三维激光扫描技术在土地复垦中的应用研究Word文档下载推荐.docx
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2.1三维激光扫描技术4
2.1.1系统组成4
2.1.2工作原理4
2.1.3技术特点7
2.1.4应用领域8
第3章三维激光扫描坐标系10
3.1极坐标系10
3.2直角坐标系10
第4章三维激光扫描仪12
4.1三维激光扫描仪的分类12
4.2Leica.Cyclone.v7.0.2-RECOiL12
第5章三维激光扫描在土地复垦中的应用22
5.1沉陷监测22
5.1.1可行性22
5.1.2精度分析22
5.1.3参点的密度对求参精度的影响23
5.1.4小结23
5.2边坡变形监测24
5.3快速三维建模24
5.3.1测站设计24
5.3.2扫描25
5.3.3控制标靶中心的获取25
5.3.4坐标配准25
5.3.5建模25
第6章结论与展望26
6.1结论26
6.2未来与展望26
致谢27
参考文献28
第1章绪论
1.1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[1]。
1.2研究的背景与意义
当前，我国经济己由飞速发展转为持续稳定的增长，我们对经济发展的认识已由单一的追求经济增长转变为寻求经济、环境和社会的统一协调发展。
国家和社会对生态环境质量的改善也越来越重视。
土地的开发与整理已日益重要，三维激光扫描作为测绘领域的又一次技术革命，利用三维建模技术在土地复垦领域发挥着重大的作用。
1.3国内外研究现状
1.3.1现状分析
激光扫描技术由于具有获取信息量大、精度高、全数字化、环境适应性强等优点，获得了迅速发展，在基础测绘、工程测量、变形监测等领域开始得到广泛的应用[1]。
三维激光扫描仪已经成为测绘仪器发展的重要方向。
拓展三维激光扫描仪的应用范围，采用三维激光扫描仪提高现有测量手段的能力和精度成为测量领域的重要研究内容。
一般三维激光扫描仪直接得到的数据是目标点在扫描坐标系中的坐标[2]，对于不同的设站点，其数据的坐标系不同。
而在很多工程应用中，往往要求在不同的位置设站对目标物进行扫描，比如要获得某物体的完整三维模型，就需要在该物体周围至少设置3个站对其进行扫描，才能获得该物体全部表面的坐标数据，然后进行模型的重建。
由于三维激光扫描仪在不同的设站扫描，采用了不同的坐标系，而这些坐标系间的关系也是未知的，因此不同站的数据就无法直接放到一起进行后续处理。
一般的办法是对不同站间的数据进行拼接运算，对有重叠区域的扫描点坐标数据进行点云拼接，或在目标物体上设置已知控制点，通过坐标转换进行拼接，从而将不同站间的数据归算到某一定义的坐标系下[3]。
而对于某些工程应用来说，不仅需要不同站间的数据融合，而且还需要得到目标点的大地坐标，这样不仅需要对不同站的数据进行拼接运算，而且还要建立某一站的扫描仪坐标系与大地坐标系的关系[4]。
土地复垦是指人们通过采取工程措施或生物措施，将人为和自然灾害因素造成破坏废弃的各类土地重新恢复到所期望可供利用状态，并加以利用的一种活动。
国外早在上世纪初就开始对矿区土地进行复垦，但大规模、有计划、有目的的复垦研究工作也不过20多年历史，由于各国的自然条件不同、经济状况不同、土地状况各异，故各国有各国的复垦特色：
德国对煤矿土地复垦、保持农林面积、恢复生态平衡、防止环境污染等问题十分重视。
德国政府和威斯特伦政府法令规定“露天矿采空后要恢复原有的农、林经济和自然景色"
等条文，保证了复垦工作顺利开展。
前苏联土地复垦界认为土地复垦是在受工业影响的土地上，采取旨在有计划的创建和加速形成具有高生产力、高经济价值、最佳人工景观的采矿、生物、工程、土壤改良及生态学综合技术措施来恢复土地．其土地复垦整个过程分成工程技术复垦和生物复垦两个基本阶段。
1.3.2生产状况
第一个现代意义的激光扫描系统20世纪90年代美国俄亥俄州立大学制图中心（CPM）开发的GPSVan，它是一个可以自动和快速采集直接数字影像的陆地测量系统，稍后加拿大卡尔加里大学和GEOFIT公司为高速公路测量而设计开发了VISAT系统，它是一个机载激光扫描系统应用的实例；
