日益成为影响电网安全稳定运行的重要因素。为确保输电线路安全可靠运行，尽可能地降低电网雷击损害风险，需要工程技术人员深入开展防雷技术研究。针对本文中的三维激光扫描技术应用，需重点做好输电线路现场地形勘察和杆塔结构分析，通过分析确定重点改造对象和措施，提高防雷综合治理的有效性和技术经济性。
1三维激光扫描技术
1.1机载三维激光扫描技术
本文所述的三维激光扫描技术采用机载和地面测量相结合的方式，机载三维激光雷达是将三维激光扫描仪和航空相机装载在飞机上，利用激光测距和航空摄影测量原理，迅速采用机载三维激光扫描系统进行广域扫描，在针对航测难度大和数据缺失的地段采用地面测量进行填补完善，减少扫描误差。通过GPS和惯性测量装置的机载定位定向系统联接，构成当今测量与遥感领域最先进的对地观测系统。而且可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标，也是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术，因此特别适用山区线路。机载三维激光扫描技术可以快速，低成本，高精度地获取数据。它在电力输送中的应用主要有新架设线路的选线，以及对输电线路的日常检修维护等。
1.2地面三维激光扫描技术
地面三维激光扫描技术的运用主要是为了弥补上述机载测量容易受到飞行安全、线路密集以及航空管制等因素影响带来的缺点。它的工作原理是向物体发射大量的激光点来准确的获得物体表面的特征，进而直接的生成物体3D模型的测量手段，它和上述的机载测量一样也是采用激光测距的原理，在此基础上结合横纵向转角的精确记录，准确的得出被测点和扫描仪的相对精确位置。这种技术具有以下几个技术优势：①具有很高的测量精度；②遥测的像素分辨率较高；③应用实施的范围较广；④多角度全方位的扫描；⑤具有的激光斑点扩大技术可以对输电线路等较为细长的物体进行采集。它在电力行业中的应用也有一定的成效，例如在变电站三维模型构建以及输电线路三相导线间的间距测量等。
通过综合运用上述两种测量技术，获取了测量对象的信息数据后需要先对这两类数据进行拼接，然后再把原始数据进行明确细致的分类和处理，一般主要分为植被/建筑层、线路/杆塔等输电设备层以及地形地貌地表层等，最后在此基础上实现对输电线路的走廊通道进行矢量化建模。
2 差异化防雷评估参数的提取分析
为了尽可能的满足差异化防雷评估的要求，需要在矢量化建模的基础上依据三维模型对线路走廊全档距地形地貌参数和杆塔结构参数进行输出。因为输电线路实际的档距是在百米甚至是千米以上，就简单的按照1m为间隔进行提取，那么最后的数据量也是非常巨大的，因此所带来的防雷计算量也是十分巨大的。基于此就需要对其进行近似化的处理，按照每间隔1/8档距进行数据采集和防雷计算，这样做的目的不仅可以大大降低参数的采集量和防雷的计算量，还可以有效满足全档距绕击闪络风险评估的工程需要。
对于地形地貌的参数提取方面，一般主要涉及到三个方面，即地貌、地面倾角以及海拔。对于海拔的提取可以直接从三维模型中进行，一般在实际的应用中不作为重点关注，主要的还是对前两者的参数提取。因为地面倾角的取值正负状况对于绕击防雷计算存在的影响，需要在排除了地面倾角值以外对其正负进行正确的分析。在一般的防雷击计算中典型地貌主要分为山顶、沿坡、山谷以及平地。
3 全档距绕击防雷性能评估的方法分析
在综合了雷电统计参数以及线路绝缘特征的基础上，我们采用基于三维激光扫描技术来对地形地貌和杆塔结构参数进行精确细致的提取，进而进行全档距绕击跳闸率的计算。依据线路绕击跳闸率的设计值、规定值以及运行的经验值来最后确定参考的标准，把输电线路的各基杆塔的全档距绕击跳闸率计算值和参考标准进行比较，就可以确定它的绕击闪络风险评估的等级，处于A、B级的为达标状态，C、D级为不达标状态。
4 评估实例分析
选取某山区220kV线路，我们对其进行输电线路三维激光扫描，并在扫描数据获得全档距地形地貌参数和杆塔结构参数的基础上，进行全档距绕击防雷性能的评估分析，把评估结果和采用普通方法得到的评估结果进行详细的对比分析，普通方法主要是根据杆塔经纬度坐标来获取杆塔地形地貌参数，利用设计图纸来确定杆塔的结构尺寸，并结合雷电统计的（数据）参数，进而得到各基杆塔绕击的跳闸率。从最后的两组结果可以看出，差异较大，多基杆塔采用全档距评估方法得到的绕击闪络风险远大于采用普通方法得到的评估结果，也就说明了在山区地形较为复杂的输电线路中，采用基于三维激光扫描技术的全档距绕击评估方法更具有优势。
