三维激光扫描技术-绪论课件

第一讲绪论激光物理学家爱因斯坦在1961年首次发现激光的原理，1960年，世界上第一台红宝石激光器在美国诞生，激光才第一次被制造出来。激光四大特性：方向性好、亮度高、单色性好、相干性好激光技术是探索开发产生激光的方法以及研究应用激光的这些特性为人类造福的技术总称。自激光产生以来，激光技术得到了迅猛发展，不仅研制出不同特色的各种各样的激光器，而且激光应用领域也在不断拓展。激光需要用激光器产生，激光器是用来发射激光的装置。激光器按工作介质大体上可分为固体激光器，气体激光器，染料激光器和半导体激光器四大类。伴随着激光技术和电子技术的发展，激光测量也已经从静态的点测量发展到动态的跟踪测量和三维测量领域。三维激光测量技术的产生为测量领域提供了全新的测量手段。传统的测量方式是单点测量，获取单点的三维空间坐标，而三维激光扫描则自动、连续、快速的获取目标物体表面的密集采样点数据，即点云。实现由传统的点测量跨越到了面测量，实现了质的飞跃。同时，获取信息量也从点的空间位置信息扩展到了目标物的纹理信息和色彩信息。按三维激光扫描系统设备，依据承载平台划分，可分为机载三维激光扫描系统，车载三维激光扫描系统，固定站式三维激光扫描系统，手持式三维激光扫描仪。三维激光扫描技术已经成为空间数据获取的重要技术手段，基于地面的三维扫描系统目前正引起广泛关注，是三维激光扫描发展的一个重要方向。固定站式三维激光扫描系统也称为地面三维激光扫描仪。基本原理三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪，计算机，电源供应系统，支架以及系统配套软件构成。三维激光扫描仪作为三维激光扫描系统主要组成部分之一，又由激光发射器，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，CCD相机以及软件等组成。激光测距技术是三维激光扫描仪的主要技术之一，激光测距原理主要有：基于脉冲测距法，相位测距法，激光三角法，脉冲-相位式测距法四种类型。目前，测绘领域所使用的三维激光扫描仪主要是基于脉冲测距法，近距离三维激光扫描仪主要采用相位干涉法测距和激光三角法。脉冲测距法是一种高速激光测时测距技术。脉冲式扫描仪在扫描时激光器发射出单点的激光，记录激光的回波信号，通过计算激光的飞行时间，来计算目标点与扫描仪间的距离。这种原理的测距系统测距范围可以达到几百米到上千米。激光测距系统主要由发射器，接收器，时间计数器，微电脑组成。相位式扫描仪是发射出一束不间断的整数波长的激光，通过计算从物体反射回来的激光波的相位差，来计算和记录目标物体的距离。基于相位测量原理，相位式扫描仪主要用于进行中等距离的扫描测量系统。扫描范围通常在100米内，精度可达毫米量级。激光三角法是利用三角形几何关系求得距离。先由扫描仪发射激光到物体表面，利用在基线另一端的CCD相机接收物体反射信号，记录入射光与反射光夹角，已知激光光源与CCD之间的基线长度，由三角形几何关系种类型的三维激光扫描系统主要用于工业测量和逆向工程重建中。它可以达到亚毫米级的精度。将脉冲式测距和相位式测距结合起来，就产生了一种新的测距方法——脉冲-相位式测距法。这种方法利用脉冲式测距实现对距离的粗测，利用相位式测距实现对距离的精测。三维激光扫描仪在记录激光点三维坐标的同时也会将激光点位置处物体的反射强度值记录，并称之为反射率。内置数码相机的扫描仪在扫描过程中可以方便、快速的获取外界外界物体真实的色彩信息，在扫描，拍照完成后，我们不仅可以得到点的三维坐标信息，也获取了物体表面的反射率信息和色彩信息。所以，包含在点云信息里的不仅有X，Y，Z，Intensity，还包含每个点的RGB数字信息。点云的主要特点1.数据量大。三维激光扫描数据的点云量较大，一幅完整的扫描影像数据或一个站点的扫描数据中可以包含几十万至上百万个扫描点，甚至达到数亿个扫描点。2.密度高。扫描数据中点的平均间隔在测量时可通过仪器设置，一些仪器设置的间隔可达1.0mm，为了便于建模，目标物采样点通常都非常密。3.带有扫描物体光学特征信息。由于三维激光扫描系统可以接收反射光的强度，因此，三维激光扫描的点云一般具有反射强度信息，即反射率。有些三维激光扫描系统还可以获得点的色彩信息。7.非规则性。激光扫描仪是按照一定的方位和角度进行数据采集的，采集的点云数据随着距离的增大，扫描角越大，点云间距离也增大，加上仪器系统误差和各种偶然误差影响，点云的空间分布没有一定的规则。