地面三维激光扫描仪应用综述

1、地面三维激光扫描仪应用综述徐进军1,余明辉1,郑炎兵2(1. 武汉大学,武汉 430079;2. 广州市城市规划勘测设计研究院,广州 510060摘要:作为一项新的数据获取手段,地面三维激光扫描仪可以快速、精确和高效地测量目标的三维影像数据,突破了传统的测量和数据处理方法,赢得了全新的研究和应用领域。本文综述了地面三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、测量精度、工程应用和发展方向等几方面的状况。关键词:地面3D激光扫描;特点;应用中图分类号:P204 文献标识码:BAbstract:As a new method,terrestrial 3D laser scanner can easily

2、and quickly acquire the complex geometric data from buildings,objects and so on. It should be an innovation in this area because it changes the way of conventional surveying and data processing. Now,this method has been applied in various fields. This paper gives a briefing on its working principle,

3、measuring precision,application area and future deveiopment.Key words:3D laser scanning;technical character;application在高精度的全站仪出现以后,测量仪器的研究重点不再注重提高仪器测量精度,而更加注重提高仪器的自动化测量程度,例如智能型全站仪测量系统(也称测量机器人,其两个轴由马达驱动,可自动补偿、自动寻找和跟踪棱镜目标、自动记录。也可以测量200m左右的无反射镜目标,它具备了对物体自动扫描的功能。但它不是为扫描测量而设计的,故用于扫描测量时速度太慢。因此,对表面有大批点需要测

4、量的复杂形状物体,大地测量与摄影测量联合处理仍是最有效的方法。经过近几年各项技术的发展,出现了集成多种高新技术的新型测绘仪器地面三维激光扫描仪,它采用非接触式高速激光测量方式,在复杂的现场和空间对被测物体进行快速扫描测量,直接获得激光点所接触的物体表面的三维坐标、色彩信息和反射强度点云数据。点云数据经过计算机处理后,结合CAD可快速重构出被测物体的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据。因此,它的出现立刻引起各层人员的极大兴趣,在诸多方面的应用研究也随即展开,并取得一系列成果。本文就此作个简单总结。1 地面三维激光扫描仪测量原理地面三维激光扫描系统主要有三部分组成,扫描仪、控制器(计算机和电

5、源供应系统,如图1所示。激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成CCD和仪器内部控制和校正等系统。在仪器内,通过一个测量水平角的反射镜和一个测量天顶距的反射镜同步、快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测距模块测量每个激光脉冲的空间距离,同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的水平角和天顶距,最后按空间极坐标原理计算出扫描的激光点在被测物体上的三维坐标。整个内外部系统如图1所示。扫描仪的内部有一个固定的空间直角坐标系统。当在一个扫描站上不能测量物体全部而需要在不同位置进行测量时;或者需要将扫描数据转换到特定的工程坐标系中时,都要涉及到坐标转换

6、问题。为此,就需要测量一定数量的公共点,来计算坐标变换参数。为了保证转换精度,公共点一般采用特制的球面标志和平面标志,如图2所示。点云数据以某种内部格式存储,因此用户需要厂家专门的软件来读取和处理,OPTEC的ILRIS-3D 软件,Cyrax2500的Cyclone软件、LMS-Z420的3D-RiSCAN软件和Zoller + Fröhlich 的LFM软件、MENSI的Realworks等都是功能强大的点云数据处收稿日期:2008-01-05;修订日期:2008-01-23基金项目:国家自然科学基金(40674008和三峡库区地质灾害防治教育部重点实验室开放基金(2006KDZ

7、02.作者简介:徐进军(1966-,男(汉族,湖北天门人,教授,博士.理软件,他们都具有三维影像点云数据编辑、扫描数据拼接与合并、影像数据点三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换等功能。 图1 地面激光扫描仪系统 图2 用于点云拼接的球面标志和平面标志2 激光扫描仪的主要技术指标三维激光扫描仪是一项新的测绘技术,它可以快速高效地获取测量目标的三维影像数据,使得测绘技术人员突破传统测量数据处理方法,进入到新的数据挖掘和开发的研究中。作为一种新的测量手段,三维激光扫描仪有如下优点:(1速度快,密度高,精度高,特别适合大面积或者表面复杂的物体测量及其物体局部细节测量;

