0引言随着图形应用领域的扩大,如何将现实世界的立体信息快速的转换为计算机可以处理的数据成了人类追求的一个目标。三维激光扫描技术是整个三维数据获取和重构技术体系中最新的技术[1],该技术以获取被测物体三维轮廓数据为目的,主要包括数据测量与数据后续处理,与传统的测量技术手段有很大的区别。它能够快速获取物体表面每个采样点的空间位置坐标,然后借助于计算机软件处理,用点、线、多边形、曲线、曲面等形式将立体模型描述出来,便可以重建出实体的表面模型。
三维激光扫描技术真正做到了直接从实物进行快速的逆向三维数据采集及模型重构,即从二维到三维的全景三维实测数据重构。
伴随着光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟,其技术也得到了不断的丰富和发展,越来越广泛的应用对该技术的发展也提出了更高的要求。利用三维激光扫描技术进行高效率、低成本、高精度、高质量的空间数据采集、处理,协同GPS 定位技术应用可以解决一直困扰中国数字化信息采集的难题。
1三维激光扫描系统的组成
陕西科技大学计算机实验室三维激光扫描系统硬件装置
示意如图(如图1所示),该装置由三维激光扫描仪(高精度的
激光刀)、两台400线以上的CCD 摄像机(双摄像机同步高速摄像)、扫描仪旋转平台、软件控制平台,数据处理平台及电源和其它附件设备共同构成,是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取系统。
(1)三维激光扫描仪:本实验中选择功率为3mW 的半导体砷化镓激光器。扫描仪使用高30cm ,宽度1mm 长度200
收稿日期:2009-03-26;修订日期:2009-05-28。
开发与应用
cm左右的激光面(又称激光刀)取代点激光测距中的点激光。激光面和物体交会可生成一条测线。这条测线相当于500~1024个激光点,因而从理论上说可以提高采样速度500~1024倍。
(2)视频采集卡(即图像采集卡):视频采集卡是系统中非常重要的部件,它将CCD送出的视频信号先进行A/D转换,再输出YUV信号并压缩。本系统视频采集部分不仅接收摄像系统传来的视频信号,还要接受载有方位角信息的脉冲信号,从中分离出同步信号、像点信号和方位角信号。
(3)数据采集系统:这个系统主要完成对视频采集系统送来的信号的精密测量,高速存贮,并在适当时候由主处理机取回数据,形成物体的三维数据供后续处理用。
(4)旋转平台:平台能够在指令控制下平稳地启动、停止、运转,平台上设置的方位角传感器可以产生方位角脉冲信号。
(5)数据处理计算机:电脑主机采用IBM PC Pentium2.8G,120G高速硬盘,1GDDR内存的配置,由接口、总线以及专用板卡把系统其它部分联系起来,通过运动控制卡控制机械转台的起停、转速,通过图像采集卡从CCD摄像机采集图像。图像处理、数值计算等工作也都在主机上完成。
2三维激光扫描系统的工作原理
本系统z轴方向上固定摄像机和激光器,可以作上下移动,激光器固定于传感器中央,半导体激光器直接投射出线结构光到物体表面,与物体表面相交成一光条,激光器两旁固定两台摄像机用来摄取光条图像(如图2所示)。x轴和y轴方向可以作平行工作台的x、y方向移动。
三维激光扫描的基本思想是用具有特殊结构形状的激光光源投射到待测物体上,形成光条纹,然后用左右两侧的摄像机拍摄的图像提取激光条纹的三维信息,激光发生器和左右摄像机同步围绕被测物体旋转,从而快速获取被测物体表面的三维坐标数据。陕西科技大学计算机实验室三维激光扫描系统采用一套快速采集物体表面数据的硬件系统电路,与计算机相连即可实时处理来自左右摄像机输出的视频信号,获取被测物体的三维坐标数据。
工作时先确定扫描速度,根据零件大小确定扫描的轮廓等参数,然后在计算机控制下按一定的路径扫描,由摄像头获取的图片在计算机中经过细化、离散等处理得到空间的三维坐标点,最后对这些数据点云过滤、拟合生成三维图形。传感器前方固定了一个电控平移台,通过调整传感器的位置,保证投射光平面垂直于电控平移台的移动方向。在电控平移台上固定一个电控旋转台,扫描时,将被测物体放在电控旋转台上,计算机通过串口发送信号至控制箱,从而控制电控平移台和电控旋转台按照一定的运动流程移动或转动,形成光平面相对于物体的扫描运动,从而达到测量物体表面3D轮廓的目的。最后,系统中计算机接收数据采集器送来的物体外型轮廓线的原始数据和方位角数据,计算出物体轮廓线的三维坐标,按用户数控加工的要求输出精确的物体外形三维数据文件和三维数控加工文件。
3三维激光扫描系统的关键性技术研究
3.1摄像机标定
摄像机标定就是从CCD摄像机获取的图像信息出发来计算三维空间中物体的几何信息,并由此重建和识别物体。而空间物体表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的,这些几何模型参数就是摄像机参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到,这个过程被称为是摄像机标定。
摄像机标定一直是三维激光扫描系统乃至整个计算机视觉系统研究中的关键问题[2]。摄像机标定过程实际上是三维视觉模型重建的过程,也是确定摄像机外部参数(包括摄像机相对世界坐标的位置及方向的参数)和内部参数(包括内部几何参数及光学参数)的过程。其标定的目的是建立物体的三维世界坐标和计算机采集到与其对应的二维图像坐标之间的关系。这种关系的建立,使得我们可以通过采集的二维图像来恢复物体的三维信息。
目前,根据应用背景的不同[2-3],计算机视觉标定方法主要可以分为传统的摄像机标定方法和自标定方法:前者依赖于已知尺寸和形状的标定物计算摄像机内外参数,这个已知尺寸和形状的标定物称为标定标靶或者标定块。
一般而言,用于摄像机标定的标定块上的特征点的世界坐标已知(在实践中应该是容易测定的),特征点的图像坐标容易求取。后者利用摄像机在运动过程中周围环境的图像与图像之间的对应关系对摄像机进行标定。它是种新兴的标定方法,其渐渐成为计算机视觉领域的一个研究热点,有其独特的优势,在许多特定领域有广阔的应用空间,如通讯、虚拟现实等。
一般来说,传统摄像机标定方法应用在场合所要求的精度很高且摄像机的参数不经常变化时。自标定方法在标定过程中尚有不足之处,如在某些情况下,自标定技术得到的解不是惟一的,即使在图像噪声很小时,求解的值与实际值也有较大的差别,故不适合高精度的三维反求应用。
3.2测量精度
精度是决定一个测量系统的优劣的主要因素之一。影响三维激光扫描系统测量精度的因素较多[3],主要有离散误差、环境光背景噪声、特征提取的精度、镜头畸变(由于摄像机光学系统存在装配误差和加工误差,使得物体点在摄像机图像平面上实际所成的像与理想成像之间存在光学畸变,物体点在摄像机成像面上实际所成的像与理想成像之间存在有光学畸变误差)、标定误差、表面散斑、摄像头景深、图像中心偏移、图像信号的稳定性以及双摄像机的安装装置对精度的影响等方面。其中以标定误差、镜头景深(一般对景深影响的因素主
图2左右两侧的摄像机拍摄的激光条纹
要有光圈、摄距与焦距)的影响为最大。
鉴于以上各种因素的影响,为了提高三维激光扫描系统的精度[3,9],目前采用的措施有:图像的亚像素提取技术,提高视觉传感器的分辨能力(系统分辨率越高,越能真实反映物体表面细节,但是过高的水平和深度分辨率会对CCD摄像头和图像采集卡提出更高的要求,而过高的垂直分辨率会导致扫描时间过长或使同步扫描系统速度太快,由此而来,会使整个系统数据量太大,数据处理速度缓慢。因此,系统分辨率的确定必须考虑现有常用CCD和图像卡的分辨率及扫描系统的扫描速度);改进标定模型和标定方法降低标定误
差(主要是摄像机的标定);尝试不同的硬件和结构提高镜头的景深。
