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如何选择三维激光扫描仪？ZT2010-05-03 11:18如何选择三维激光扫描仪？ 目前市场上销售的射程大于10米的三维激光扫描仪有许多不同的型号。如何看懂各个厂家的参数和配置，性能的优劣，尽量不受销售代表的误导，选择适合自己应用的型号，是一个比较困难的问题。本文现就一些常见的问题做一个简要的和客观的介绍。 问题一：三维激光扫描仪的类型： 目前市场上销售的三维激光扫描仪按扫描方式划分有两种： 基于时间-飞行差;l l 基于相位差 问题二：两种类型的三维激光扫描仪的销售情况如何？ 基于时间-飞行差的三维激光扫描仪约占总数量的90%以上, 而基于相位差三维激光扫描仪约占总数量的9%。 问题三：两种类型的三维激光扫描仪的主要性能特点如何？ （1）基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的性能特点： a. 射程：大于200米，最远的甚至达到6,000米； b. 精度：对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程： 2,000米）： 2 mm 7 mm （测量距离50米时）；对于超长距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程： 6,000米）： 15 mm （测量距离50米以内时）。距离测量准确和精度高是基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的一个性能特点。 c. 最大激光发射频率：2,000 300,000赫兹。 d. 扫描速度：不同厂家的产品相差较大。Riegl的最快，其次为徕卡的：高精度扫描：2-16分钟，Optech和天宝的较慢：高精度扫描：40-80分钟。 在所有的激光扫描仪中，Riegl的VZ-400的激光发射频率最高（300,000赫兹）。扫描速度最快（最高精度时的全景扫描： 2分钟）。 e. 太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：小。 f. 植被覆盖区域：能够应用，并且能够去除植被。 （）基于相位差的三维激光扫描仪的性能特点： a. 射程：79米，据说Faro将于今年的第二季度推出一款Photon120，射程能够达到153米。 b. 精度：5 mm (距离： 25米）：12 mm （距离： 27,000赫兹）处于一个量级，但是，仍然远比Riegl的VZ-400要慢（最大激光发射频率：300,000赫兹，时间： 27,000赫兹，它在完成一个全景（360度水平）的最高精度扫描所需的时间小于10分钟。而天宝的GS系列，它在完成一个全景（360度水平）的最高精度扫描所需的时间大于80分钟。 Riegl的最新型VZ-400（PRR=300,000赫兹），完成一个全景（360度水平）的最高精度扫描所需的时间小于2分钟。 另一方面，三维激光扫描仪的脉冲发射频率和精度是有多重的选择档。因此选择的发射频率和精度（即角分辨率）越低，完成一个全景（360度水平）扫描所需要的时间越短。最低精度的全景扫描往往只需要几十秒钟。 问题八：激光扫描速度Scan Rate是什么？ 有些厂家，如徕卡，常常给出激光扫描速度：如激光扫描速度5,000点/秒（ScanStation1）或50,000点/秒（ScanStation 2）。它实际上是发自激光器的单位时间的激光点数，PRR即激光重复发射频率。 从物理上讲，这种定义是不对的，激光扫描速度应该指的是单位时间内激光所扫描的长度值 但是，习惯成自然，我们也不能要求徕卡公司改变他的习惯，权当如此。 问题九：如何鉴定设备的激光发射频率或激光扫描速度？ 由于到目前为止，也没有一个官方的组织和检校机构来对激光扫描仪进行质量鉴定，因此有关激光扫描仪的发射频率、最大测量距离、测量精度也没有一个统一的评判标准，只能靠各个厂家和用户自己来裁定。 实际上，即使激光扫描仪发射了5,000点/秒，激光扫描仪最多只能接受到1/3，其余的2/3都被散射了。如果垂直方向的角度大于40度，激光扫描仪在单位时间内所能够接受到的激光点的数量还要小于1/3，甚至小于1/5。 因此Riegl公司就专门给出了一个参数：Maximum Measurement Rate 单位时间内能够接收（测量）到的最多激光点云数目。这是一个可以由用户自己来检查的参数。 