5 结语
综上分析可知，对于电力企业来说，随着供电可靠性要求的不断提高，做好输电线路的差异化防雷治理工作成为十分重要的问题。通过采用本文介绍的三维激光扫描技术对其进行应用分析，可以全面掌握输电线路的防雷性能，为输电线路的防雷改造、技术升级提供参考依据。
参考文献：
[1]赵淳，阮江军，陈家宏，谷山强.三维激光扫描技术在输电线路差异化防雷治理中的应用[J].电网技术，2012，36（01）：195-200.
篇6
【关键词】三维激光扫描；特点；应用
0 引言
随着科学技术的不断发展，出现了集成多种高新技术的新型测绘仪器―地面三维激光扫描仪，它采用非接触式高速激光测量方式，在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量，直接获得激光点所接触的物体表面的三维坐标、色彩信息和反射强度―点云数据。点云数据经过计算机处理后，结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线面、体、空间等各种制图数据。这项技术可用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积测量等领域,具有不需要合作目标、高精度、高密度、高效率、全数字特征等优点。
1 地面三维激光扫描仪测量原理
地面三维激光扫描系统主要有三部分组成，扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD和仪器内部控制和校正等系统。在仪器内，通过一个测量水平角的反射镜和一个测量天顶距的反射镜同步、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，测距模块测量每个激光脉冲的空间距离，同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平角和天顶距，最后按空间极坐标原理计算出扫描的激光点在被测物体上的三维坐标。扫描仪的内部有一个固定的空间直角坐标系统。当在一个扫描站上不能测量物体全部而需要在不同位置进行测量时；或者需要将扫描数据转换到特定的工程坐标系中时，都要涉及到坐标转换问题。为此，就需要测量一定数量的公共点，来计算坐标变换参数。为了保证转换精度，公共点一般采用特制的球面标志和平面标志。点云数据以某种内部格式存储，因此用户需要厂家专门的软件来读取和处理，OPTEC的ILRIS-3D软件，Cyrax2500的Cyclone软件、LMS-Z420的3D-RiSCAN软件、MENSI的Realworks等都是功能强大的点云数据处理软件，他们都具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。三维激光扫描流程图如图1所示。
2扫描仪的分类
从目前来看，三维激光扫描仪主要有如下几类：
1）超长测程扫描系统。该系统以机载或星载为代表，主要应用：航测、遥感、浅海地形扫描或建模；电力线路监测；月球表面三维扫描。
2）亚m或m级的三维激光扫描仪。应用于机械零部件质量检测，与测绘关系较弱。
3）50 m～4 000 m的中长测程的地面激光扫描系统（见图2）。主要应用：①古建筑物的保存与恢复；②事故现场的保存；③体积量测；④大型建筑监管与建模；⑤监测；⑥虚拟现实。
3地面三维激光扫描仪的工程应用
三维激光扫描仪特别适合于对大面积的、表面复杂的物体进行精细测量。鉴于该特点，目前在许多工程领域中已经得到了应用。
3.1工程测量
(1)复杂工业设备的测量与建模：一些工厂管线林立，纵横交错，用传统的测量方法效率低下。而利用激光扫描仪测量和数据处理后就可以生成这些复杂工业设备的3D模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型，极大提高了工作效率，测量资料还可以用于工厂管理。
(2)带状和局部地形测量：带状地形图测量主要对线路两旁(铁路、公路、河流两岸等)的局部不规则带状地形进行测量；局部地形测量主要对危险的或者人员难以到达的地带(如岩壁、开挖区、塌陷等)进行测量。这些地形测量工作较传统的测量方法有更高地效率。