荷兰测量部门自1988年进行了地面固定激光激光扫描测量技术提取地形信息的研究；
日本东京大学1999年进行了地面固定激光扫描系统的集成与试验，取得了良好效果，该大学正在着手开展较大规模的研究工作。
目前，一些测量设备公司已经推出了商用的三维激光扫描仪，如法如（FARO）公司推出的三维激光扫描系统LaserScanArm以及加拿大Optch公司推出的三维激光扫描仪等等[6]。
美国天宝公司等的三维激光扫描仪已经可以直接输出目标点的大地坐标。
国内激光扫描技术已经进行的研究主要侧重于原理样机的研制。
目前北京北科天绘公司研制出了TM系列的三维激光扫描仪，但还没有得到推广和应用。
该激光扫描仪只能获得目标点相对于扫描坐标系的坐标数据，无法得到目标点的绝对坐标。
经过近十年的迅猛发展，扫描仪硬件技术日趋成熟，绝大部分硬件技术问题已经得到了解决，市场上出现了不少商用三维激光扫描硬件系统，许多公司厂家都提供不同类型的扫描仪产品，其种类、功能和性能指标不尽相同，比如测程范围从1～1000m，测距精度从0.4,-,20mm，测量速度从100-400000点／等
目前我国复垦利用的土地还不到被破坏土地的1％，复垦率极低。
20世纪50、60年代有个别矿山自发地进行一些土地复垦工作，矿区土地复垦主要采用填埋、剥离、覆土等工程措施将废弃地改造成可耕种土地，实现矿区土地农业耕种目标。
而欧洲、北美等发展中国家矿山土地复垦率已超过50％在国外，矿山复垦是采矿业的一部分，采矿结束，复垦完毕，才能闭坑。
20世纪80年代，土地复垦才被真正得到重视，从自发、分散状态转变为有组织的复垦阶段，1989年1月1日生效实施的国务院《土地复垦规定》标志着我国土地复垦开始走上法制轨道。
国内的重型机械厂仍采用传统的人工测量方式，测量精度低、速度慢、劳动强度大。
因此，如何更好的运用三维激光扫描技术提高土地复垦效率成为一大难题。
1.4研究内容与方法
本篇论文研究的三维激光扫描技术在土地复垦中的应用研究，由于我国土地复垦率较之发达国家而言较低，精度要求也不够高，再者考虑到费用的问题，三维激光扫描在土地复垦中的应用少之又少，如何将三维激光扫描技术应用到土地复垦中去，三维激光扫描技术在土地复垦中已有哪些方面的应用,通过参考前辈专家学着的研究论述，案例分析，探讨和展望三维激光扫描的应用前景，将三维激光扫描这一先进技术更好的应用到我们的土地复垦发展中去。
第2章三维激光扫描技术及应用
2.1三维激光扫描技术
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起来的，是对多种传统测绘技术的概括及一体化。
2.1.1系统组成
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[6]。
2.1.2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。
视频摄像可以实时监测并遥视扫描过程，还可用来捕捉所需要的目标图象，以便后处理时的校准工作。
完整重建目标，仅仅从一个观测点扫描测绘目标数据是不够的，还必须在不同观测点进行扫描测绘，并且在同一个空间坐标系中合并后才能生成，MENSI技术提供了人工辅助的自动合并功能，只要在扫描目标前规划好扫描内容并且设置好定标球便可。
如图2-1。
如图2-2，将不同观测点扫描的点云内容在同一个空间坐标系中进行合并，然后在后处理软件功能模块中剪裁掉无关的部分，便得到所需的目标三维重建内容，接下来的工作是对点云质量进行处理（如图2-3），进行平滑、去噪、精度筛选、方差均值处理等，这样便得到可以用于各种应用目地的的工作如：
测绘、计量等，如果再经过三维建模处理后，就可以在需要三维实体模型为基础的各种工作中扮演角色，如：
可以转化给各种CAD软件进行处理、可转化给有限元分析软件进行各种应力分析处理、可转化给流体动力分析软件进行处理、可转化给检测软件进行结构分析检测用、可转化到三维设计软件中进行还原处理及逆设计逆向工程工作、可转化到虚拟现实软件进行三维可视化处理…，总之，基于点云及三维模型进行后处理加工的内容非常丰富，而且是目前很多领域的不可缺少的内容。