如：许多用户对比了徕卡公司的ScanStaion1和ScanStation2，发现其所有参数都一样，只有激光扫描速度由5,000点/秒提高到50,000点/秒，而且前后推出的时间不到一年。在使用时，也没有感觉到激光点云的密度有多大的增加。由于用户不能拆开激光扫描仪，即使有疑问，也束手无策。但是，我们可以选择一个扇墙，将垂直角度设定在10度以内，水平扫描角度设为20度，扫描距离小于50米，然后对20秒时间内的扫描结果进行评判。如果接受到的激光点云数目远小于50,000点/秒的1/3（即17,000点/秒X 20秒=340,000点），那就说明你的质疑是对的。 问题九：如何评价激光扫描的最大距离？ 每一款的激光扫描仪的最大扫描距离与光线的强弱、由此所引起的物体反射率的变化、垂直扫描角度的大小等相关。 一般：徕卡、天宝、Optech等公司喜欢用发射率为90%的物体作为参考物体，而Riegl公司喜欢用发射率为80%的物体作为参考物体。我们知道，当光打到物体反射率越高的物体，所反射回来的光信号越多，强度越高，因此，激光扫描仪的射程也越远。 但是，大多数的地面、建筑物的反射率为40%-50%，大多数的树木的反射率为30%-70%，煤和沥青路面在15%和25%之间，因此在实际应用中，我们要对设备的最大射程打折。 对于不同公司的产品，因为他们所依据的基础反射率不同，打折幅度不同。 以建筑物扫描为例，对于Riegl的扫描仪，打六折， Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z210ii ：最大扫描距离（反射率为80%）600米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用 360米 Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z390i ：最大扫描距离（反射率为80%）400米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用240米 Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z420i ：最大扫描距离（反射率为80%）1,000米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用600米 Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z620 ：最大扫描距离（反射率为80%）2,000米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用1,200米 Riegl三维激光扫描仪型号VZ -400 ：最大扫描距离（反射率为80%）500米 ；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用300米 Riegl三维激光扫描仪型号LPM-321 ：最大扫描距离（反射率为80%）6,000米；实际应用：建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用 3,600米 对于地形地貌等应用，由于对于激光点的密度要求不很高， 使用Riegl扫描仪时，可以打89折。对于Optech和徕卡的三维激光扫描仪，折要打得多些。根据用户的使用和我们的检验，Optech的ILRIS-3D标定的最大射程参数为1,200米到1,500米（多种配置），不论它如何标定，增强型与否，对于建筑物扫描和地形地貌为例，在实际应用中，它的最大射程大约在500米。 对于徕卡的ScanStation1和ScanStation2，经过德国的汉堡大学的测试，在使用HDS黑/白发射片时（反射率90%），最大射程为200米。在实际应用中，对于建筑物和地形地貌扫描，它的最大射程大约在120米。 对于相位差激光扫描仪，标定最大测距79米时，在室内应用时，最大距离应该在40米以内；在室外应用时，阴天可在30米以内使用，晴天10米或不用。 问题十：如何评价激光扫描的精度？ 基于相位差的三维激光扫描仪的精度因为受光线和扫描角度大的影响，会经常波动和变化。因此精度难以确定。它的位置扫描精度随厂家不同而不同，Z&F的精度较高，在25米以内，一般在5mm以内，Faro等其他厂家的要差些；在50米以内，即使是Z&F的精度一般也在10mm以上。基于相位差的三维激光扫描仪的精度重复性较差。 