本人认为可以从以下方面考虑提高测量精度:从硬件上可以考虑通过采用分辨率更高的摄像机和选择更好的镜头,或者改进镜头的安装装置,或者考虑更多畸变因素的影响。从软件上可以改进算法使特征的提取达到亚像素级。
3.3散乱数据点的消除
在三维激光扫描过程中,由于杂散光、背景光或者CCD 内部产生的热噪声、电噪声、图像采集卡本身和信号在电子电路传输过程中带来的随机噪声,还有运行中其它一些意外因素的影响都会给采集的图像质量带来很大的影响,因此激光扫描到的数据点可能会重叠,也可能会有少部分的无用点,即噪声点,并且这些点都是没有规律且具有散乱数据点的性质。噪声点依据其性质可以分为两大类:一类是不想被扫描的物体而被扫描仪获取的点集;另一类是被扫描目标物体上位置有偏差或位置不合理的点集。前者应被删除,后者则应该侧重调整噪声点的位置。
另外,点的密度也在随着物体的梯度和CCD的位置而变化。由于这些不属于扫描实物的本身的数据也被记录到了数据文件中,必须先予以删除。从实际扫描数据的分析中发现[3-4],散乱数据一般都是孤立的数据点或数据点列,其周围缺乏必要的与其它数据点的联系,所以设计一个小型滑动窗,以每一个数据点为中心,调整一定的距离阈值,判断其相邻的数据行上的点是否在此阈值之内,如果在,则表明此数据点在物体扫描数据的聚集中,保留此数据点,反之,则删除。图3为在理想的数据点中添加了杂散点的坐标图[7],从图中可以看出,在圆周数据点周围含有一些杂散点,图4为经过了程序处理后的数据点坐标图。
3.4点云数据的压缩处理
在计算机领域中,压缩技术对于提高工作效率及降低硬
盘空间成本都是具有极其现实的意义。采用激光扫描法采集的数据量往往十分密集[9],数据量一般都在数兆字节,甚至达数十兆字节,即使处理了噪声点,数据量仍然很大,这样的数据通常形象的被称为“点云”数据。一般不会直接使用这些数据进行曲线或曲面的重构,因为那样做,会使计算效率大大降低,消耗更多内存,而且重构出的曲线、曲面的精度并不一定高,甚至误差会很大。
随着测量精度要求的提高,三维激光扫描仪获取的很多“点云”数目包含大量的冗余数据,因此要对“点云”数据进行筛选压缩处理。一般的筛选压缩方法就是设定一个最小距离[10],然后沿扫描线方向比较相邻两点的距离,小于阈值的就删除;还可以连接扫描线首末两点,从中间点中选取与两点距离最接近的点作为中断点,然后以第一点与中间点之间、中间点与最后一点之间重复上述过程,知道所求的距离小于某一固定阈值中止,将点排序即可。还有人采用了斜率法和曲率不连续法用于数据点的判断筛选,并应用到产品的设计开发中。例如:图5为从人体扫描数据中选取了一条曲率变化较为明显的扫描线原始数据的坐标图[10],图6为弦距阈值设为0.0003情况下的压缩效果。从图中可以看出,扫描线的曲率较好的保留了下来,而数据点的数目却大大的减少了。
4结束语
三维激光扫描技术是近年来研究的一个热点问题,由于该技术在我国刚刚起步,为实现研究的完整性,进一步提高整个系统的应用水平,包括测量速度、精度、操作方便性,以及彩色信息匹配的准确程度等,所以在以下方面还需要进一步完善和改进:
(1)进一步改进标定方法,对标定计算进行误差修正,提高系统三维测量的精度。
(2)做到系统小型化,能够自由携带。
(3)选配不同焦距的镜头以便适应不同大小及形状的扫描工件。
(4)应继续开拓视觉测量的应用领域。比如在线的质量控制,产品检测以及三维仿真等方面的应用。
但从需求上来说,三维激光扫描技术发展潜力是巨大的,它将朝着不断提高精度、灵活性、易用性的方向发展。
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选择越多的特征个数不一定其识别准确率也越高,需要在试验中选择合适的特征个数。同时,ICA的运算量较大,选择大量ICA特征个数其运算量显著增大,这也要求在实际中选择合适的ICA特征个数。
5结束语
本文提出的虹膜识别方法由图像预处理、特征提取和特征分类组成,预处理后的图像用ICA提取特征,然后用核向量机进行分类,实验证明样本识别的准确率较高。目前的实验中,我们对ICA特征的选取是用PCA方法选择较大的特征值对应的特征向量,但是大的特征向量易受噪声影响,下一步我们将考虑用遗传算法来进行ICA的特征选择。另外,将选用更大的虹膜数据库来进一步比较SVM与CVM的性能。此外,随着多分类器研究的发展,不同的分类器的错分样本不一定相同,如何使用两个或多个分类器的组合来获得更好的分类效果,也是下一步要研究的课题。
在目前的身份认证研究中,主要还是集中在单一的手段上,而多种身份认证技术的融合是生物特征识别领域发展的趋势。它不是多种识别结果的简单相加,而是在录入条件、认证效率等方面的有机结合。这无疑会提高识别系统的精度和可靠性,也是下一步要研究的方向。参考文献:
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瑞士徕卡三维激光扫描仪 产品型号:ScanStation c10 徕卡测量系统股份有限公司HDS高清晰测量系统部门是三维激光扫描解决方案的供应商,她是全球范围内将三维激光扫描技术应用于改建工程、细部测量、工程设计与咨询以及地形测量项目的领导者。其先进的高清晰测量扫描仪、软件以及“交钥匙”系统是高精度、确保投资回报、容易使用以及手段灵活的完美结合。除了这些产品之外,徕卡也向客户提供最全 面的客户服务和支持,并把客户介绍给业内最大也是经验最丰富的服务商网络。 徕卡测量系统的HDS产品家族包括:基于时间测量的HDS3000和ScanStationc10测量系统,基于相位测量的超高速系统HDS6000.这样的产品组合再结合Cyclone软件和CAD 插件Cloudworx,我们为用户提供完整的工程解决方案,用户可以获得符合徕卡品质的测量成果、完整的CAD工具集成、高精度的可提交成果以及海量工扫描数据管理能力。 徕卡ScanStation 全球第一个带有全站仪功能的三维激光扫描仪 全方位视场角 360°×270°双轴补偿±5′ 全站仪级别的单点测量精度 有效的测距范围 300米 模型表面精度±2mm 全新四大特点: 1、全方位视角:360°×270° 徕卡ScanStation c10全站式扫描仪能够扫描建筑的天花板或顶棚、桥梁下底面、架空管道支撑架、高大物体的立面、柱状或塔式建筑物。全站仪的视场角没有限制,因此,测量员和其它专业人员在安置徕卡ScanStation 全站式扫描仪时,不需为视场角问题费心劳神。 2、高精度双轴(倾斜)补偿器:双轴补偿±5′分辨率1” 比全站仪更加灵活和自由,徕卡ScanStation c10全站式扫描仪可以根据测量控制点完成高精度的导线测量,因为它使用了和徕卡全站仪一样高精度的双轴(倾斜)补偿器。 3、测量级的点位精度:模型表面的精度±2mm 和有些扫描仪通过“多次测量取平均”的方法达到测量级的精度不同,徕卡ScanStation c10全站式扫描仪测量的单点精度也能达到测量级的精度。在远距离扫描时,徕卡ScanStation c10全站式扫描仪的超精细扫描保证了标靶扫描的精度以及扫描拼接的精度,用户会切身体会到其中的好处。