(3)路面测量：用于路面竣工后的质量检测；计算路面平整度；也可以为道路设计提供实地模型。
(4)大型土木工程形状测量：包括对隧道、桥梁、地下坑道等在施工过程中和竣工后的形状测量，既可以进行施工指导和质量控制，又可以作为数字文档资料。
(5)变形监测：相对于传统的测量方法与技术(GPS、全站仪)而言，其精度均匀、密度高，可以发现变形体局部细节变化，也便于从整体上分析和评价变形体的稳定性。对滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷、大坝、船闸、桥梁等工程变形监测有很好的前景。
3.2 建筑测量与文物保护
一些著名建筑物、文物、雕塑等，其形状怪异、表面凸凹不平，不方便(也不允许)在其上粘贴测量标志，即要求无接触测量。以前是以摄影测量为主，但现在可充分利用激光扫描仪的高密度和高精度点云数据，来获取建筑物表面的精细结构，随时得到等值线、断面、剖面等。当建筑物和文物等遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据。
3.3 逆向工程
逆向工程是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。传统的复制方法是先做出一比一的模具，再进行生产。这种方法无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。由于三维激光扫描仪能对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行精度分析、评价构造效果。
4结束语
三维激光扫描技术是一项新兴的技术,其应用范围也越来越广,利用三维激光扫描技术采集数据具有效率高,数据量大,速度快等诸多优点,而且其数据本身具有较高的精度。三维激光扫描技术涉及到设站、点云拼接、三维建模及可视化等内容。激光扫描技术正在逐步应用到测量工作中,具有传统测量手段无可比拟的优势,因此对激光扫描技术进行深入研究对测量工作有着重要的意义。
参考文献：
[1]刘春,杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模[J].工程勘察,2006(4):49-53
篇7
[关键字] 三维激光 扫描技术 误差 影响因素
[中图分类号]P24[文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-1-276-10引言
三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术的新突破。它以高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。能够快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。具有快速性，不接触性，穿透性，动态、实时、主动性，高精度、高密度，自动化、数字化等特性。三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。
1 三维激光扫描仪的测量原理
三维激光扫描仪是在激光的相干性、方向性、单色性和高亮度等特性基础上，同时注重操作简便和测量速度，从而保证测量的综合精度，测量原理主要为有测距、扫描、测角、定向四方面。
应用扫瞄技术来测量工件尺寸及形状等原理来工作。主要应用于逆向工程，负责曲面抄数，工件三维测量，针对现有三维实物在无技术文档情况下，可快速测得物体轮廓集合数据，加以建构，编辑，修改生成通用输出格式的曲面数字化模型。
2 快速扫描技术特点
快速扫描是扫描仪诞生的概念，常规测量中，对每一点测量花费时间在2-5秒，而有时对一点的坐标进行测量更达到几分钟的时间，当下对于此测量速度已经十分落后了，而改变了这一现状的正是由于三维激光扫描仪的诞生，脉冲扫描仪（scanstation2）最快速度可达到每秒50000点，而相位式扫描仪Surphaser最高速度已超120万点每秒，这种扫描技术是对物体详细描述的基本保证，深入测量的领域包括古文体，工厂管道，隧道，地形等。
