三维激光扫描仪分析

1、利用三维激光扫描仪提取塌陷裂缝张飞跃（西安科技大学，陕西西安 710600 ）摘 要：三维激光扫描技术作为一种新兴的测量技术，是一种先进的、自动化的、非接触式、高精度三维激光技术，是继GPS1后测量技术的又一次革新。由于地 面沉降引起的地裂缝是一种日趋普遍且显著的地质问题，对矿区地表作物及生态 产生重大影响。利用三维激光扫描仪并结合数字图像技术提取塌陷裂缝是对三维 激光技术应用的又一次扩展。论文对三维激光扫描仪进行了详细的介绍说明并通 过对矿区实地数据的处理和分析，探索三维激光扫描仪在地表变形监测领域的应 用理论和方法。关键词：三维激光扫描技术，点云数据处理，数字滤波，裂缝信息提取Using

2、three-dimensional laser scanner to extract Surface crackZHANG Fei-Yue(xi 'an university of science and technology)Abstract: As a new measurement technique,three-dimensional laser scanning technology is an advanced, automated, non-contact, high-precision three-dimensional laser technology, follow

3、ing another GPS measurement technology innovations.Due to cracks caused by ground subsidence is a common and increasingly significant geological problems, there has a significant impact on the mine surface crops and ecology.Using three-dimensional laser scanner and digital image technology to extrac

4、t collapse crack is another expansion of three-dimensional laser technology .This paper has been illustrated and described in detail by mine field data processing and analysis for three-dimensional laser scanner,to explore the three-dimensional laser scanner application theory and methods in the fie

5、ld of surface deformation monitoring.Key words: Three-dimensional laser scanning technology , Point cloud data processing Digital Filter ， Cracks information extraction0引言三维激光扫描系统是一种集高新科技于一身的空间数据获取系统。利用地面三维激光扫描技术，可以进行复杂地形地貌的地区或是管线设施密集的工厂进行 扫描作业，并可以直接实现各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准的实体 或实景三维数据完整的采集，进而快速重构出实体目标

6、的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。同时，还可对采集的三维激光点云数据进行各种后处理分 析，如测绘、分析、模拟、展示、监测、虚拟现实等操作。在矿山开采沉陷研究中，传统地表沉陷观测方法在地表变形盆地主断面上步 设一定密度的监测点获取地表变形数据。监测点数量有限，并且在较长的观测周 期中出现因监测点难以保护而造成点位丢失的现象，给之后的数据处理工作带来麻烦，甚至无法满足观测站的监测精度要求。 在塌陷裂缝信息提取方面，也因为 观测数据不充足而无法对裂缝进行全面展示分析。 地面三维激光扫描技术引入矿 山开采沉陷研究以后，上述问题得到了有效的解决。三维激光扫描技术通过扫描 获取地表或空间点云数据

7、替代传统的线状观测数据， 大大增加了采集数据的信息 量，使得在之后的数据处理阶段从点云中提取完整的地表裂缝信息。1三维激光扫描仪的工作原理及特点三维激光扫描仪测量过程使用自身内部坐标系。 获取扫描点的三维坐标的原理是：扫描过程中以扫描仪的内部为原点 O的扫描坐标系统，X、Y轴在扫描坐 标系的水平面上，X轴为扫描方向，Z轴为垂直方向，构成如图3-2的左手系。由激光脉冲发射器周期地发射激光脉冲，精密时钟控制编码器获取发射出的激光 光束的水平方向角和垂直方向角，由脉冲激光发射到被目标反射被接收的时间差 计算得到扫描点到坐标原点的距离S,由此可得到扫描点P的(x,y,z)三维坐标的计算公式：X = S

8、co s 二 cos :Y = S cos - sin :Z = S sin 1根据地面三维激光扫描仪的工作原理，对公式(3.1)每项中的S、日、中分别求 偏导，根据误差传播定律可得：2.22.22.2. 22.2二x = coscos 二s T.Ssinicos p ，i.Scos sin' i'，(；/：仃2 =(cos8 sin 中 2仃；+(Ssin Hsin 中 fcrj/ P2 +(Scos0 cos中 fcrj/ P2(6.8 )cr： =(sin 6 2 cr； +(ScosO 2仃2/ P2在上式中，与为测距中误差，仃白是竖直角中误差，。中是水平角中误差， P