【摘要】本文首先对三维激光扫描技术的理论、系统组成、工作原理进行分析,对三维激光扫描技术的特点进行总结,对三维激光扫描流程进行探讨,并对三维激光扫描技术的应用进行研究。 【关键词】三维激光扫描;应用;测量 引言 三维激光扫描技术是对激光测距技等原理进行利用并以此获得数据的一种新型技术,广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积测量等领域,具有一些优势,包括无需合作目标、精度较高、密度较高、效率较高以及全数字特征等。三维激光扫描技术能够真实描述扫描对象的整体结构,以及形态特性,能够迅速准确的生成三维数据模型,防止基于点数据的分析方法导致的片面性。把三维激光扫描技术和控制策略相互结合在一起,能够得到扫描目标的坐标。本文对有关三维激光扫描技术及其应用进行分析和探讨,不足之处,敬请指正。 1 三维激光扫描技术 三维激光扫描技术选用的是非接触式高速激光测量的方法,对相关物体几何数据及影音资料进行获取,最后利用后处理软件对数据进行处理和分析,转换成具有坐标系的三维空间坐标及模型,并能够用多种数据格式输出,满足空间数据库的数据源,以及三维激光扫描技术的不同应用需求。 1.1 系统组成 (1)三维激光扫描仪;(2)数码相机;(3)后处理软件;(4)电源以及附属设备。 1.2 工作原理 三维激光扫描技术利用设备内部的激光脉冲发射器,向相关目标物体发射一束激光脉冲,通过反光镜旋转,发射出的激光脉冲扫描目标,信号接收器接收反射回来的激光脉冲,对相关数据进行记录,包括每个激光脉冲从发射到被测物表面,然后返回设备所经过的时间,以此获取目标到扫描中心的距离,除此之外扫描控制模块对每一个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β进行控制,最后经过后处理软件自动解算,得出目标的相对三维坐标,也就是云点,经过转换后,在绝对坐标系中表现为三维空间位置坐标或者模型。 1.3 三维激光扫描技术的特点 三维激光扫描技术的特点,可以总结为高精度、高速度、高分辨率、非接触式以及优良的兼容性等优势,甚至称之为测绘领域继gps技术之后的一次具有影响力的技术革命。利用和传统测量技术进行对比,包括全站仪、近景摄影测量以及航空摄影测量等,具体而言具有以下特点: (1)非接触式 三维激光扫描技术是一种非接触式的高速激光测量手段,无需布置反射棱镜,直接扫描目标体即可,通过对目标体表面云点的三维坐标数据进行采集。假如被测目标处于环境恶劣、人员甚至无法到达现场的情况,常规测量技术无法胜任此项任务,那么三维激光扫描技术的优势就被凸显出来。 (2)数字化程度较高、可扩展性 三维激光扫描技术所获取的数据均为数字信号数据,具有较高的数字程度,处理起来较为简便,可以便利的用于数据的分析、输出以及显示,后处理软件人机友好的用户界面,可以和其它软件及时进行数据共享,能够和外接数码相机、gps等设备相互配合使用,从而拓宽了各自的应用范围,因此三维激光扫描技术具有较好的可扩展性。 (3)高分辨率 三维激光扫描技术的分辨率较高,能够方便快捷的采集高质量、高密度的数据,这是高
三维激光扫描系统 基本介绍 三维测量可定义为“一种具有可作三个方向移动的探测器,可在三个相互垂直的导轨上移动,此探测器以接触或非接触等方式传送讯号,三个轴的位移测量系统经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标(X、Y、Z)及各项功能的测量”。三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。 应用领域 机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型等测量高精度的几何零部件以及测量复杂形状的机械零部件。 三维测量技术的应用领域: 最近几年,三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟,目前三维扫描设备也逐渐商业化,三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体,不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据。这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。因此,其已经成为当前研究的热点之一,并在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。 (1)测绘工程领域:大坝和电站基础地形测量、公路测绘,铁路测绘,河道测绘,桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。 (2)结构测量方面:桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量;管道、线路测量、各类机械制造安装。 (3)建筑、古迹测量方面:建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量、文物修复,古建筑测量、资料保存等古迹保护,遗址测绘,赝品成像,现场虚拟模型,现场保护性影像记录。 (4)紧急服务业:反恐怖主义,陆地侦察和攻击测绘,监视,移动侦察,灾害估计,交通事故正射图,犯罪现场正射图,森林火灾监控,滑坡泥石流预警,灾害预警和现场监测,核泄露监测。 (5)娱乐业:用于电影产品的设计,为电影演员和场景进行的设计,3D游戏的开发,虚拟博物馆,虚拟旅游指导,人工成像,场景虚拟,现场虚拟。 三维测量方式 1)将被测物体置于三坐标测量空间,可获得被测物体上各测点的坐标位置,这项技术就是三坐标测量机的原理。三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一,可以替代多种表面测量工具,减少复杂的测量任务所需的时间,为操作者提供关于生产过程状况的有用信息。
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GPS之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 three-dimensional laser scanner to extract Surface crack ZHANG 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, following 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 https://www.wendangku.net/doc/f11059260.html,ing three-dimensional laser scanner and digital image technology to extract 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 field of surface deformation monitoring. Key words: Three-dimensional laser scanning technology,Point cloud data processing,Digital Filter,Cracks information extraction 0 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
甘肃启奥地理信息工程服务有限公司 三维激光扫描仪 使用规范 二零一二年十二月
三维激光扫描仪以其长距离,高精度,快速度数据扫描的特点,能在条件恶劣,人员无法抵达的环境里,完成了一系列高难度、高强度的测绘任务,发挥出了其独有的优势,给我们测绘带来前所未有的效益。在使用RIEGL VZ-1000近一年半的时间里,我们也总结了很多经验,我将此仪器的常规操作做一简要总结,作为基本的使用规范: 一、外业基础工作 1.配件及外业准备工作 三维激光扫描仪外业测绘所需配件有:RIEGL VZ-1000主机、充电器、电瓶、电瓶充电器、数据线、电源线、笔记本电脑(电池,鼠标等)。 辅助设备:RTK1+1模式、仪器箱、内六方扳手、背包(仪器保护小棉袄)、木质脚架,简易脚架、记录本、觇板、反射贴片,卷尺等。 2.充电 1)三维激光扫描仪自带电池直接可以充电,由于其自身的电池保护功能在电池电量没有完全用完的情况下,首先开机放电,让其正常耗电,电量小于10%以下,电量显示为红色,方可继续充电,否则无法充电。充电时间保持8小时以上。 2)电瓶充电时,必须严格按照正负极标注进行接线,严禁违规操作。接通电瓶充电器,绿灯亮后,在仪表盘上,电压设置12V,电流设置18A以上。充电时间保持10小时以上。 3)其余设备(RTK、笔记本电脑、对讲机等)按正常标准充电,