无臂式手持3D扫描系统和双摄像头传感器形成了一个独特的组合，确保在实验室和工作场所能生成最精确的测量值。这一完备且功能强大的检测方案提高了测量过程的可靠性、速度和多功能性。在铰接臂方面与其他3D扫描仪相比较，光学3D扫描系统可以完全自由移动，显著提高了工作效率和质量。
3 关于径向三维激光扫描仪的测量误差分析
通过公式改正或修正系统予以消除或减小测量系统的偶然性误差是一些随机性误差的综合体现。由误差理论来分析，径向扫描系统测量误差分为偶然误差、系统误差以及系统误差引起三维激光扫描点的坐标偏差。
影响三维激光脚点测量误差的因素比较多，总的来说有仪器误差、外界环境条件、与目标物体反射面有关的误差这三类。仪器本身性能缺陷造成的测量误差是仪器误差，包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；温度、气压等是影响外界环境条件主要因素；而目标物体反射面倾斜的影响和表面粗糙度的影响是对与目标物体反射面有关的误差的主要影响因素。
3.1 关于扫描角测量的误差。竖直扫描角度以及水平扫描角度测量是影响扫描角的测量误差。而对于扫描镜的镜面平面角误差、扫描电机的非均匀转动控制误差、扫描镜转动的微小震动等因素是对引起扫描角度误差的综合反映。关于扫描角测量精度是相对高的，如徕卡的HDS2500扫描角测量精度可达±0.5″。
3.2 关于激光测距的误差。对于激光测距信号，处理的各环节都会带来一定程度上的误差，测距技术中不确定间隔的缺陷引起的误差和扫描仪脉冲计时的系统误差是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理时引起的主要误差。测距的凸角误差与脉冲计时的系统误差造成循环、混淆现象相类似，而造成数据突变更可能是测距技术中不确定间隔的缺陷，这些突变的误差可通过技术（如频率倍乘、微调作用）处理。测距中的固定误差和比例误差是激光测距误差综合体现，对测距误差的大小可运用仪器检定来确定。
3.3 关于温度、气压等外界环境条件的影响。扫描过程中风的震动、温度变化对精密机械结构关系的细微影响、激光在空气中传播的方向等因素是温度、气压等外界环境条件对激光扫描影响的主要体现。而对三维激光扫描数据影响较大的还有恶劣的外界环境条件。测距误差或扫描角误差是径向三维激光扫描仪测量误差的主要来源。由于测距误差包含固定误差和比例误差两部分，其影响具有一定的规律性。如HDS2500仪器的测距误差在50m以内为6mm，超过50m 后仪器测距误差随距离线性增加，在200m时达到42mm。 扫描角的误差是一种与距离有关的误差，扫描角误差对扫描点的影响随距离增大而增大。
3.4 关于目标物体反射面倾斜的影响。在扫描测距系统中，激光接收器和激光发射头两部分组成激光测距单元。 而决定激光光束起始直径的大小是用于激光发射和接收窗口的孔径直径，这直径一般小于2cm。扫描到目标物体表面形成激光脚点光斑的原因是激光发射和接收共用一条光路，且激光光束具有一定发散角。
3.5 关于目标物体反射表面粗糙程度的影响。三维激光扫描点云的精度和物体表面粗糙程度有密切关系。首次或最后反射回来的回波信号只能被某些三维激光扫描系统处理，但也有三维激光扫描系统能综合处理首次和最后反射回来的回波信号。这些都体现三维激光回波信号具有多值性特点。下面以处理首次反射回来激光回波信号为例（如图1所示），目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的偏差dS1 接近于物体表面粗糙极值max 的1/2。
4 结语
三维激光扫描仪的仪器设备及测量误差的研究目前还是不够完善，在这方面还需要相关的工作人员继续努力去完善，从而使其测量精度进一步提高。
参考文献
篇8
关键词：三维激光扫描技术；数字矿山；矿山测绘
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.083
0 引言
矿山测绘技术历史悠久，经过数十年的发展，矿山测绘及时已经具有一定的机械化水平，但矿山传统测绘技术无法满足目前测绘技术的需求，越来越多的新型测绘技术成为矿山测绘技术发展的前提，三位激光扫描技术成为众多测绘技术中非常重要的一种；数字化矿山建设是实现企业高效高产和安全开采的有效途径，三位激光扫描技术不仅可以建立完成的三维立体模型，还可以真实立体的展现矿山地质地形，是一种全新的技术手段，有利于推进矿山的发展。
