三維激光掃描技術(shù)論文(2)
三維激光掃描技術(shù)論文
三維激光掃描技術(shù)論文篇二
淺談三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量原理及其應(yīng)用
[摘要]通過(guò)三維激光影像掃描儀獲得的數(shù)據(jù)來(lái)組成的立體模型，能非常精確測(cè)量出建筑物和物體的尺寸，是可取代傳統(tǒng)的測(cè)量方式。就三維激光影像掃描儀的單點(diǎn)精度來(lái)說(shuō)，一般都可達(dá)到的水平為毫米級(jí)，而且它建模之后的測(cè)量精度絕對(duì)不比傳統(tǒng)測(cè)量方法遜色。效率高是三維激光掃描最重要的意義所在，激光掃描內(nèi)外業(yè)需要的時(shí)間通常就只有傳統(tǒng)方法測(cè)量的1/20。物體部分點(diǎn)的數(shù)據(jù)是傳統(tǒng)的方法就能夠測(cè)到的，而物體的全部細(xì)節(jié)則需利用激光掃描才可測(cè)量到。因此，探討其原理繼而對(duì)其技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用十分重要。
[關(guān)鍵詞]三維激光掃描系統(tǒng) 測(cè)量原理 數(shù)據(jù)采集 精度
[中圖分類號(hào)] TU198+.5 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X(2014)-1-138-1
0引言
三維激光掃描系統(tǒng)是可深入到所有復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和空間中，透過(guò)三維激光掃描可以將各種大型的、不規(guī)則、復(fù)雜的、非標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)景或?qū)嶓w的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦上，快速地重構(gòu)目標(biāo)的三維實(shí)體模型，在采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)也能把目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)應(yīng)用在各種后處理工作對(duì)稱應(yīng)用的工具。
1三維激光掃描儀的測(cè)量原理
三維激光掃描儀是在激光的相干性、方向性、單色性和高亮度等特性的基礎(chǔ)上，在同時(shí)注重操作簡(jiǎn)便和測(cè)量速度上，從而保證了測(cè)量的綜合精度，而其測(cè)量的原理是主要分為有測(cè)距、掃描、測(cè)角、定向這四個(gè)方面。
1.1三維激光掃描儀的測(cè)距原理
由于激光測(cè)距是激光掃描技術(shù)十分重要的組成部分，對(duì)于激光掃描的定位以及獲取空間三維信息是具有十分重要的作用?，F(xiàn)階段的測(cè)距方法主要是有：相位法、三角法、脈沖法。
測(cè)距方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，而主要是集中在測(cè)程和精度的關(guān)系上，脈沖測(cè)量的距離最長(zhǎng)，可是精度會(huì)隨距離的增加而降低。相位法用于中程測(cè)量，具有比較高的測(cè)量精度，可它是通過(guò)兩個(gè)間接測(cè)量才能夠得到距離值，三角測(cè)量測(cè)程最短，可是精度最高，適用于近距離、室內(nèi)的測(cè)量。
1.2三維激光掃描儀的測(cè)角原理
區(qū)別于常規(guī)儀器的度盤測(cè)角方式，激光掃描儀是通過(guò)改變激光光路而獲得掃描角度。把兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)與掃描棱鏡安裝在一起，進(jìn)而分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進(jìn)電機(jī)也是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的控制微電機(jī)，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光掃描儀的精確定位。
1.3三維激光掃描儀的掃描原理
對(duì)于三維激光掃描儀是透過(guò)內(nèi)置的伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的精密控制的多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，決定著激光束的出射方向，能夠讓脈沖激光束能夠沿著橫軸方向與縱軸方向進(jìn)行快速的掃描。掃描的控制裝置為：擺動(dòng)掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。對(duì)于擺動(dòng)掃描鏡是一個(gè)平面反射鏡，是由電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)進(jìn)行往返振蕩，這種測(cè)距方式就是一種間接測(cè)距的方式，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射和接收信號(hào)之間的相位差，從而獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。測(cè)距精度較高，主要應(yīng)用在精密測(cè)量和醫(yī)學(xué)研究，精度可達(dá)到毫米級(jí)。
1.4三維激光掃描儀的定向原理
三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標(biāo)系中，但是數(shù)據(jù)的后處理要求是大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，這就需要將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下，這個(gè)過(guò)程就稱為三維激光掃描儀的定向。