充分保证野外工作的顺利经行 3.外业数据采集 1)找到合适的仪器架设位置后,固定脚架,使其基本平整,将扫描仪固定到脚架上,拧紧连接螺旋。先连接数据线(注意卡口,切记野蛮连接),如果需用电瓶供电,再连接电源线缆。打开供电按钮,启动一起,同时启动电脑。在距离扫描仪15米左右视野开阔的地方,固定简易脚架,设置反射贴片位置,并记录反射贴片高度,反射贴片正对扫描仪。 2)扫描仪开机后,仪器下方出现激光束投射到地面上,找准激光位置,做好标记,量取仪器高并记录(激光投射地面点到脚架基座的高度,单位m)。 3)笔记本启动后,桌面上点击图标,启动软件,进入软件操作界面(见图1)。 图1 软件操作界面
三维激光扫描仪 2.1三维激光扫描仪研究背景 自上个世纪60年代激光技术已经开始出现,激光技术以其单一性和高聚积度在20世纪获得巨大发展。实现了从一维到二维直至今天广泛应用的三维测量的发展,实现了无合作目标的快速高精度测量。而且数字地球,数字城市等一系列概念的提出,我们可以看到:信息表达从二维到三维方向的转化,从静态到动态的过渡将是推动我国信息化建设和社会经资源环境可持续发展的重要武器。目前,各种各样的三维数据获取工具和手段不断地涌现,推动着三维空间数据获取向着实时化、集成化、数字化、动态化和智能化的方向不断地发展,三维建模和曲面重构的应用也越来越广泛[1]。传统的测绘技术主要是单点精确测量,难以满足建模中所需要的精度、数量以及速度的要求。而三维激光扫描技术采用的是现代高精度传感技术,它可以采用无接触方式,能够深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作。可以直接获取各种实体或实景的三维数据,得到被测物体表面的采样点集合“点云”,具有快速、简便、准确的特点。基于点云模型的数据和距离影像数据可以快速重构出目标的三维模型,并能获得三维空间的线、面、体等各种实验数据,如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。 其中,地面三维激光扫描技术的研究,已经成为测绘领域中的一个新的研究热点。它采用非接触式高速激光测量的方式,能够获取复杂物体的几何图形数据和影像数据,最终由后处理数据的软件对采集的点云数据和影像数据进行处理,并转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型,能以多种不同的格式输出,满足空间信息数据库的数据源和不同项目的需要。目前这项技术已经广泛应用到文物的保护、建筑物的变形监测、三维数字地球和城市的场景重建、堆积物的测定等多个方面。 2.2 三维激光扫描技术研究现状 2.2.1 主要的三维激光扫描仪介绍 随着三维激光扫描技术研究领域的不断扩大,生产扫描仪的商家也越来越多。主要的有瑞士Leica公司,美国的FARO公司和3D DIGITAL公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、法国MENSI公司、中国的北京荣创兴业科技发展公司等。这些扫描仪在扫描距离、扫描精度、点间距和数量、光斑点的大小等指标有所不同[2]。主要的分类见图1-1和表1-1。
三维激光扫描技术 三维激光扫描技术 三维激光扫描技术又被称为实景复制技术,作为20 世纪90 年代中期开始出现的一项高新技术,是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命,通过高速激光扫描测量的方法,大面积、高分辨率地快速获取物体表面各个点的(x.y.z)坐标、反射率、(R.G.B)颜色等信息,由这些大量、密集的点信息可快速复建出1:1的真彩色三维点云模型,为后续的业处理、数据分析等工作提供准确依据。具有快速性,效益高、不接触性、穿透性、动态、主动性,高密度、高精度,数字化、自动化、实时性强等特点,很好的解决了目前空间信息技术发展实时性与准确性的颈瓶。它突破了传统的单点测量方法,具有高效率、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据,因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型,主要通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据,大量的空间点位信息。是快速建立物体的三维影像模型的一种全新的技术手段。三维激光扫描技术使工程大数据的应用在众多行业成为可能。如工业测量的逆向工程、对比检测;建筑工程中的竣工验收、改扩建设计;测量工程中的位移监测、地形测绘;考古项目中的数据存档与修复工程等等。 三维激光扫描原理 三维激光扫描仪利用激光测距的原理,通过高速测量记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息,可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点,因此相对于传统的单点测量,三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。 三维激光扫描技术引入建筑工程的意义 随着三维扫描技术的发展与成熟,它很快成为空间数据获取的一种重要技术手段,并在很多行业引起技术性变革的热潮。目前,国建筑行业处于变革的阶段,BIM在我们从事的行业中引爆,但是都处于一种建模,碰撞分析,检测等方面,但都没有深入衔接现实,忽略施工工地数据流与建筑信息模型间的流通转化,何谈运维,所以bim模型去哪了?并没有贯穿到bim 的全生命周期中去。三维激光扫描技术在BIM中的应用是最基础的一个重要环节,对现场实际数据的采
三维激光扫描仪使用说明 1、三维激光扫描原理 Trimble GX200三维激光扫描系统由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台,数据处理平台及电源和其它附件设备共同构成,是一种集成了多种高新技术的新型空间信息数据获取手段。地面三维激光扫描系统的工作原理:首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号,经过旋转棱镜,射向目标,然后通过探测器,接收反射回来的激光脉冲信号,并由记录器记录,最后转换成能够直接识别处理的数据信息,经过软件处理实现实体建模输出。 2、三维激光扫描工作流程 应用三维激光测量技术采集数据的工作过程大致可以分为计划制定、外业数据采集和内业数据处理三部分。在具体工作展开之前首先需要制定详细的工作计划,做一些准备工作,主要包括:根据扫描对象的不同和精度的具体要求设计一条合适的扫描路线、确定恰当的采样密度、大致确定扫描仪至扫描物体的距离、设站数、大致的设站位置等等;外业工作主要是采集数据:主要包括数据采集、现场分析采集到的数据是否大致符合要求、进行初步的质量分析和控制等等;内业数据处理是最重要也是工作量最大的一环,主要包括:外业采集到的激光扫描原始数据的显示,数据的规则格网化,数据滤波、分类、分割,数据的压缩,图像处理,模式识别等等。 3、三维激光扫描仪用途 目前Trimble GX200三维激光扫描仪的主要用途为工程测量、地形测景、虚拟现实和模拟可视化、矿区土方开挖断面和体积测量、工业制造、变形测量、加工检测、施工控测、事故调查、历史古迹的调查与恢复,以及特殊动画效果的测量等。 4、本校对三维激光扫描仪主要用途说明 本校对Trimble GX200三维激光扫描的主要用途有如下三个方面: (1)本科生可以运用三维激光扫描仪进行相关的教学实验,用于建立简单的建筑物模型,了解外业操作和内业数据处理的基本方法,使自己掌握先进的测量仪器,拓宽自己知识面,为以后进一步的研究打下基础。 (2)硕士研究生可以结合本专业情况运用三维激光扫描仪进行各种实验项目,例如可以在变形监测方面运用仪器进行相关实验,获得测量数据进行相关的后续研究。 (3)博士研究生可以更深入对三维激光扫描系统进行理论研究。例如三维激光扫描仪工作原理的研究,相关数据处理软件的研究和开发,三维激光测量系统理论方法的研究等。