1 三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪主要是地面性的扫描仪，通过激光脉冲发射周期驱动，由接收透镜目标接收后向反射信号产生接收信号，最后通过电脑软件按照计算方法进行原始数据处理，从计算中对物体进行全方位扫描后进行整理。该仪器包括软件和硬件，软件主要是数据处理系统，硬件主要分为三维激光扫描仪、电源和支架，整个工程系统流程是方案的拟定和选择后通过行业数据处理再进行成果输出。
2 矿山测绘的分析
三维激光扫描技术通过扫描实物获取该物体的三维空间数据，在重建该物体的三维模型后成为三维激光扫描技术；该技术通过无接触被测目标标准，可以快速动态、实时自动化的获取目标的三维空间信息数据，比传统测绘技术在精准度和高分辨率方面有很大的提升；三维激光扫描技术主要通过获取测点信息，将散点的坐标组合成三维信息，不需要对实物表面进行处理，得到的数据真实可靠。三位激光扫描技术的使用不仅实现了矿山的精准化管理，工作人员还可以通过网络对矿山的实时信息进行查询，特别是对矿山三位模型进行实时的数据查询，对不同时段的数据模型进行分析，及时发展目标的结构变化和位置移动等情况，为矿山安全有指导作用。
矿山测量工作开展前期需要进行前期控制测量，准确控制测绘技术的精度和设置，三维激光扫描技术作为GPS技术的一种，是目前矿山测绘技术中高精度的新型测绘技术，矿山测量在控制测量中还包括矿山手机控制测量，要求在测量中从整体到局部、分级进行布网的原则，测量控制点采用水准测量和三角高程测量的方法，使用导线测量方法进行全球定位系统定位。建立完善的矿山信息系统是测绘技术开展的重要工作之一，矿山信息系统是根据计算机信息技术设立地理信息系统的存储、维护、统计和管理，在传统测绘技术中因为信息技术不完善，使用技术方法，对测量周期和工作量的增加有很大的挑战。因此需要建立完善的数据库，有助于矿山企业日后的参考使用。
3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用
三位激光扫描仪技术在使用中快捷方便、动态、数字化，测量数据有高精度的优点，一起可以通过架设三脚架采集数据，行业数据处理可以快速进行数据传输，并可以快速获取物体的三维数据，减少外部设站需要的时间，建立立体模型；与传统测量手段相比，三维激光扫描技术完善了测绘信息的表现形式，真实反映现实环境，对提高工作效率和降低劳动力强度有很大的帮助，因此被企业广泛应用。
在矿区测量中，建立矿区地表的三维模型可以全面扫描整个矿区的地形地貌，并将扫描得到的三维点云数据通过软件处理后方可得到该区域的三维实时立体模型，在对建立后的三维模型数据进行信息编辑后，实现矿山的数字化管理；三维激光扫描技术获取的云点信息较为完整，包括对巷道内详细信息内容的描述，矿山地理信息及其他附属设置的描述，通过软件处理后详细的反应出巷道内部的三维立体场景，方便井下作业人员了解巷道具体情况，了解人员活动轨迹。
在进行扫描前对巷道周边环境进行勘探，根据巷道特点确定三维激光测量仪一起的架设位置，并安放在合理的位置；在扫描过程中针对不同扫描目标要求，合理选择扫描的密度参数，三维激光扫描仪获取的数据可以与软件兼容，进行开采场地体积、断面等信息数据的采集和检核。在建立三维巷道模型的整个矿井下，可以配合井下人员的定位系统，实时掌握井下人员分布，对灾难应急救援有一定的帮助。三维激光扫描技术作为高速测量全站仪系统，具有稷山小和受周边环境营销较小的特点，主要采用主动式激光扫描原理完成测量，没完成驿站扫描仪速度非常快，每个点云数据的处理方式不同，三维激光扫描系统可以自动识别实物，在矿山测量中发挥重要的作用。
4 结束语
矿山空间三维信息的获得与传统测量技术相比有较强的实用性，由于三维激光技术采用非接触即可测量技术，特别是在地形复杂的山区可以全天候作业，更加实用于井下作业；三维激光测绘技术获取的是三维信息，可以直观立体的表现矿山的真是形态，用该技术测量的三维云点数据丰富全面，为数字矿山提供优质的数据基础。矿山测绘技术中采用三维激光测绘技术可以充分发挥该技术的优势，随着三维激光技术的发展，成为测绘领域普遍使用的新型测绘技术，有很广阔的未来发展空间。
参考文献：
[1]周文婷.浅谈二维激光扫描技术在地籍侧绘巾的应用科技[J].科技创新与应用，2015（06）.