以上这些特点使得三维激光扫描数据得到十分广泛的应用，同时也是点云数据的处理变得十分的复杂和困难。分类与特点根据三维激光扫描系统特性及技术指标不同，可将其划分为不同类型。1.根据承载平台分a.机载型激光扫描系统，b.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；另一类是固定式扫描系统。c.手持型激光扫描仪。2.依据扫描距离分a.短距离激光扫描仪b.中距离激光扫描仪c.长距离激光扫描仪d.机载（星载）激光扫描系统3.依据扫描仪成像方式分a.全景式扫描仪b.相机扫描式c.混合扫描式4.依据扫描仪测距原理分：脉冲式，相位式，激光三角式，脉冲-相位式。三维激光扫描测量特点传统测量主要是单点测量，获取其三维坐标信息。与传统测量技术手段相比，三维激光扫描测量技术是现代测绘发展的新技术之一，也是一项新兴的获取空间数据的方式，它能够快速、自动、连续的采集物体表面的三维数据信息，即点云数据，并且拥有许多独特的优势，它的工作过程就是不断的信息采集和处理过程，并通过具有一定分辨率的三维数据点组成的点云图来表示对物体表面的采样结果。1.非接触测量。三维激光扫描技术采用非接触扫描目标的方式进行测量，无需反射棱镜，对扫描目标物体不需要进行任何表面处理，直接采集物体表面三维数据，所采集的数据完全真实可靠。可以用于解决危险目标、环境（或柔性目标）及人员难以企及的情况名有传统测量难以完成的技术优势。2.数据采样率高。目前三维激光扫描仪采样点速率可达到百万点/秒，可见采样速率是传统测量方式难以比拟的。3.主动发射扫描光源。三维激光扫描技术采用主动发射扫描光源（激光），通过探测自生发射的激光回波信号来获取目标物体的数据信息，因此在扫描过程中，可以实现不受扫描环境的时间和空间约束。可以全天候作业，不受光线影响，工作效率高，有效工作时间长。4.具有高分辨率，高精度的特点。三维激光扫描技术可以快速、高精度获取海量点云数据，可以对扫描目标进行高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。单点精度可达2cm，间隔最小1mm。5.数字化采集，兼容性好。三维激光扫描技术采集的数据是直接获取的数字信号，具有全数字特征，易于后期处理及输出。用户界面友好的后处理软件能与其他常用软件进行数据交换及共享。6.可用外置数码相机、GPS系统配合使用。这些功能大大扩展了三维激光扫描技术的使用范围，对信息的获取更加全面、准确。外置数码相机的使用，增强了彩色信息的采集，使扫描获取得目标信息更加全面，GPS定位系统的应用，使得三维激光扫描技术的应用范围更加广泛，与工程的结合更加紧密，进一步提高了测量数据的准确性。三维激光扫描与全站仪测量区别1.对观测环境的要求不同。三维激光扫描仪可以全天候地进行测量，而全站仪因为需要瞄准棱镜，必须在白天或者较明亮的地方进行测量。2被测目标获取方式不同。三维激光扫描仪不需要照准目标，是采用连续测量的方式进行区域范围内的面数据获取，全站仪则必须通过照准目标来获取单点的位置信息。3,。获取数据的量不同。三维激光扫描仪可以获取高密度的观测目标的表面海量数据，采样速率高，对目标的描述细致。而全站仪只能够有限度的获取目标的特征点。4.测量精度不同。三维激光扫描仪和全站仪的单点定位精度都是毫米级，目前部分全站式三维激光扫描仪已经可以达到全站仪的精度，但是整体来讲，三维激光扫描仪的定位精度比全站仪略低。3.测量精度不同。激光扫描测量精度显然高于摄影测量精度，且前者精度分布均匀。4.外界环境要求不同。激光扫描测量对光线亮度和温度没有要求，而摄影测量则要求相对较高。5.建模方式不同。激光扫描的建模是直接对点云数据操作，而摄影测量首先要匹配相片，才能进一步建模，其过程相对复杂。6.实体纹理信息获取方式不同。激光扫描系统是根据激光脉冲的反射强度匹配数码影像中的纹理信息，然后粘贴特定的纹理信息；而摄影测量则是直接获取影像中的真彩色信息。研究现状由于激光具有方向性、单色性、相干性等优点。将其引入到测量设备中，在效率、精度、易操作性等方面都展示了巨大的优势，它的出现也引发了现代测绘科学和技术的一场革命，引起许多学者的广泛关注。很多高科技公司和高等院校的研究机构将研究方向和重点放在三维激光扫描设备的研究中。随着三维激光扫描设备在精度、效率、易操作性等方面性能的提升及成本方面的逐步下降，20世纪90年代，它成为了测绘领域的研究热点，扫描对象在不断增多，应用领域也在不断扩大，逐渐成为快速获取空间三维模型的主要方式之一。