8、(2不需要接触物体,昏暗和夜间都不影响外业测量;(3快速和准确地获取表面、体积、断面、截面、等值线等;(4方便将3D 模型转换到CAD 系统中,直接供工程设计。地面三维激光扫描仪经过近几年的发展,已有多家制造商生产了多类型的仪器并投放到市场,而且仪器的各项技术指标都还在不断地更新。不同扫描仪在测程范围(11000m 、测距模式(脉冲法、相位比较法和光学三角法、测距精度(0.420mm 、测量速度(10062500点/秒、测量采样密度、销售价格等都存在一定的区别。现在还没有一种扫描仪,既能进行短程测量,又能进行中远程测量。限于篇幅,表1仅列出了4种主要应用于工程测量中的中远程地面激光扫描仪的主要

9、技术指标。几种地面激光扫描仪的主要技术指标表1系统名称 ILRIS -3D HDS3000 MENSIGS200LMS -Z420i生产厂家 加拿大OPTECH 瑞士LEICA 美国TRIMBLE 奥地利RIEGL单次测距精度7mm100m 4mm50m 3mm100m 10mm 250m 最大测距范围1500m 300m350m1000m 数据采样率2000点/秒 4000点/秒 5000点/秒 12000点/秒光束发散率0.00974° 0.0046° 0.0034° 0.0143 o 扫描视场 水平×垂直40°×40°

10、 360o ×270 o 360°×60°360°×80°水平角分辨率0.0015 o 0.0033 o 0.0016 o 0.0020 o 工作温度040 o C040 o C040 o C040 o C3 地面三维激光扫描仪精度评价目前,地面激光扫描仪已经得到广泛应用。通过有关文献的试验结果,表明扫描测量数据经后处理和模型化后基本上都能达到厘米级,测量条件好时还可以达到更高。由于扫描仪总体上还是个黑箱系统,测量过程以及相应的数据处理与全站仪相比有着很大的区别。目前对其进行的精度评价的结果主要是在部分特征点上与全站仪测量结

11、果进行对比而得。显然,激光扫描仪测量点的坐标精度与角度测量和距离测量有关。角度的测量精度由仪器内部元器件的分辨率、产品质量和安装质量(如轴系不相互垂直决定,它的工作模式自动化连续运转也就决定了采用常规方法对扫描仪的测角精度进行评定是不可能的。但用常规方法对距离测量精度展开研究是可能的。对于无合作目标的反射,距离测量的精度除了与气象条件(温度,气压、湿度和内部测距方式有关外,更多地则与反射面的物理特性(表面反射强度、颜色、表面平整度等、激光入射角度和距离测程有关。苏黎世高等工业学院对Zoller+Fröhlich公司的IMAGER 5003激光扫描仪就距离测量精度进行了一些试验研究。他

12、们在室内50m范围内用IMAGER 5003在不同的距离下,对不同的材质目标和不同的入射角进行距离测量,然后与标准已知距离进行对比。试验结果表明,扫描仪的距离测量精度与材料性质、入射角和测程都有很大的关系,不同条件下的距离测量差值在几毫米和数十毫米之间。距离越近、入射角越小、放射漫反射强,则精度越高。由此可见,在获取扫描数据后,通过进一步处理(粗差剔除、点云剪切、点云拼接等,最后建立测量对象的3D模型。而这些过程都对原始数据进行滤波、平滑等处理,进一步提高了最终模型精度。因此,通常情况下达到厘米级精度应该是有保障的。但要在精密工程测量中达到毫米级的精度,还必须进一步做试验研究,且必须严格顾及现

13、场测量条件(气象、测量对象的表面的物理性质、测量范围、测量视角等,仔细拟定观测方案。4 地面三维激光扫描仪的工程应用三维激光扫描仪特别适合于对大面积的、表面复杂的物体进行精细测量。鉴于该特点,目前在许多工程领域中已经得到了应用。4.1 工程测量(1复杂工业设备的测量与建模:一些工厂管线林立,纵横交错,用传统的测量方法效率低下。而利用激光扫描仪测量和数据处理后就可以生成这些复杂工业设备的3D模型,为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型,极大提高了工作效率,测量资料还可以用于工厂管理。(2带状和局部地形测量:带状地形图测量主要对线路两旁(铁路、公路、河流两岸等的局部不规则带状地形进行测量;局部