地面三维激光扫描测量技术及其应用分析 宋宏1,2 (1.武汉大学测绘学院 武汉 430079;2.中煤航测遥感局 西安 710054) 摘 要:三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。目前许多发达国家已将这一先进技术用于空对地观测及工业测量系统,快速获取特定目标的主体模型,我国在863计划中也重点支持了这一研究方向。本文论述地面三维激光扫描技术的原理分类和应用现状,比较了相关技术方法之异同,评价了地面扫描仪优缺点,指出该技术面临的诸多挑战。 关键词:三维激光扫描技术 LIDAR激光雷达 地面激光扫描仪 近景摄影测量 三维建模 1 引言 激光扫描系统平台分为机载和地面两大类型。地面三维激光扫描系统,与激光测距技术点对点的距离测量不同,激光扫描技术的发展为人们在空间信息获取方面提供了全新的技术手段,使人们从传统的人工单点数据获取变为连续自动获取批量数据,提高了量测的精度与速度。 2 地面三维激光扫描技术的基本原理,仪器技术指标和分类 2.1 三维激光扫描仪测量原理 径向三维激光扫描仪是一种集成了多种高新技术的新型三维坐标测量仪器,采用非接触式高速激光测量方式,以点云形式获取地形及复杂物体表面的阵列式几何图形的三维数据。仪器要包括激光测距系统、扫描系统和支架系统,同时也集成CCD数字摄影和仪器内部校正等系统。典型的径向三维激光扫描仪有很多,如Optech ILRIS-36D、Leica HDS 3000、Mensi GX RD 200+等。 目前三维激光扫描仪主要采用TOF脉冲测距法(Time of Flight),是一种高速激光测时测距技术,采用脉冲测距法的三维激光点坐标计算方法,如式(1)所示。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S,精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。三维激光扫描测量一般使用仪器内部坐标系统,X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直。由此可得三维光脚点P 坐标(X s,Ys,Zs)的计算公式: 图1三维激光扫描系统工作原理 图2 采用脉冲测距法的三维激光点坐标 2.2 地面扫描仪技术指标 1) 典型的地面三维激光扫描仪毫米级精度仪器见表1。 表1:中远距离的毫米级仪器装备主要技术指标 生产厂家 Optech Leica Mensi 产品 ILRIS-36D HDS3000 GX RD200+ 激光安全性 Class 1 1500nm Class 3 Class 3 532nm 距离精度 7mm@100m 单点4mm@50 单点7mm@100m 定位精度 8mm@100m 6mm@50 单点12mm@100m
浅谈三维激光扫描技术原理及应用 摘要:三维激光扫描技术是—种新型的测绘技术,被称为“实景复制技术”。本文介绍了三维激光扫描仪的系统分类、基本原理、技术特点,探讨了三维激光扫描技术的应用。 关键词:三维激光扫描技术工作原理技术特点应用 1、引言 近年来,随着工程测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求,传统的测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和“逆向工程”的需要。相比这些传统的测量技术,三维激光扫描技术具有极大的技术优势,特别是在数据采集方面,具有高效、快捷、精确、简便等特点,被广泛的应用于各个领域。 2、三维激光扫描技术 随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这项国际上近期发展的高新技术已经引起了广大科研人员的关注。这种技术采用非接触式高速激光测量方式,来获取地形或复杂物体的几何图形数据和影像数据,最终通过后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理分析,转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或者建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型,既省时又省力,同时点云还可输出多种不同的数据格式,做为空间数据库的数据源和满足不同应用的需要。 2.1 三维激光扫描系统组成 整个系统通常由以下四部分组成:1)三维激光扫描仪;2)数码相机;3)后处理软件;4)电源以及附属设备。如图1: 图1 地面激光扫描仪系统组成与坐标系 2.2 三维激光扫描仪的分类 三维激光扫描仪按照扫描平台可以分为:机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。 三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具,按照其有效扫描距离可进行如下分类: (1)短距离激光扫描仪:其最长扫描距离不超过3m,一般最佳扫描距离为
三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用 三维信息获取技术,也称为三维数字化技术。它研究如何获取物体表面空间坐标,得到物体三维数字化模型的方法。这一技术广泛应用于国民经济和社会生活的许多领域,如在自动化测控系统中,可以测微小、巨大、不规则等常规方法难以测量物体。 随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现,人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法,在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟,新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量,GPS可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标,但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展,基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流,但它在由三维世界转换为二维影像的过程中,不可避免地会丧失部分几何信息,所以从二维影像出发理解三维客观世界,存在自身的局限性。因此,上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求,如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段,为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代,随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降,它在测绘领域成为研究的热点,应用领域不断扩展,逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。
