三维激光扫描仪讲解,三维激光扫描仪原理,三维激光扫描仪案例分析

讲座2 三维激光扫描仪的原理和结构 复习 三维激光扫描仪的概念三维激光扫描仪的由来三维激光扫描仪的技术应用和发展 本节课的内容 三维激光扫描仪的原理和结构掌握 坐标计算的原理了解 三维激光扫描仪的结构 Cyra三维激光扫描系统简介 徕卡Cyra三维激光扫描系统组成1 Cyrax2500三维激光扫描仪2 Cyclone3 0软件 3 笔记本电脑4 三脚架5 电池和充电器6 目标牌和电缆 二 徕卡Cyra三维激光扫描系统的工作原理 Cyrax2500三维激光扫描仪向目标发射激光脉冲 依次扫描被测区域 快速获得地面景观的三维坐标和反射光强 利用Cyclone3 0软件进行三维建模 生成地面景观的三维图象和可量测点阵数据 并可方便地转化为多种输出格式的图形产品 结构和原理 Cyrax三维激光扫描系统由三维激光扫描仪和配套软件组成 仪器内部有一个激光器 两个旋转轴异面且互相垂直的反光镜 反光镜由步进电机带动旋转 而激光器发射的窄束激光脉冲在反光镜作用下 沿纵向和横向依次扫过被测区域 激光脉冲被物体漫反射后 一部分能量被三维激光扫描仪接收 测量每个激光脉冲从发出到返回仪器所经过的时间 可以计算出仪器和物体间的距离S 同时测量每个激光脉冲与仪器固有坐标系X轴的夹角 XOY面的夹角 可以由公式1算出被测物体表面点的三维坐标 通常用仪器内部坐标系统 根据扫描点的激光反射强度 给反射点匹配颜色 扫描点绘制在屏幕上 组成密集的点云 仪器坐标系 坐标计算公式 三 徕卡Cyra三维激光扫描系统的主要特点 1 体积小 重量轻 操作简单 装拆便利 具备良好的野外操作性能 2 扫描范围大 速度快 精度高 3 快速建立三维景观模型 图形图象数据一次获取 Cyrax2500三维激光扫描仪产品参数1 总体仪器类型高速 高精度激光探测扫描仪使用界面笔记本电脑扫描仪驱动器伺服马达光学视眼一体化视频照相机系统性能单点精度点位 6mm 1 5m 50m距离距离 1mm角度 0 5 形成模型表面的精度 2mm Cyrax2500三维激光扫描仪产品参数2 激光扫描系统激光类型脉冲 专用芯片 颜色绿色安全性2级 参照CFR1040 对眼安全 但要避免直射和长时间照射眼睛光斑大小 6mm 0 50m范围测距范围最大150m推荐1 5m 50m 5 100 扫描率每秒1行 每行小于1000个点每秒2行 每行小于200个点扫描密度可选性水平方向和垂直方向扫描可以分开选择可以按一定间隔选取点对点的扫描方式垂直方向点与点间的最小间隔0 25mm 小于50米 水平方向点与点间的最小间隔0 25mm 小于50米 行扫描每行最多1000个点列扫描每列最多1000个点 Cyrax2500三维激光扫描仪产品参数3 视野垂直方向最大40 角水平方向最大40 角三角基座360 水平旋转 105 90 垂直方向旋转空间体积19900m3 扫描 精度小于6mm 占据体积 最大 1592003 扫描 距离小于100m 扫描光双镜 随机通道由外壳和玻璃罩保护视频目标480 480彩色电力供电AC90 240VAC 50 60HzDC12V功率100W电池密封的铅酸电池电池容量20 C以下供电4小时 供扫描与建模的计算机平台 PC系统最低要求推荐处理器200MHz 奔腾500MHz P RAM64MB256MB硬盘2GB20GB网卡以太网以太网视频卡SVGA3D图形加速操作系统WindowsNT4 0WindowsNT4 0显示器800 600 256色1024 768 