基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的精度测量重复性好，受光线影响小，但是如果垂直扫描角度较大时，由于激光点云的斑点形状变形（圆形的成为椭圆或畸形），也会使精度显著降低。 Riegl公司和天宝习惯以100米的距离来标定其产品的测量精度，而其他厂家喜欢用50米的距离来标定，建议不要混淆了。 另外，由于精度与所使用的标靶的反射率和形状以及垂直扫描角度密切相关，徕卡、Optech、天宝、Z&F、Faro等公司所给出的精度全是在最理想的标靶情况下得出的，因此，用户不可能指望他在使用中能够重复厂家所给出的精度，甚至相差很多。如徕卡的scanstation2，厂家给出的点位精度为6mm，距离精度为4mm (50米距离)。但是，在实际应用中，即使你使用徕卡推荐的标靶，在50米的距离，采用小的垂直扫描角度，你也达不到8mm的精度，请不要沮丧，因为他们使用的标靶是不一样的。 但是，Riegl公司的测量精度往往给的“非常保守”。如LMS-Z420i，厂家给出的精度为10mm（100米距离）。即使你对着一堵墙去扫描，你也会发现达到该精度毫不费力。如果你访问Riegl的网站，其最新型的VZ-400，精度为5 mm（100米距离）。但是，在使用该激光扫描仪对于建筑物的实际测量中，精度为5 mm（受到树木遮挡的墙面区域，100米距离）；而在没有受到树木遮挡的墙面，其单点距离的测量精度为1.8 mm (85米距离)。 固定在一个位置，使用激光扫描仪多次扫描物体，能够显著提高激光扫描仪的测量精度。但是重复扫描次数大于5次后，精度不会再有提高。提高的幅度约为30%。汉堡大学对Riegl的LMS-Z420i进行测试比较，发现在使用标靶的情况下，在50米到200米的距离范围内，其扫描精度优于5 mm，远远优于厂家自己公布的参数。而Faro、天宝等的却与其公布的相差较大。与徕卡和Z&F所公布的精度基本符合，但是全是其多次重复扫描的精度，并且是使用特殊的优质球型标靶。 另外，基于相位差的三维扫描仪厂家所公布的精度，全是在其使用100,000点/秒以上的发射频率（测量一个全景需要许多个小时）时所获取的，我们前面讲过，在目前，谁也不会在实际应用中使用那么高的频率，因此，仅有借鉴作用。 如何选择三维激光扫描仪？(二) 激光安全方面的问题 问题十一：什么是激光的安全等级？如何分类？ 激光的安全等级是根据激光器所产生的激光对人体的损害程度而分类的。激光的分类从CLASS I（无损害）到CLASS IV 激光。 Class II, class III 以及Class IV 激光器的制造商，应该在仪器上粘贴警告标签，并且把激光器的激光等级标注在仪器上。 Class I 激光属于低能量级激光设备，它是非常安全的并且可避免所有的静电危险。下面是CLASS I 激光的几个应用领域：激光打印机，CD播放器，CD ROM 设备，地质勘测设备以及实验分析设备。无论在任何条件下CLASS I 激光都不会对人体或皮肤产生损害。使用CLASS I 激光设备时，无需其它辅助安全设备。 CLASS II 激光也属于低能量级激光（功率 1毫瓦），但该激光会损害人的眼睛。Class II 激光的一些应用举例：教室演示，激光指示器，瞄准装置以及距离测量设备。如果CLASS II 激光长时间的对准目标（大于15分钟），将会伤害人的眼睛。避免直视CLASS II 激光，同时也不要将CLASS II 激光瞄准任何人的眼睛。另外，应避免用望远镜观看CLASS II 激光。事实上，如果有CLASS II 激光射入你的眼睛，你应该立刻将头转向一边，或者立刻闭上眼睛，防止激光损害。希望在这里所提及的文字可以帮助你保护您的眼睛避免CLASS II 激光损坏。 CLASS IIIA 激光是一个连续的激光波，属于中等能量发射装置（(1-5 毫瓦). CLASS IIIA 的使用例子和CLASS II激光大致上是相同，如，激光指示器、激光扫描仪。直视CLASS IIIA激光是非常危险的，在任何情况下都不要直接对视CALSS IIIA 激光。 不要用CLASS IIIA 激光指示器对准任何人的眼睛。禁止用望远镜观看CLASS IIIA 激光。这些都是一些必须要注意的问题。 CLASS IIIB 激光属于中等功率的激光器（功率：5-500毫瓦或10焦耳/平方厘米）。Class IIIb 激光的使用举例，光谱测量仪、激光扫描仪、立体摄影以及娱乐抛光灯。直视Class IIIb 激光是非常危险的，并且散射的激光也会对人眼产生损害。禁止直视Class IIIb激光以及用望远镜等设备观看激光。