使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型 三维激光扫描测量技术的特点 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性,采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据,能够对任意物体进行扫描,且没有白天和黑夜的限制,快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点,可以极大地降低成本,节约时间,而且使用方便,其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前,生产三维激光扫描仪的公司有很多,它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同,可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后,选用不同的三维激光扫描仪产品。
激光扫描仪是借着扫描技术来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器,激光扫瞄仪必须采用一个稳定度及精度良好的旋转马达,当光束打 ( 射) 到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。由于多面棱规位于扫瞄透镜的前焦面上,并均匀旋转使激光束对反射镜而言,其入射角相对地连续性改变,因而反射角也作连续性改变,经由扫瞄透镜的作用,形成一平行且连续由上而下的扫瞄线。 由于扫瞄法系以时间为计算基准,故又称为时间法。它是一种十分准确、快速且操作简单的仪器,且可装置于生产在线,形成边生产边检验的仪器。激光扫瞄仪的基本结构包含有激光光源及扫瞄器、受光感 ( 检) 测器、控制单元等部分。激光光源为密闭式,较不易受环境的影响,且容易形成光束,目前常采用低功率的可见光激光,如氦氖激光、半导体激光等,而扫瞄器为旋转多面棱规或双面镜,当光束射入扫瞄器后,即快速转动使激光光反射成一个扫瞄光束。光束扫瞄全程中,若有工件即挡住光线,因此可以测知直径大小。测量前,必须先用两支已知尺寸的量规作校正,然后所有测量尺寸若介于此两量规间,可以经电子信号处理后,即可得到待测尺寸。因此,又称为激光测规。 激光扫瞄仪在工业生产在线检测产品时,利用这种非接触式而不需停机,甚至设有自动警报及回馈控制等功能。测量范围从0.25 mm~457 mm之间,精度可达。 激光扫描的原理是什么? 原理比较简单,事实上和全息照片有着相同的原理,首先,需要将激光分成两束,一束光照射物件,一束直接照到底片上,使感光原件感光。从这是利用了从物体后部反射的激光束与物体前部反射的激光束所走过的距离不同,因此与直接照射的参考光束所形成的干涉条纹不同,而三维型激光扫描仪则记录了全部的条纹,也就记下了物体的立体形象,只要再用激光去照射全息图片,就可以显出物体的真面目。观看这样的图片时,只要改变观察的角度,就可以看到被前面物体挡住的部分,而且从这机关报照片中任意剪下一小块,都可从它看到物体的全貌,只是观察的窗口较窄,就好比从钥匙口看室内的情况一样。 三维激光扫描仪测控技术及回波信号处理方法的研究 近些年来,随着数字化技术的迅速发展,各种不同领域对于获取原始数据信息的需求也日益增多。其它相关技术如计算机、机械制造等的进步和发展,使人们获取信息的方法和技术变得多种多样。三维激光扫描技术是其中一种利用激光脉冲对物体表面进行扫描从而获取其表面特征信息的技术,它适用于中近距离的宽场景、大物体的快速高精度扫描,为建立场景的三维模型提供了必要而且准确的工具。通过与计算机的连接,三维激光扫描的后处理技术可以使扫描结果得到更为广泛的应用。本文对三维激光扫描仪的测控系统技术及通过对回波信号进行处理来提高测距精度的方法进行了深入的研究。首先介绍了三维激光扫描的特点以及国内外有关发展趋势、技术特点及难点等,根据系统要求对测控系统步进电机的细分驱
三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用三维信息获取技术,也称为三维数字化技术。它研究如何获取物体表面空间坐标,得到物体三维数字化模型的方法。这一技术广泛应用于国民经济和社会生活的许多领域,如在自动化测控系统中,可以测微小、巨大、不规则等常规方法难以测量物体。 随着信息技术研究的深入及数字地球、数字城市、虚拟现实等概念的出现,人们对空间三维信息的需求更加迫切。基于测距测角的传统工程测量方法,在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟,新型的全站仪可以完成工业目标的高精度测量,GPS 可以全天候、一天24小时精确定位全球任何位置的三维坐标,但它们多用于稀疏目标点的高精度测量。随着传感器、电子、光学、计算机等技术的发展,基于计算机视觉理论获取物体表面三维信息的摄影测量与遥感技术成为主流,但它在由三维世界转换为二维影像的过程中,不可避免地会丧失部分几何信息,所以从二维影像出发理解三维客观世界,存在自身的局限性。因此,上述获取空间三维信息的手段难以满足应用的需求,如何快速、有效地将现实世界的三维信息数字化并输入计算机成为解决这一问题的瓶颈。三维激光测量技术的出现和发展为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段,为信息数字化发展提供了必要的生存条件。20世纪90年代,随着三维激光扫描测量装置在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升及价格的逐步下降,它在测绘领域成为研究的热点,应用领域不断扩展,逐步成为快速获取空间实体三维模 型的主要方式之一。
使用国产地面激光扫描仪扫描的输电线三维模型 三维激光扫描测量技术的特点 三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性,采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据,能够对任意物体进行扫描,且没有白天和黑夜的限制,快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。它具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点,可以极大地降低成本,节约时间,而且使用方便,其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前,生产三维激光扫描仪的公司有很多,它们各自的产品在测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同,可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后,选用不同的三维激光扫描仪产品。