9、 =206268则地面三维激光扫描仪理论点位中误差 仃°为： pcp =4cx2 g2 +cs2 =1-202/ f2 +S202/ F2(6.9 )已知彳来卡Scanstation 10在扫描50mM时的测距中误差为4mm水平角和竖直 角的中误差都为12。三维激光扫描仪没有类似于全站仪的盘左盘右之分，故 认定厂家给定的测角精度 口是指扫描仪的半测回方向中误差，则根据误差传播 定律得三维激光扫描仪半测回的测角中误差为V2as0将测角和测距中误差带入上式得在扫描距离为50m时的理论点位中误差为7.06mm传统的测量设备主要是单点测量，获取其三维坐标。三维激光扫描技术是一 种全新的数据采

10、集方式，它能够快速、高效、精确、自动化的采集地表信息(点 云数据)。特点如下：(1)非接触测量。三维激光扫描仪可以对目标进行非接触式测量，并且不 需要反射棱镜，可以用来解决危险目标或是无法到达的区域的测量工作。(2)数据采样率高。目前，三维激光扫描仪扫描速度可以达到百万点/秒，这是传统测量仪器无法比拟的。(3)主动发射扫描光源。通过探测发射的激光回波信号来获取目标物体的 信息。可以全天作业，不受光线的影响。(4)具有高分辨率、高精度的特点。三维激光扫描仪单点精度可以达到 2mm 采样间隔为1mm(5)数字化采集。三维激光扫描系统直接获取距离的数字信号，具有全数 字特征，抑郁自动化显示输出，可靠

11、性好。(6)外置(或内置)数码相机。系统内置数码相机可以协助扫描工作进行 监测、拍照等操作。在数据处理阶段，可对三维模型进行纹理映射，重构三维模 型。(7)集成了高精度定位装置。新型的扫描系统集成了 GPSS收机等高精度 定位装置，并通过自身的软件实现坐标系统的转换， 从而可以将点云数据直接输 出为大地坐标，方便日常使用。2矿区实例数据分析本次数据采集使用三维激光扫描仪对地表塌陷地区进行扫描，将扫描得到的点云数据使用Geomagic Studio软件进行编辑，将之后处理过的点云数据使用 Envi软件进行裂缝提取工作。2.1 点云数据配准Geomagic Studio是Geomagic公司的一款

12、逆向工程软件，可根据扫描点点云 数据生成准确的数字模型34。可输出行业标准格式文件，包括STL、IGES、CAD 等多种文件格式。其主要功能包括：点云数据去噪、配准精简等；将点云转换为 曲面；对曲面进行公差分析等。使用Geomagic Studio软件进行点运数据配准。相邻站之间进行一一配准， 再进行整个测区的配准，完成后采用精密配准，控制点云数据的整体精度。点云 数据配准工作要求细致耐心仔细观察每个纹理特点，从各配准图像上可看到配准精度都在4mm左右，精度比较高，对后续工作有很大帮助图5-6精密配准2.2 数据降噪完整点云数据中含有噪音，会影响后续工作效率，需要对其进行剔除。数据 降噪分两部

13、分，一个是例如杂草、树木类的噪音，通过人机交互的方式手动剔除； 另一种是仪器或是外界环境造成的离散的噪音，通过数据滤波的的方式剔除。此次采用自由曲面和棱柱模型两种不同的数据模型对点云处理，其结果是自由曲面模型降噪效果更为明显，更适用于此类地表。2.3 数据精简在Geomagic Studio软件中，选择曲率采样对点云数据进行精简，经过多次试验最终选择采样率为80%曲率采样的特点是在模型特征比较明显或是特征较多的地方保留的较多的点云；而在地形较简单的地区，特征和纹理较少，用较少 的点来表示较大的区域，删除的点就会比较多。该方法的优点是能够在根据模型 的特征变化灵活的对点云数据进行精简，同时对模型