无论在什么时候在激光控制区内操作，都必须要穿戴隔离服以及眼罩。 在使用Class IIIb激光设备之前，必须阅读激光使用安全手册。 Class IV 激光属于高功率的激光器（功率：大于500毫瓦或大于10焦耳/平方厘米）。下面是Class IV 激光的使用举例，外科手术、调查研究、切割、焊接以纤维机械加工。Class IIIb 激光以及散射的激光也会对人眼和皮肤都产生损害。Class IV激光非常危险，可导致火灾的发生。任何人位于Class Iv 激光辐射范围内必须穿戴防护服以及眼罩。很多人由于反射体反射的Class IV激光导致眼睛被灼烧，因此任何反射体都应该远离Class IV激光。无论何时都不要在Class IV激光发射范围内暴露手及皮肤。希望这些常识可以让大家认识到如何避免Class IV激光。在使用Class IV激光设备之前，必须阅读激光使用安全手册。 问题十二：哪些厂家的三维激光扫描仪用的是安全的激光器？ Riegl公司从他生产的第一台三维激光扫描仪开始，就使用对于人眼安全的一级（Class I）激光器。Optech公司从2008年开始，也采用了Class I的安全激光器。 问题十三：哪些厂家的三维激光扫描仪用的是不安全的激光器？安全等级是什么？使用时应该注意做哪些保护？ 徕卡、Z&F、Faro、天宝等使用对人眼不安全的Class IIIR激光器。使用时，操作人员要带眼保护罩和穿防护服，并且不能在人流多的施工现场、博物馆、旅游场合、街道等处使用，以免对经过人员造成伤害。 问题十四：当我们用三维激光扫描仪对变电站进行扫描时，电线和设备会产生令人可怕的放电现象，是什么问题？还能使用否？ 这是因为你使用的是能量较高的三维激光扫描仪，由此产生了强烈的静电，这是很危险的。对于高压电力部门，你只能使用CLASS I 的三维激光扫描仪，即Riegl 或Optech的产品，不能使用徕卡、天宝、Faro和Z&F的产品。 问题十五：我们常常要用全站仪来与三维激光扫描仪配合进行定向和数据的拼接工作，是否能够使用反射棱镜来作为激光扫描仪的标靶？ 在有条件限制的条件下，能，但是，要注意距离。靠得进，反射回来的激光信号会损坏扫描仪的接收器。 问题十六：激光扫描仪都配置了哪些种类的数码相机？有什么用途？ 从用途讲，分为二类： a. 第一类是仅仅用作增加激光点云的视觉效果，也就是给激光点云涂色。 天宝 GX 3d 配备300,000像素的摄像机，带五倍缩放功能能给激光点云涂色，增加激光点云的视觉效果。 相机集成在系统内部，不能升级和更换镜头。不能随距离的远近而更换。 像素偏低，效果一般。 徕卡ScanStation2配备 200万像素的傻瓜数码相机，能够给激光点云涂色，增加激光点云的视觉效果。 相机集成在系统内部，不能升级和更换，镜头不能随距离的远近而更换。 像素偏低，无缩放功能，显示效果较差。 Optech ILRIS 3D配备600万像素的傻瓜数码相机。能够给激光点云涂色，增加激光点云的视觉效果。 相机集成在系统内部，不能升级和更换，镜头固定，不能因为扫描对象的 距离远近来更换长、短镜头。 近距离时效果一般。在长距离时，显示效果较差 Faro Photon系列配备1,000万像素以上的专业数码单反相机，能够给激光点云涂色，增加激光点云的视觉效果，能够生产三维物体影像。 相机外置，数码相机容易升级和更 换，根据扫描物体的距离远近，可选择使用不同焦距的镜头。 像素高，光通量大，分辨率高，镜头失真小，显示效果好，具有定量测量精度。Z & F 则没有配备数码相机 b. 另一类的是更高档的，采用专业单反相机（尼康、佳能品牌），不仅用来增加激光点云的视觉效果，还能够产生地形地貌、建筑物、物体的正射影像和三维模型的彩色纹理。 如：Riegl VZ系列 Riegl LMS-Z系列 Riegl LPM系列，安装1,000万像素以上的专业数码单反相机，并且相机外置，经过与激光扫描仪联机标定和校对。数码相机容 易升级和更换，根据扫描物体的距离远近，可选择使用不同焦距的镜头。 其优势在于：1. 给激光点云涂色，增加激光点云的视觉效果。 2. 生成正射影像图和三维影像。 3. 生成如照片般真实的三维模型图。 4. 结合激光点云，快速生成CAD图。 像素高，光通量大，分辨率高，镜头失真小，显示效果好，具有小于半个像素的测量精度。功能强大，应用广。 I-SiTE 4400 配备线性成像传感器，像素高。 集成在系统内部，不能升级和更换，镜头不能随距离的远近而更换。 其优势在于：（1）给激光点云涂色，增加激光点云的视觉效果。 （2）生成正射影像图和三维影像。 像素较高，显示效