真彩色 CYRAX扫描仪的控制与操作 可以建立以下类型的几何体 平面角射线柱面盒目标中心点顶点圆锥球体直线多边形创建观察和交互窗口几何校正根据激光反射强度获取彩色扫描图象用户定义质量检查方式平面 柱面 球面的区域扩张多次扫描的坐标纠正对目标采用平面或球面建模的方式自动实施整体纠正抽取点云图支持多种坐标系统目标的插入 复制和编辑获取并在计算机屏上显示视频图象基本的概念设计和二维绘图工具遥控操作 特性和功能1 通过选取线性矩形框来确定目标范围任意选取水平方向和垂直方向的扫描密度完全的 飞行旋转 缩放和摇动 扫描影像的任意旋转 哪怕在扫描的过程中也能做到 给对象增加颜色和材料属性影像存储 恢复查看扫描仪的位置智能化的3D模型输出视频图象和扫描数据图象同时显示3D标注可视化客户许可证扫描图象和影像的自动连接多级undo redo操作功能扫描图自动排序诊断信息计算机辅助获取目标 特性和功能2 3D画线快速将扫描图转换为格网图云点图可永久保存用户界面 热键 工具条64位双精度浮点数据连续自动存贮客户 服务器对象本底数据库在线帮助项目分层图软件使用许可方式灵活多种对象注释方式测量点云和模型中点间斜距数据管理建立并管理图层建立并管理对象注释与环境配套的照明设施公制或英制测量单位可选输出ASC 格式的数据流 BMP JPEG格式的图形文件输入ASC 格式的数据流 Riegl CGP格式的数据 通过COE输入MicroStation格式数据 其他三维激光扫描仪的原理和结构 Vivid910Optech天宝 法国Mensi 本节课结束 课后要求 讲座3 三维激光扫描仪的操作方法 复习 三维激光扫描仪的原理和结构坐标计算公式 本节课的内容 重要概念 点云 标靶 拼合等三维激光扫描仪的使用方法 点云 笔记本中的点云图 本节课内容 用实际仪器和笔记本演示 测量前仪器的准备和仪器连线方法 扫描软件的启动 扫描软件的操作方法 粗扫和精扫以及标靶扫描等 Cyclone软件的使用方法 演示 Cyrax扫描仪的控制和操作 计算机屏上获取和显示视频图象遥控测量用矩形框选择需要扫描的区域水平扫描和垂直扫描的密度可以分开设定完全的 飞行旋转 缩放和摇动 扫描影像的任意旋转 哪怕在扫描的过程中也能作到 自动管理扫描顺序图诊断信息计算机辅助获取目标自动连接扫描影像 Cyrax扫描仪的控制和操作 建模 可视化 查询和浏览工具对云点图 感光图 VDB 网点图 渲染图及3D模型可以实行 飞行旋转 摇晃和缩放以及自由旋转 建立交互式的可视窗口 Cyrax扫描仪的控制和操作 测量和标注点云和模型的相关数据 斜距平距高差体积表面积坐标参考系统由激光返回信号的强度生成彩色影像在对象上添加颜色和材料采用最合适的施工方式动态展现施工各个阶段3D模型用户可设置质量检查方式自动生成平面和柱面的切面平面 柱面和球面的区域扩展由3D模型派生2D图 Cyrax扫描仪的控制和操作 根据扫描图派生2D线画图观察扫描仪所在位置多幅扫描图的整体拼接采用平面或球面建模自动实施整体纠正对扫描点自动实施干扰检查并进行可视化的目标设计根据格网点生成等高线按照影像数据文件格式存储瞬时图根据点云生成剖面图 平面图和断面图 Cyrax扫描仪的控制和操作 可以创建下面的几何形状 平面 柱面 顶点 直线 弯头 圆锥 圆弧 球面 管状 锥形管 金属外型 盒子 立方体 拐角 不规则多边形 椭圆 圆 复线 正方形 矩形 目标中心点 仪器直接输入的格式 ASC 格式点位数据Riegl通过COE输入MicroStation格式数据CGP 仪器直接输出的格式 