三维激光扫描系统 1.概述 三维光纤激光切割机是由专用光纤激光切割头、高精度电容式跟踪系统、光纤激光器以及工业机器人系统组成,对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔性切割的先进设备。三维机器人激光切割机设备广泛应用于金属加工、机械制造及汽车零部件制造等对3D工件有加工需求的生产中。 2.三维光纤激光切割机器人 (1)三维激光切割原理激光通过激光器产生后,由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上,使加工物品(表面)受到强大的热能而温度急剧增加,使该点因高温而迅速的熔化或者汽化,配合激光头的运行轨迹从而达到加工目的。 (2)光纤的选择根据金属板材的厚度不同,选用不同的光纤激光器功率,三维切割光纤激光器的功率一般分200W、300W、400W、500W与1000W等多种规格;对不同功率的激光器配备不同的冷却系统,以保障激光器的正常工作。同时要根据机械臂的工作半径和加工工件的大小选定合适长度的操作光纤传输激光,以满足客户切割要求。 (3)辅助气体的要求三维光纤激光切割机采用的辅助气体是99.99%的氧气,这样对切割的精度、速度和切割的断面效果有很大的帮助。 耗电耗材: 系统耗电:<8KW(根据选配激光器功率大小而异) 零星耗材:<0.5元/小时(包括高功率激光器水冷系统的滤芯、切割头气嘴和切割头保护镜片) 吹气费用:<6元/小时(以用纯氧辅助切割2MM内碳钢为例) 性能指标: 激光功率:200W/300W/400W/500W/1000(根据工件材质和料厚可选) 激光波长:1070NM 工作区域:半径2米的半球形工作区域(选配半径2米的机械手) 切割速度:0-15米/分钟(根据功率大小和工件材质与厚度可调) 供电电源:三相交流380V 用电功率: <8KW(根据选配激光器功率大小而定) 冷却方式:风冷/水冷(根据选配激光器功率大小而定) 切割头焦距:5-7英寸(根据工件厚度可选)
9.3三维激光扫描仪及其在地形测量中的应用 三维激光扫描仪是无合作目标激光测距仪与角度测量系统组合的自动化快速测量系统,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水平方向、天顶距、斜距、和反射强度,自动存储并计算,或得点云数据。最远测量距离可达数千米,最高扫描频率可达每秒几十万,纵向扫描角θ接近90o,横向可绕仪器竖轴进行360o全圆扫描,扫描数据可通过TCP/IP协议自动传输到计算机,外置数码相机拍摄的场景图像可通过USB数据线同时传输到电脑中。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。 目前,生产三维激光扫描仪的公司很多,典型的有瑞典的Leica公司、美国的3DDIGITAL公司和Polhemus公司、奥地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech 公司等。它们各自产品的测距精度、测距范围、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、激光点大小、扫描视场、激光等级、激光波长等指标会有所不同,可根据不同的情况如成本、模型的精度要求等因素进行综合考虑之后,选用不同的三维激光扫描扫描仪产品。图12-21是几种不同型号的地面三维激光扫描仪。 一、地面三维激光扫描仪测量原理 无论扫描仪的类型如何,三维激光扫描仪的构造原理都是相似的。三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪,配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜组成。激光测距仪主动发射激光,同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距,针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距,再配合扫描的水平和垂直方向角,可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。如果测站的空间坐标是已知的,则可以求得每一个扫描点的三维坐标。地面三维激光扫描仪测量原理图如图12-22所示。 地面三维激光扫描仪测量原理主要分为测距、扫描、测角和定向等4个方面。 1.测距原理 激光测距作为激光扫描技术的关键组成部分,对于激光扫描的定位、获取空间三维信息具有十分重要的作用。目前,测距方法主要有脉冲法和相位法。 脉冲测距法是通过测量发射和接收激光脉冲信号的时间差来间接获得被测目标的距离。激光发射器向目标发射一束脉冲信号,经目标反射后到达接收系统,
一、地面激光扫描系统 1、概述 地面激光扫描仪系统类似于传统测量中的全站仪,它由一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机,以及软件控制系统组成。二者的不同之处在于激光扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标,而是一系列的“点云”数据。这些点云数据可以直接用来进行三维建模,而数码相机的功能就是提供对应模型的纹理信息。 2、工作原理 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号,经物体表面漫反射后,沿几乎相同的路径反向传回到接收器,可以计算日标点P与扫描仪距离S,控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内,Y轴在横向扫描面内与X轴垂直,Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。进而转 换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。 3、作业流程 整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件、电源以及附属设备构成,它采用非接触式高速激光测量方式,获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型,以多种不同的格式输出,满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要。 (1)、数据获取 利用软件平台控制三维激光扫描仪对特定的实体和反射参照点进行扫描,尽可能多的获取实体相关信息。三维激光扫描仪最终获取的是空间实体的几何位置信息,点云的发射密度值,以及内置或外置相机获取的影像信息。这些原始数据一并存储在特定的工程文件中。其中选择的反射参照点都具有高反射特性,它的布设可以根据不同的应用目的和需要选择不同的数量和型号,通常两幅重叠扫描中应有四到五个反射参照点。 (2)、数据处理 1) 数据预处理 数据获取完毕之后的第一步就是对获取的点云数据和影像数据进行预处理,
三维激光扫描系统 适用材料:不锈钢、碳钢、合金钢、硅钢、钛合金等金属材料的三维切割。 应用范围:广泛应用于汽车制造、模具制造、医疗器械、五金、装饰、金属对外加工服务等各种制造行业。 产品结合汽车钣金覆盖件和底盘件的行业特点,采用工业机器人+光纤激光器的组合进行三维切割,耗材耗电总费用控制在每小时20元内。