点云是由三维激光扫描的无数测量点数据构成的，而每个点坐标数据的质量都非常重要。
如图2-4所示，处理技术在于它可以点云数据进行优化处理，如：
基于精度分布形态来过滤噪音点或劣质点，从而提高重建目标的整体精度及质量。
2.1.3技术特点
激光扫描技术发展的重大突破为获取高分辨率地球空间信息提供了一种全新的技术手段，可广泛用于逆向工程、景观三维可视化、数字城市、军事侦察、测绘等领域的空间信息快速获取{7}。
激光扫描测量技术与传统测量技术相比有无法取代的优越性，如不受天气限制和非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据等。
激光扫描测量测量技术在测绘领域应用的迅速发展，为测绘行业带来一场新的技术革命。
（1）高数据采样率。
能高速获取大面积目标实体的空间信息。
LeicaScanStation2脉冲式激光扫描仪扫描速率50000点/秒，HDS6000相位式激光扫描仪扫描速率500000点/秒，应用激光扫描测量技术进行目标实体空间三维信息的获取速度非常快，可以实时测定实体表面三维信息，进而可以应用于形变监测等领域。
（2）实时性、动态性、主动性。
地面三维激光扫描系统通过主动发射激光信号，经反射棱镜发射和接收发射回来的激光信号来获得目标信息，不受外部光照、气压等条件的限制，能够全天进行实时观测。
（3）非接触性。
三维激光扫描系统是通过发射脉冲信号和接收被测物体反射回来的脉冲信号对目标表面的形态信息进行获取和量测的。
因而此过程中不需要人为的接触到被测量的物体，这使得该技术可以广泛应用于危险领域和测绘人员不可达到位置的测量等。
（4）穿透性。
激光具有一定的穿透性，能穿透不太浓密的植被等到达目标实体的表面，瞬间获取目标实体的表面大量点云信息，这些点云信息能描述目标表面的不同层面的几何信息。
（5）具有精度高、密度大的特点。
激光扫描测量技术能快速获取大面积的目标空间信息，通过对目标的直接扫描来描述目标特征，使用庞大的点阵和浓密的格网来获取目标信息，采样点之间的间距很小。
（6）激光扫描测量技术具有作业周期快，·
易于更新，而且时效性强等特点，同时直接获取数字距离信号，全数字特征。
2.1.4应用领域
由于三维激光扫描仪技术特别适合于对大面积的表面复杂的物体进行精细测量，所以其应用范围极广。
文物修复：
对受损的文物进行修复时，要求无接触测量，传统测量无法胜任，但现在可充分利用激光扫描仪的非接触测量特点以及高分辨率和高精度云点数据，获取建筑物表面的精细结构，提供修复数据，进行精细测量，对文物进行修复。
边坡变形监测：
三维激光扫描技术可以获取高密度，高精度的三维云点数据，因此，对边坡的变形监测能反映坡体的总体变形趋势和量级其操作过程是对边坡定期进行扫描，将前后两次扫描点云数据叠加在一起，然后由处理软件分析前后两次点云数据的差别，从而得出边坡的变形趋势和量级。
开采沉陷监测：
由于三维激光扫描技术具有快捷高分辨率高精度等特点在进行开采沉陷监测是，可以对地表的移动进行观测可以快速获得整个目标区域的空间位置及垂直相对位置的变化从而确定整个地表移动区域的下沉情况。
城镇地籍测量：
在以往的城镇地籍测量中，调查结果多为图件和报表形式，可用性差而三维激光扫描仪能够生成形象的三维图像，对获取的三维云点数据进行建模，方便在电脑上进行量测，精度也有了较大的提高当然，以上只是其部分应用由于其良好的技术优势，在逆向工程数字城市工业测量医学测量等不同领域均能得到很好的应用。
由于三维激光扫描技术具有良好的技术优势，已成为目前测绘领域的一个新的热点，虽然针对三维激光扫描系统的应用研究还处于初级阶段，但已在工程建设中得到了很好的应用随着研究的深入及与其他测量技术的结合，三维激光扫描技术的应用将更加广泛。
第3章三维激光扫描坐标系
3.1极坐标系
根据三维激光扫描仪的工作原理，扫描仪记录点在空间中的坐标的方式为：
以扫描仪中心为原点，通过激光脉冲测距的方法测量目标点到扫描仪中心点的距离，通过X电机和Y电机测量各个目标点对应的激光束在空间中的角度位移，以极坐标的形式记录目标点相对于扫描中心的三维位置。