AutoCADDXF格式 版本12到2000AutoCADDWG格式 版本12MicroStation数据格式 通过MicroStation或COE接入 ASC 格式点位数据流Cyclone软件交换格式COEBMPJPEGIGES PDS PDMS AutoPLANT 表示可选 间接输出的格式 PDS 通过DGN 从MicroStation或COE接入 转换PDMS 通过DGN 从MicroStation或COE接入或直接输入 转换AutoPLANT 通过AutoCADDXF转换 本节结束 思考题 控制标靶和目标球既是拼合各次扫描点云的基准点 还是网格坐标与仪器内部坐标转换的媒介 它们的位置要保持稳定 不能安装在变形体上 但扫描仪的视角有限 无法一次扫描变形体和稳固地点的控制标靶和目标球 因此这是一对矛盾 解决这个问题的方法是 在稳固地点和变形体上安装多个控制标靶和目标球 增加扫描站数 仪器由稳固地点逐步扫描至变形体 根据稳固地点的控制标靶和目标球中心坐标修正变形体上的目标球中心坐标 Cyra三维激光扫描系统主要应用领域 1 地面景观形体测量 2 桥梁改扩建工程 桥梁结构测量 3 大坝和电站工程基础地形测量 4 地下工程结构测量 5 高陡边坡地形测量及工程量计算 6 公路测量 7 矿山测量及体积计算 8 电影特殊效果中的三维景观制作 9 古文物 建筑测量和资料保存 10 电厂 化工厂等大型工业企业内部设备的测量 11 管道 线路测量 12 大比例尺GIS系统和数据库数据更新 13 虚拟模型的验证 观测实验1 观测实验2 扫描点云 扫描点云 线划图 渲染和纹理 讲座三维激光扫描仪用于变形监测 张国辉辽宁工程技术大学测绘学院 监测对象和必要性 露天矿开采中的滑坡 井下开采造成的地面沉陷 建 构 筑物的变形等 每年都造成大量人员伤亡和财产损失 已有的变形监测手段 大地测量法 建立变形监测网 进行边角网观测等 在变形区域安装各种传感器 近景摄影测量 GPS变形监测 测量机器人 已有监测手段的优缺点 技术的成熟性 精度和可靠性 成本 效率等 新的变形监测设备和技术 三维激光扫描仪是目前国际上最先进的获取物体三维点阵的设备 它可以将任何大型的 复杂的实体或实景的三维数据完整地采集到计算机中 进而快速建立目标的三维模型并提取线 面 体等各种制图数据 它所采集的三维激光点云数据经过处理还可应用在许多场合 三维激光扫描技术改变了传统的单点数据采集方式 可以在很短时间内以很小的采样间隔 获取实体表面各点坐标 实现 实景复制 三维激光扫描仪应用于变形监测 优势 高效率 数据精细 与近景摄影测量相比 方便建立模型缺点 目前价格高 监测对象例子 多发滑坡崩塌事故的某露天矿的高陡边坡需要变形监测 采用三维激光扫描仪监测变形 需要解决的难题是 如何布设测站和控制标靶和目标球 如何统一各次扫描的坐标系统 如何提取变形信息 变形监测误差的估算 如何显示变形数据等 变形监测方法 测站地点要选择在地面坚实 受变形影响小 且离变形体近 m 的地方 布设专用标牌 初始扫描并内业处理 按照观测要求 实施各期扫描并内业处理 提交数据和结论 提取变形信息 由于点云数据极其密集 靠视力很难分辨一个点的变形情况 所以必须对变形体进行处理 以方便提取变形信息 提取方法1 方法一 在变形体表面安装多个涂色的球形标志 根据颜色和形状 可以从扫描点云中将球形标志分辨出来 用Cyclone软件建立球模型并输出球心坐标 通过比较各时段扫描数据中相同球心坐标变化来提取变形信息 提取方法2 方法二 根据所有点云数据建立变形体的数字地面模型 