采用用工业机器人代替五轴机床。工业机器人的重复定位精度比五轴机床稍低,约为±100uM,但完全满足汽车钣金覆盖件和底盘件行业的精度要求。而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价,减少了耗电系统费用和系统运行维护费用以及系统的占地面积。 用光纤激光器代替CO2激光器。光纤激光技术是近几年高速发展的激光技术,相比传统激光,具有更好的切割质量,更低的系统造价,更长的使用寿命和更低的维护费用,更低的耗电。光纤激光器的激光可以通过光纤传输,方便与工业机器连接,实现柔性加工。 耗电耗材: 系统耗电:<8KW(根据选配激光器功率大小而异) 零星耗材:<0.5元/小时(包括高功率激光器水冷系统的滤芯、切割头气嘴和切割头保护镜片) 吹气费用:<6元/小时(以用纯氧辅助切割2MM内碳钢为例) 性能指标: 激光功率:200W/300W/400W/500W/1000(根据工件材质和料厚可选) 激光波长:1070NM 工作区域:半径2米的半球形工作区域(选配半径2米的机械手) 切割速度:0-15米/分钟(根据功率大小和工件材质与厚度可调) 供电电源:三相交流380V 用电功率: <8KW(根据选配激光器功率大小而定) 冷却方式:风冷/水冷(根据选配激光器功率大小而定) 切割头焦距:5-7英寸(根据工件厚度可选) 机械手重复定位精度:±0.1MM 机械手保护等级:IP65 系统使用寿命:十万小时 系统保修:2年 系统选型: 1. 根据工件大小选配不同臂长的机械手。在置顶安装的情况下,机械手为半球面的工作区域,考虑到用户的实际加工情况和后期产品升级空间,建议采用臂长 2.01米的机械手,可达直径3米的半球形加工区域。
三维激光扫描仪分类及原理 地面三维激光扫描技术的出现是以三维激光扫描仪的诞生为代表,有人称“三维激光扫描系统”是继GPS (Global Position System)技术以来测绘领域的又一次技术革命。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术,又称为“实景复制技术”,是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新,将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。传统的大地测量方法,如三角测量方法,GPS测量都是基于点的测量,而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是大量扫描离散点的结合。三维激光扫描的主要特点是实时性、主动性、适应性好。三维激光扫描数据经过简单的处理就可以直接使用,无需复杂的费时费力的数据后处理;且无需和被测物体接触,可以在很多复杂环境下应用;并且可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。三维激光扫描技术作为目前发展迅猛的新技术,必定会在诸多领域得到更深入和广泛的应用。 对空间信息进行可视化表达,即进行三维建模,通常有两类方法:基于图像的方法和基于几何的方法。基于图像的方法是通过照片或图片来建立模型,其数据来源是数码相机。而基于几何的方法是利用三维激光扫描仪获取深度数据来建立三维模型,这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。 三维激光扫描仪的分类: 三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为:机载(或星载)激光扫描系统、地面型激光扫描系统、便携式激光扫描系统。 三维激光扫描仪作为现今时效性最强的三维数据获取工具可以划分为不同的类型。通常情况下按照三维激光扫描仪的有效扫描距离进行分类,可分为:(1)短距离激光扫描仪:其最长扫描距离不超过3m,一般最佳扫描距离为0. 6~1. 2 m,通常这类扫描仪适合用于小型模具的量测,不仅扫描速度快且精度较高,可以多达三十万个点精度至±0.018 mm。例如:美能达公司出品的VIVID 910高精度三维激光扫描仪,手持式三维数据扫描仪FastScan等等,都属于这类扫描仪。 (2)中距离激光扫描仪:最长扫描距离小于30 m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪,其多用于大型模具或室内空间的测量。
三维激光扫描技术的发展及应用 摘要:三维激光扫描技术是一种新型的测绘技术,被称为“实景复制”技术,是测绘领域继GPS开发之后后又一项技术革命,通过和传统的测量技术的比较,介绍了三维激光扫描仪的基本原理,技术特点,及其与传统测量比较的技术优势,特别是在数据采集方面,具有高效,快捷,精确,简便等特点,被广泛的应用于测绘行业各个领域。本文探讨了三维激光扫描技术在土地复垦领域的应用的优缺点,并且就瑞士Leica三维激光扫描仪及其数据处理软件Cyclone的操作流程进行探讨研究。本文主要介绍了三维激光扫描技术的工作原理、技术特点、主要应用和发展方向等几方面的状况,重点介绍三维激光扫描技术在工程测量领域的应用。 关键词:三维激光扫描定义,工作原理,技术特点,主要应用,现状发展趋势引言: 近些年来,随着测量服务领域的不断拓宽以及三维设计制造对测量精度的要求,传统的坐标测量仪器如全站仪、断面仪等已不能满足高精度的三维坐标采集和逆向工程的需要相比这些传统的测量技术,三维激光扫描技术具有极大的技术优势,特别是在数据采集方面,具有高效、快捷、精确、简便等特点,被广泛的应用于各个领域三维激光扫描技术。 主题 三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术,是测绘领域GPS 技术之后的又一次技术革命。它是从传统测绘计量技术并经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展的,是对多种传统测绘技术的概括及一体化。三维激光扫描系统一般由扫描仪、控制器(计算机)和电源供应系统三部分构成,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系统等。
1.工作原理 三维激光扫描测绘技术的测量内容是高精度测量目标的整体三维结构及空间三维特性,并为所有基于三维模型的技术应用而服务;传统三维测量技术的测量内容是高精度测量目标的某一个或多个离散定位点的三坐标数据及该点三维特性。前者可以重建目标模型及分析结构特性,并且进行全面的后处理测绘及测绘目标结构的复杂几何内容。如:几何尺寸、长度、距离、体积、面积、重心、结构形变,结构位移及变化关系、复制、分析各种结构特性等;而后者仅能测量定位点数据并且测绘不同定位点间的简单几何尺寸,如:长度、距离、点位形变、点位移等。 三维激光扫描测量原理:每一个扫描云点的测量都是基于三角测量原理进行的,并且根据激光扫描的传感驱动进行三维方向的自动步进测量。三角测量原理的实现是通过激光发射器发出的激光束经过反光镜(三角形的第一个角点)发射到目标上,形成反光点(三角形的第二个角点),然后通过CCD(三角形的第三个角点)接受目标上的反光点,最后,基于两个角度及一个三角底边计算出目标的景深距离(Y坐标),再经过激光束移动的反光点的位移角度差及Y坐标等计算出Z,X坐标。参见图4。 反光镜的作用在于将激光束进行水平偏转,以便实现激光水平方向的扫描测绘功能。扫描仪主体本身的周向自旋转功能可以实现纵向的扫描,每当水平扫描一个周期后,扫描仪主题将步进一次,以便进行第二次水平扫描,如此同步下去,最终实现对所有空间的扫描过程。 每扫描一个云点后,CCD将云点信息转化成数字电信号并直接传送给计算机系统进行计算。进而得到被测点的三维坐标数据。 扫描仪采用自动的、实时的、自适应的激光束聚焦技术(在不同的视距中),以保证每个扫描云点的测距精度及位置精度足够高。它可以工作在非常广域的照度下及各种复杂环境中进行操作。 根据目标大小及精度要求,徕卡可以把不同视点采集的点云信息经过拼接处理后合并到同一个坐标系中,合并办法是通过多个定标球来完成的。 操作员使用一个便携计算机便可在现场遥控操作。传感器中的视频微摄像机可以提供实时获取观测景象。