2三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1三維激光掃描技術(shù)原理
三維激光影像掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，全部所采集的三維建模數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)都能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口的格式轉(zhuǎn)換更為方便地為各種工程軟件來(lái)直接使用。
2.2三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
應(yīng)用范圍非常廣泛，主要有建筑物、地形以及其他對(duì)象進(jìn)行的高精度測(cè)量。
2.2.1能夠塑造出高精度的數(shù)字地面模型以及城市模型
三維激光掃描影像數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫(kù)與GIS系統(tǒng)更新一個(gè)重要的信息來(lái)源。其所采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)拼接與合并之后，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理剔除粗差，而應(yīng)用數(shù)據(jù)濾波與分類算法而得到地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。地面高程數(shù)據(jù)是應(yīng)用在塑造高精度的一個(gè)數(shù)字地面模型，地物數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)目標(biāo)識(shí)別的處理和提取就可以實(shí)現(xiàn)建立城市三維模型。
2.2.2帶狀地形的測(cè)圖數(shù)據(jù)采集
地面三維激光影像掃描儀能夠進(jìn)行野外局部帶狀地形區(qū)域的分段掃描。在具有一定重復(fù)掃描的區(qū)域內(nèi)，可進(jìn)行三維影像合并與拼接從而生成了帶狀影像圖。亦可以透過(guò)一些測(cè)量控制點(diǎn)來(lái)轉(zhuǎn)換到城市或國(guó)家坐標(biāo)系中，利用地物和地形三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)建立模型，進(jìn)而帶狀地形圖亦可以生成。而對(duì)于公路、鐵路、大渠大江兩岸部分不規(guī)則的呈帶狀地形圖的測(cè)量，可比常規(guī)的測(cè)量速度還要快、精度還要高。
2.2.3古文物建筑物測(cè)量和逆向工程的應(yīng)用
地面三維激光影像掃描技術(shù)能夠?yàn)槿S測(cè)量及逆向工程、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)方面而提供相應(yīng)的服務(wù)。也能夠快速高精度地完成復(fù)雜的古建筑結(jié)構(gòu)測(cè)量，大型景觀(如建造大佛景觀)三維數(shù)字設(shè)計(jì)與模板制作。
2.2.4其它方面的應(yīng)用
此外，地面三維激光影像掃描儀也可以應(yīng)用在復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的建模與測(cè)量、房產(chǎn)圖測(cè)量與房屋建模、災(zāi)害三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工程建筑物變形監(jiān)測(cè)、礦山及隧道測(cè)量、事故災(zāi)害評(píng)估和大型水利工程安全監(jiān)測(cè)與研究等方面。
3結(jié)語(yǔ)
(1)三維激光掃描系統(tǒng)是具有快速、細(xì)致以及高精度的這些特點(diǎn)。而如果讓其應(yīng)用在地形測(cè)繪的領(lǐng)域，就可以減輕測(cè)繪工作人員的作業(yè)強(qiáng)度，和減少作業(yè)時(shí)間，進(jìn)而提高測(cè)繪效率，而且測(cè)繪也能夠得到一個(gè)讓人滿意的結(jié)果。
(2)運(yùn)用三維激光掃描系統(tǒng)在進(jìn)行地形的測(cè)繪成圖的工作時(shí)，也需要GPS、全站儀等設(shè)備來(lái)進(jìn)行配合，從而空間每一個(gè)測(cè)站的位置也就確定了。
(3)若利用三維激光掃描系統(tǒng)得到的地形測(cè)繪成圖的質(zhì)量也會(huì)受到很多外在的因素影響，例如與測(cè)站的定位精度和目標(biāo)物體的反射面有關(guān)的誤差以及一些外界環(huán)境條件等。所以在使用的過(guò)程中就要盡可能地減少外在的因素對(duì)整個(gè)掃描質(zhì)量的影響，從而獲得更高質(zhì)量的測(cè)繪成果圖。
(4)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)繪成圖的工作，是對(duì)于傳統(tǒng)地形測(cè)繪工作的有力補(bǔ)充，這個(gè)系統(tǒng)是在測(cè)繪工作人員難以到達(dá)的區(qū)域而開展數(shù)據(jù)采集方面占有十分大的優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]趙曉明，洪波.三維激光掃描儀應(yīng)用技術(shù)研究[J].價(jià)值工程，2010(09).
[2]徐曉雄，劉松林，李白.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)及其在測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)繪.2009(02).
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