许多设备制造商也相继推出了各种类型的三维激光扫描系统，现在，三维激光扫描系统已经形成了颇具规模的产业。国内，三维激光扫描技术的研究起步较晚，研究的内容主要集中在微短距的领域中，这几年，随着三维激光扫描技术在国内应用的逐渐增多，国内很多科研院以及高等院校正在推进三维激光扫描技术的理论与技术方面的研究，并取得了一定成果。国内针对点云数据建模软件开发的还比较少。这几年，基于地面的激光扫描技术及其应用的研究获得了一些成果，三维激光扫描仪目前在国内的应用逐渐增多，尤其是在古建筑重建、虚拟现实、立体量测等领域的应用。扫描仪硬件进步主要体现在以下七个方面：1.扫描速度从最初的几千点每秒，到今天已达到百万点每秒。2.扫描仪结构从原来的分体式，发展到高度一体化集成，包括：扫描仪电池内置，高分辨率数码相机内置，高分辨率彩色触摸屏控制面板内置，数据存储内置。3.视场角也从原来的几十度发展到现在几乎全景的扫描。4.测高精度提高到了2mm左右，扫描点建个可以细小到1mm。5.有效扫描距离不断增大，从几十米增加到几百米。6.中文操作简单，简便易学。7.国内研制的扫描仪开始投入市场。扫描后处理软件的进步体现在以下四个方面：1.可处理更大的数据量。2.功能更丰富，涵盖更多行业的需要。3.操作简便，人性化，易于掌握。4.除随机扫描控制与数据处理软件外，近年来可应用于三维建模的商业软件数量较多，为用户提供了更多选择。三维激光扫描技术发展趋势1.仪器价格会逐步下降。2.仪器检校与应用技术标准与规范制定的进程会加速。3.数据处理软件功能会不断加强，三维建模与应用精度会不断提高。4.硬件得到进一步改进，激光扫描仪有更高的测量精度、更快的采样速度以及更低廉的价格。三维激光扫描技术应用领域随着三维激光扫描测量技术、三维建模算法和软件的研究以及扫描设备硬件环境的不断发展，其应用领域日益扩大，逐步从科学研究进入到人们的日常生活。目前应用领域主要有：文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等。三维激光扫描技术目前已经成功应用的领域包括遗产与文物保护，工业设计与检测，工厂改、扩建及数字化管理；建筑、桥梁、基础设施测绘；地形测绘和地质研究。三维激光扫描技术在测绘领域有着广泛的应用，主要应用方向有地形图测量与公路测量；复杂工业设备的测量与建模；局部地理信息获取、大范围高精度数字高程模型与城市三维可视化模型的建立；古建筑与文物保护的扫描测量；地质灾害的变形监测；土石方的体积测量；复杂建筑物 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 等。随着三维激光扫描硬件技术和数据处理理论的不断发展，凭借三维激光扫描仪的巨大优势，它的应用领域不断的扩大，三维激光扫描设备市场也逐渐扩大，对地面三维激光扫描的应用范围有以下几个方面：1.广泛应用于各种产品以及项目的战略规划、虚拟现实、系统仿真、实效推演以及相关的分析以及评估工作。如工业领域的模具设计、加工，汽车检测、质量检测以及技术改进等。对时下流行的反恐领域，可以用于地形测绘、监事侦查、灾害估计。对犯罪现场或者交通事故现场进行相关反演，生成现场模拟图。动态监测高危现场，如森林火灾，核电站的灾害预警和现场检测等。2.应用于实物原始结构形态及三维数据的现场采集、还原改进、三维逆向重构、体积测量、面积计量、距离计量、角度计量、结构分析、校验正向设计、逆向反求、结构特性测试等。如考古测量中的文物修复，古迹保护，赝品成像，遗址测绘及建立虚拟模型，土石方计算，现场影像记录，城市环保评估以及模拟三为城市框架。3.大量应用于工程规划、管道布线、评估 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、三维可视化操作、校验等工程改造项目中。如河道、铁路、公路、地基、管道线路测绘、竣工测量、城市固定资产管理以及城市环保影响研究，虚拟城市及建筑物模拟，实景制图等工程建筑项目。4.广泛应用于变形监测，维修检测，强度分析，加载分析等监测项目中。如地质领域的边坡稳定性监测，矿场勘测及发展分析，地表植被测绘，废料处置测量，回收监控测量等。5.应用于虚拟现实应用或者可视化管理，如试验，培训，虚拟设计，制造，视图等应用。还可用于影视产品的设计，为场景设计精彩镜头或者3D游戏开发等。6.工程项目的无纸化二维制图还原。如为老旧设施的重建提供城市大比例尺GIS数据源等。7.森林和农业资源调查。三维激光扫描仪对森林进行扫描后，通过动态测量结果的比较可以了解森林的整体和局部动态变化，如砍伐率，绿化率。