14、地形测量主要对危险的或者人员难以到达的地带(如岩壁、开挖区、塌陷等进行测量。这些地形测量工作较传统的测量方法有更高地效率。(3路面测量:用于路面竣工后的质量检测;计算路面平整度;也可以为道路设计提供实地模型。(4大型土木工程形状测量:包括对隧道、桥梁、地下坑道等在施工过程中和竣工后的形状测量,既可以进行施工指导和质量控制,又可以作为数字文档资料。(5变形监测:相对于传统的测量方法与技术(GPS、全站仪而言,其精度均匀、密度高,可以发现变形体局部细节变化,也便于从整体上分析和评价变形体的稳定性。对滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷、大坝、船闸、桥梁等工程变形监测有很好的前景。4.2 工业与医学测量在这个

15、领域应用特点是测程短(<4m,测距精度要求高(<1mm,例如Minolta VI 900配置的长、中、广三种不同焦距的镜头,测距精度高于0.1mm,测程0.62.5m。这类短程扫描仪主要应用于工业测量中流水线和工业机器人在线质量控制、工业设计以及医学中外科整形、人体测量、矫正手术等。4.3 建筑测量与文物保护一些著名建筑物、文物、雕塑等,其形状怪异、表面凸凹不平,不方便(也不允许在其上粘贴测量标志,即要求无接触测量。以前是以摄影测量为主,但现在可充分利用激光扫描仪的高密度和高精度点云数据,来获取建筑物表面的精细结构,随时得到等值线、断面、剖面等。当建筑物和文物等遭到破坏后能及时而准

16、确地提供修复和恢复数据。4.4 逆向工程逆向工程是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。传统的复制方法是先做出一比一的模具,再进行生产。这种方法无法建立工件尺寸图档,也无法做任何的外形修改,已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。由于三维激光扫描仪能对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描,得到其三维轮廓数据,配合反求软件进行曲面重构,并对重构的曲面进行精度分析、评价构造效果。4.5 应急服务对失事飞机、汽车和火车事故等现场做详细而精确的细节测量,可为日后事故鉴定提供准确的空间信息,也可作为档案资料。这在以前是不可能实现的。5 三维激

17、光扫描仪的发展作为新技术,三维激光扫描仪也存在很多问题,比如如何全面检验和评价三维激光扫描仪测量精度;软件对海量数据的处理速度较慢,对作业人员要求较高;设备费用太高等。三维激光扫描仪今后的研究和发展应该主要体现在以下三个方面:(1进一步改进硬件,使激光扫描仪有更高的测量精度、更快采样速度以及低廉的价格,同时还具备全站仪的部分功能(如整平、定向、单次测量等,使其能在精密工程测量和工业测量中得到广泛应用;(2与其他传感器集成,如与摄影测量/CCD 的集成,与动态测量车的集成等,相互利用其优势,扩展应用领域,提高工作效率;(3进一步完善和开发后处理软件,使处理的数据量更大、数据处理的速度更快,软件操

18、作更容易。参考文献1 范海英等. Cyra三维激光扫描系统的工程应用研究J,矿山测量,2004,(9:1618.2 郑德华,雷伟刚. 地面三维激光影像扫描测量技术J.铁路航测,2003,(2:2628.3 黄明宇等.基于逆向工程的塑料油壶设计与制造J. 工程塑料应用,2005,(3:3133.4 H.Ingensand,T. Schulz:Terrestrische Präzisions-Laserscanner,13th Internationale geodätische Woche Obergurgl 2005,20. bis 26.Februar 2005.5 A.

19、Grimm-Pitzinger,S. Rudig:Laserscanner für flachenhafteDeformationsanalyse,13th Internationale geodätische Woche Obergurgl 2005,20. bis 26. Februar 2005.6 M.Thies,T. Aschoff und H. Spiecker:Terrestrische Laserscannerim Forst,AFZ-DerWald,22/2003,11261129.7 T.Schulz:Terrestrisches Laserscanni

20、ng und seine Anwendungenin der Ingenieurvermessung,Ingenieurvermessung 2004,14th International Conference on Engineering Surveying Zürich, 15-19. März 2004.8 C.Fröhlich,M.Mettenleiter:TERRESTRIAL LASER SCANNINGNEW PERSPECTIVES IN 3D SURVEYING,Proceedings of the ISPRS working group VIII/2 'Laser-Scanners for Forest and Landscape Assessment',Freiburg,Germany,03-06 October 2004,713.9 R. STAIGER:Terrestrial Laser Scanning -Technology,Systemsand Applications,2nd FIG Regional Conference,Marrakech, Morocco,