[2]齐坤.浅谈三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用[J].世界有色金属，2016（07）.
篇9
Abstract： In recent years， with the continuous development of 3D laser scanning technology， on-board laser scanning technology has been more and more widely used. This paper introduces the working principle of on-board 3D laser scanning system， puts forward the matters needing attention in data collection system. The accuracy of the on-board measurement system is verified through experiment. Finally， the author's opinion on on-board mobile mapping technology.
关键词： 三维激光扫描;车载移动测量;点云;精度
Key words： 3D laser scanning;on-board mobile measurement;point cloud;precision
中图分类号：P204 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）01-0121-02
0 引言
信息的获取、处理及应用是地球空间信息技术研究的三大主题，如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题[2]。从简单的向实时信息提供测量数据和影像数据，该应用已扩展到许多领域中。如何解决信息获取的实时性与准确性已成为空间信息技术发展的瓶颈[3]。近来迅速发展起来的一项新技术即三维激光扫描测量技术，也为具有地理坐标的空间数据获得提供了一种重要的技术手段。这项新技术打破了传统单点测量方法，具有快速、非接触、穿透、实时、动态、主动、高密度、高精度、数字化、自动化等特点[1]。
三维激光扫描技术能够完整并高分辨率高精度的快速获取扫描目标的真实三维数据，通过点云的方式表达出来，采集的点云数据除了具有几何位置外，有的点云还含有颜色信息和反射强度信息，使得获取的点云数据经过一系列后处理工作可以真实的呈现扫描物真实状态，因此，三维激光扫描技术这项新技术又被称作实景复制技术[4]。按照载体平台的不同，能够把三维激光扫描技术分为船载、车载、机载、地面、背包以和手持型。
目前，水文部在重庆已成功地进行了全国水文演练应急监测，三维激光测绘为应急演练的外业科目之一，而且还提供了技术支持科学处置堰塞湖。
本文具体介绍车载型三维激光扫描系统的工作原理，外业采集和内业处理的操作流程，最后通过实验数据分析了车载三维激光扫描系统的精度问题。
1 车载三维激光扫描系统的工作原理
本文采用的是广州中海达卫星导航技术股份有限公司开发的车辆三维激光扫描系统。该系统集成安置了HS450高精度三维激光扫描仪、高分辨率相机、差分全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（IMU）等多种传感器。车载计算机系统控制所有的传感器的运行，由同步控制系统触发脉冲来实现数据的同步采集[5]。外业采集过程中，车辆是在一个相对恒定的速度行驶，三维激光扫描仪和全景摄像头开始在一定的采样频率扫描和拍照。目标物的点云数据和反射强度都是三维激光扫描仪获得的原始数据。原始点云数据的坐标系是三维激光扫描仪下的坐标系，要想把点云数据应用到具体的工程中，还需要将三维激光扫描仪下的坐标系转换到大地坐标系下或地理坐标系下。全景相机采集的单个相片经过拼接处理获得具有RGB信息的全景影像，将点云与全景影像匹配获得彩色点云图，增强判读点云的视觉感和效果。与此同时，GPS采集并记录车载移动测量系统的位置数据，IMU采集并记录各传感器的姿态角数据。因此，该系统的工作原理可理解为三维激光扫描仪、GPS、IMU和全景相机获得的原始数据进行时间同步和地理坐标系统一的快速移动测量系统。