DTM 让所有时段的变形体模型的坐标系统一致 直接分析所有模型的变形 对于滑坡监测 可以采用数字高程模型 DEM DEM DEM表示的是各坐标点处的高程 根据DEM提取变形信息 由于不同时间段的DEM并不完全相同 为了比较相同水平坐标点的高程变化 需要以初始扫描时建立的DEM数据作为参考 将后面的DEM进行内插计算 以该坐标相邻点的高程加权平均值作为该点高程 最后比较相同点的高程变化来分析变形 变形结果输出和显示 提取出的地形变化可以用Matlab和CAD下自主开发的软件来表示 也可以用表格 文本 断面图 曲线图 三维变形曲面图来表示 精度分析 采用上述方法一来提取变形数据 由于模型表面精度为 2mm 可以满足变形监测要求 采用方法二 是将各个单点数据进行处理 取其平均值 则精度也要优于 6mm 参与计算的点越多精度越好 而用传统的全站仪来观测 其精度在厘米级 所以两者没有明显的精度区别 实验结果 实际量测地物表面尺寸 与扫描软件提供的尺寸比较 证明符合良好 误差分析 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 三维激光扫描仪用于变形监测 本节课的要点 变形监测概念变形监测的方法三维激光扫描仪用于变形监测的实验对新技术的展望 变形分析方法 传统的变形几何分析主要包括参考点的稳定性分析 观测值的平差处理和质量评定以及变形模型参数估计等内容 陈永奇 1988 概括了两种基本的分析方法 即直接法和位移法 直接法是直接用原始的重复观测值之差计算应变分量或它们的变化率 位移法是用各测点坐标的平差值之差 位移值 计算应变分量 变形数据分析方法 对变形数据分析方法研究是极为活跃的 除了传统的多元回归分析法以及上述的时间序列分析法 频谱分析法和滤波技术之外 灰色系统理论 神经网络等非线性时间序列预测方法也得到了一定程度的应用 为了弥补单一方法的缺陷 研究多种方法的结合得到了一定程度的发展 一般应用较多的是单测点模型 同时 为顾及观测点的整体空问分布特性 多测点变形监控模型也得到了发展 观测网选择和参考点稳定性分析 观测网一般分为参考网 也叫绝对网 和相对网 基准点是进行变形观测的起算基准点 坐标系除了提供方位外 更重要的是为系统数据处理时的距离及高差计算提供基准 很多三维激光扫描仪没有对中装置 需要由标牌来传递坐标系 对于参考点稳定性检验 如果一组公共点在两周期测量之间内部没有相对位移 尽管两期测量计算坐标时所依据的参考系有变化而造成求得的坐标有视的变化 但这一组点间的相对几何关系并没有改变 我们把这样一组点称之为稳定点组 依据一组点间的几何关系是否保持不变来判别这一组点是否可认为它们是相对稳定的 设第一期观测成果中 各基准点在测站坐标下的坐标 第二观测周期各点经转换后的坐标 可得到各点在两周期观测时刻的坐标差 坐标差可得各测量点在两观测周期得到理论位移量 变形位移值的计算 参考点稳定性检测结束后 以不同周期观测的参考点坐标计算转换参数 进行坐标系的转换 从而获得各个变形点的统一坐标系下的坐标 各期观测坐标求差即可得到变形数据 变形观测数据回归分析 用Matlab回归分析 在Matlab中采用多项式曲线拟合方法来实现两个变量之间是这种非线形关系 函数Polyfit 根据一组给定的数据在最小平方意义下的拟合多项式的系数 P polyfit x y n x y是拟合数据量 n是返回多项式的阶次 代码 设置x为时间 月份 y为累计位移值 如果用3次多项式来拟合 p polyfit x y 3 中的p为多项