14、特征的完整保持良好，将点 云中点的数量从198万减少到159万，大大减小了数据量同时很好的保留了细节 纹理特征（图5-10）。图5-10数据精简2.4 数据输出利用三维激光扫描仪对矿区地表裂缝的提取是对三维激光扫描仪应用的扩展，并充分考虑裂缝的特点，我们选取数据输出为正射图像，使用数字图像的技 术对裂缝信息进行提取。利用 Geomagic Studio的图像输出功能将点云数据输出 为高分辨率的.jpg格式文件，并设置分辨率为4096*2170。图5-11点云数据图像输出3数字滤波提取图像信息数字滤波是通过一定的算法，对图像进行处理，将某一频段的信号进行滤除 生成新图像的过程。本次数据处理采用的

15、数据滤波有Sobel、Laplacian、Directional > Median、Roberto分析各种滤波器的优缺点，比较其各自特点，选择最完整、最清晰的图像保留使用。此次实验使用Envi 4.5软件对数字图像做数字滤波。图5-14中值滤波处理图像从图中可看到中值滤波对噪音的抑制做得相当好， 同时又很好地保留了边缘 信息，唯一美中不足的是对一些细线和小块信息丢失的较多， 使塌陷裂缝信息产 生断续效果。高斯-拉普拉斯边缘检测算子是二阶微分算子，首先使用高斯低通滤波对图像做平滑处理，这样有利于减小拉普拉斯算子对噪音的二次影响。再使用拉普拉 斯算子做梯度检测，提取裂缝信息。实验分别采用3x

16、3窗口、输入加回值100% 的Laplacian算子处理图像3x3窗口、输入加回值70%勺Laplacian算子处理图 像。是将原始图像的一部分加回到卷积滤波处理过的图像上，有助于保证图像的连续性。最终成果如图5-16 5-17所示：图5-16加回值100%_aplacian算子处理图像从图像处理结果上看，采用45°方向算子和拉普拉斯100%回值处理的图 像效果都很好。仔细对比两幅图像，采用方向算子得到图像对于裂缝信息左侧部 分噪音较大，有局部细节丢失，相比较来说，拉普拉斯算子处理结果最令人满意， 选取作为最终裂缝提取图像。5.4.4地裂缝信息分析将高斯-拉普拉斯算子处理过的图像输出

17、，使用 Auto CAD软件中导入栅格 图像功能添加图像，使用多段线依裂缝走向连线，依比例尺算出裂缝实际长度。表5-1裂缝宽度量取裂缝宽度(mm均值(mm0.2450.2680.1930.1890.2280.1920.2220.2510.1960.2330.2110.2710.1970.2090.2030.1910.2350.2600.2410.2090.1950.2670.2830.1920.2520.2510.1980.2210.2500.2450.2000.2180.266r l/aUUakwoiAKiMivb：Hjg收 graft jbib a >1 * 4i I II OMpw

18、' I 祥Lmr-Wl，rE -阳I融世欣Etfr-fr '_ 辱鼻握gm王史网通融 hri小k”线员 ,层|-口鼻上 T苴图5-17 Auto CAD 裂缝量取L =64.238/762.259*918.891 = 77.438m最终测得矿区地表裂缝长度为77.438m,宽度量测采用多次量测求均值的方法， 采样次数为32次得到最终裂缝宽度为23.3cm,从图中可以看出裂缝从左到右宽 度依次减小，其中最宽的地方可达到28.4cm,最窄的地方也有19.1cm。4结束语地表塌陷裂缝提取是相对较复杂的， 其中最为重要的环节是数据的获取。 地 面三维激光扫描技术的出现，为地裂缝监测工作带来了新的技术手段， 该技术所 具有的优势和特性，决定了它将广泛应用于诸多领域。随着传统技术不断改进、 工艺精度不断提高，该技术正朝着高精度的变形监测和工程测量领域快速发展， 带领着测绘学科不断进步41。本文针对地面三维激光扫描技术提取塌陷裂缝，所 作的工作以及创新之处如下：(1)本文系统的介绍了国内外地面三维激光扫描技术的目前的发展情况和 应用领域，并且阐述了三维激光扫描技术的原理、优势以及数据处理的流程。按照不同的特点对三维激光扫描仪进行分类。(2)地面三维激光扫描技术获取的点云数据