其中，三维激光扫描仪在移动的过程中，采用脉冲式测距方式，由发射器发射激光到达目标物表面，再由接收器接手目标物表面反射回来的激光束，可得到三维激光扫描仪到目标物表面的距离信息，其工作原理如图1所示。
2 车载多传感器集成系统作业流程
该系统获取的数据按照下面的流程进行：准备工作、外业采集、内业数据处理。各流程需要注意的问题如下：
2.1 准备工作
在保证测量基站GPS正常工作的前提下，对定位定姿系统（GPS/IMU）进行对准并标定各传感器合适的参数。如果在已经控制点的情况下，采集到的数据为绝对坐标，若没有已经控制点，得到的数据均为相对坐标。确保各传感器正常运行。
2.2 外业采集
正式作业前，采取试采集操作，是为了检查仪器运行是否正常，扫描仪是否在正确采集点云数据，全景相机拍照时是否有缺失照片，卫星信号是否良好。在没有问题的情况下，作业前后都需要进行静止测量。
2.3 内业数据处理
由多个相机获得的像片进行全景拼接，优化因为拼接问题造成的树干、天线、电线杆与实际不符的情况。道路两侧的目标地物信息，会被花草、行人、车辆等遮挡住所需的目标地物信息，这些冗余数据需要去除后，才能得到真正需要的点云数据。
3 实验及分析
3.1 精度验证实验
本次实验区域为武大园区内，图2所示为武大园区内的点云数据，图3所示为武大园区内的线化图，线化图获得的手段是基于三维点云快速测图采集，并与AutoCAD联合测图获得的。因此，线化图是点云应用的二次产物，两者的精度也有一定的相关性。由车载三维激光扫描仪采集得到的点云与传统测绘技术得到的地物点的数据进行对比，验证车载三维激光扫描系统的点云精度问题。
采用车载三维激光扫描系统采集的建设场地称为标定场，由RTK技术采集的场地成为验证场，在该区域内，寻找合适的建设场地进行试验，必须满足以下要求：①标定场与验证场应具有良好的GPS信号;②优先选择宽阔道路，并且路况较好，路面平整度高，行人车辆较少，方便车载三维激光扫描系统的外业采集;③道路两边具有固定的特征显著的地物，如道路标识线，满足特征地物分布均匀的要求，方便车载三维激光扫描系统快速识别采集到这些特征;④建设场地的长度应不短于100米，不超过500米的距离为最合适的采集路线长度。
在测量验证场时，采用单点测量方法，用PTK测量出验证场征点的绝对坐标。特征点的选择应满足以下要求：①特征点容易测量得到，可以使用RTK或全站仪测量出它的绝对坐标;②特征点没有遮挡物，方便车载三维激光扫描系统的采集识别;③特征点在点云中容易被识别。本实验选取的特征点为道路边上的某点，如图4所示。测量出该点的绝对坐标。在点云图中，找到该同名点的位置，在点云中提取出该标记点的坐标，如图5所示。
3.2 精度数据分析
本实验采集了6个同名点的坐标信息数据，RTK与点云精度对比如表1所示，所得数据的单位都是米。
由点云与RTK精度对比的数据中可得：点云精度与RTK精度的绝对误差小于10cm。因为线化图是由点云数据衍生出的产物，6个同名点在线化图和点云图上的坐标信息完全一致，可见点云数据衍生出的其他成果的精度的可靠性，也再次验证了车载三维激光扫描系统作为一项测绘新技术。
4 结束语
车载移动测量系统可以弥补传统外业测量的耗时耗力，还能够获得单点测量以外的空间信息。尽管车载三维激光扫描系统的诸多优势，但仍有一些问题存在，主要有定位定姿的平衡问题对点云精度的影响;点云数据仍有部分缺少色彩信息;车载移动测量系统采集道路两旁地物信息，因此立面体的顶部和背对街面的点云数据仍有缺失问题;点云数据量大，给内业数据处理增加了一定难度，自动化的后处理模式也将会是车载移动测量系统应用的一大趋势。
参考文献：
[1]胡雨佳.车载激光扫描技术研究与应用现状[J].乡镇企业科技，2014（9）：301-302.
[2]汪肇勇.三维激光扫描测量技术探究及应用[J].科学与财富，2014（12）：457-458.
[3]刘春，杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模 [J].工程勘察，2006（4）：49-53.
篇10
古建筑修复工作首先需要对古建筑进行完整的测绘并数据存档,利用存档数据进行研究和修复。古建筑测绘工作主要针对研究对象的完整基础性数据,如空间环境、古建筑局部细节等。传统测量手段需要借助反射棱镜等工具进行单点测量，单点的测量费时较长，甚至要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量。三维激光扫描仪利用激光测距原理，直接对被测物体进行快速扫描，获得高精度的三维数据，数据信息包含X,Y,Z坐标和物体反射率的信息，因此三维激光扫描技术具有快速、非接触性、高精度等特点。
2采集点云数据
为了完整采集古建筑物的建筑信息，通常需要分站多角度进行扫描。首先根据需要扫描的范围和三维激光扫描仪的扫描参数，设计扫描控制网，布设扫描站点时应有利于减少测量误差，提高点云数据拼接的质量。为确保整体扫描质量，相邻两站之间数据应有30%左右的重合度，同时相邻两站间至少应有三个不同线的公共靶标。实施扫描过程中，在设定站点上架设三维激光扫描仪时，应注意避免扫描激光束与物体间夹角过小而造成扫描精度下降，同时扫描仪不要被其他物体过度遮挡。扫描时应根据扫描对象的复杂度选择不同的扫描参数，如表面细节丰富的物体应采用高分辨率扫描，表面特征平滑物体宜采用低分辨率扫描，以加快扫描速度。因目前三维激光扫描仪还没有办法直接获取颜色信息，每站扫描结束后，可根据需要对扫描区域进行拍照存档，以获取物体的色彩和纹理信息。
3点云拼接
随着测量距离的增加，三维激光扫描的扫描精度受环境影响呈下降趋势，因此复杂的建筑物需要多站扫描,每站扫描数据均是独立坐标，需要进行拼接，统一到同一坐标系。拼接时，以其中任一站作为控制网坐标的基准点云，其余测站点云与基准点云两两配准。为了提高拼接精度，通常采用靶标拼接，点云间的拼接精度可达1毫米，如图1所示。但由于扫描过程中可能出现靶标遮拦或测量角度过大的情况，无法使用靶标进行拼接，此时需要利用两站点云中公共区域的相同特征点配准。
4三维模型的建立
利用三维点云重构三维模型,通常有两种方法：(1)模型匹配法：此方法自动程度较高，从点云抽取出模型部分，与常用的三维模型组件（如柱体、锥体、长方体等）进行自动匹配处理，达到建立三维模型的目的。这种自动匹配方法适用于具有规则形状的对象。(2)古建筑多为不规则形状，需要先对点云数据进行去噪、重采样等处理，生成高精度三角网格模型，利用Nurbs等拟合算法生成建筑的曲面模型。本方法可生成高精度模型。最后利用映射功能可将照片中的颜色、纹理信息投影至三维点云数据上，生成具有真实纹理的三维模型。
5三维模型的修复
古建筑因为年代久远，会造成部分损坏，利用三维网格模型，根据周围网格信息，对其进行修复、调整，可以得到较准确的数字模型。由于古建筑物结构复杂、表现特征丰富，难以实现网格的自动化修补。针对点云数据的修复主要采用两种方法:(1)如果损坏出现在较平滑区域，如墙体时，可采用线性插值法填补缺乏数据；(2)如果损坏出现在非平面区域，首先根据周围网格信息计算缺失部分的曲率，再利用二次曲面插值方法进行插值，并使用周围点的颜色信息采用双三次插值算法计算新生成网格点的颜色信息，达到较好的修复效果。
6结束语