其中X电机测角平面近似为水平面，Y电机测角平面近似为垂直面，X电机测角平面和Y电机测角平面互相垂直。
如图3-1所示，点O为扫描仪的中心，点P为测量目标点，点'
P为点P在X电机测角平面上的投影，点"
P为点P在Y电机测角平面上的投影。
角β为X电机测角平面上的电机测得的角度，角α为Y电机测角平面上电机测得的角度。
1
3.2直角坐标系
三维激光扫描仪最终输出的点坐标形式是直角坐标，因此需要将直接记录的点的极坐标转化为直角坐标系中的坐标。
每一个三维激光扫描仪都有定义的自身直角坐标系。
扫描仪直角坐标系与极坐标系的关系为，以极坐标原点为原点，以X电机0角度方向为X轴正方向，以Y电机0角度方向为Y轴正方向，Z轴与Y轴和X轴成右手坐标系。
假设目标点P的空间极坐标为（ρ,α,β），角α与角β的意义如上所述，在扫描仪直角坐标系中的坐标为（x,y,z）。
如图2.2所示，点O为扫描仪直角坐标系的中心，点P为测量目标点，点'
P为点P在XOZ平面上的投影，点"
P为点P在YOZ平面上的投影。
在图3-2中，'
P在OX轴上的垂足x、"
P在OY轴上的垂足y、"
P在OZ轴上的垂足z，就是点P在直角坐标系中的坐标。
第4章三维激光扫描仪
4.1三维激光扫描仪的分类
（1）根据激光的扫描平台的不同,可分为:
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。
（2）根据扫描系统的测量原理的不同,可分为:
基于时间调制法测量方法;
基于空间调制法测量方法。
4.2Leica.Cyclone.v7.0.2-RECOiL
操作流程如下：
（1）运行Cyclone；
（2）添加服务器文件夹：
将服务器的名称默认为文件夹的名称；
（3）创建一个空的数据库，命名为Taihedian；
（4）加载ptx文件，依次加载06.ptx，08.ptx，10.ptx，13.ptx到Taihedian；
手动配准过程如下：
（1）首先检查原数据的精度；
（2）在导航条中，在工程目录下创建配准目标，一般为两个；
（3）在导航视窗中，运行Cyclone软件；
（4）在以计算机名称命名的服务器下建立数据库，并命名为Taihedian；
（5）对数据库中加载预配准的*.ptx格式文件；
（6）创建ScanWorld；
（7）双击打开配准视窗；
（8）添加需配准的ScanWorld，并设置其中一个为主ScanWorld；
（9）运行点云约束向导；
（10）选择后点击更新，在ControlSpaces中加载点云；
（11）用多选模式功能手工添加ScanWorld间的约束，然后进行配准；
（12）开始配准；
（13）在配准视窗中，批准精度显示如下：
（14）创建并打开模型空间ModelSpace；
（15）在导航视窗中，创建并打开模型空间如下：
自动点配准
（1）用靶标点自动配准，其精度显示如下：
面配准
（1）在模型空间创建ModelSpace视窗并打开；
在ModelSpace中创建同名面
（2）在ControlSpace中可以查看同名面
用特征面匹配的结果
关于配准的几点说明
ControlSpace：
与ModelSpace功能相似，用于观察、组织、移除对象；
除此之外，也可用于手动来添加约束[8]。
ControlSpace为默认生成，不能移动位置，复制，或者删除。
用于显示控制点，或同名面。
ModelSpace：
与ControlSpace不同的是，ModelSpace既可用于对点云移动位置，也能调整大小；
ControlSpace的配准结果不能进行下一步配准[9]。
ScanWorlds：
在此目录下选择进行配准的对象，用AddScanWorld按钮来完成。
提供各种视图供察看。
讨论：
实验描述：
手动选点配准与面配准使用06，08站的数据，无靶标点
自动点配准使用10，13站的数据，有靶标点
精度比较结果如下：
精度范围（m）
精度平均值（m）
手动选点配准
0.013
0.000-0.003
0.001
0.012-0.029
0.020
另外，增加混合配准，其结果优于其单项配准结果。
第5章三维激光扫描在土地复垦中的应用
5.1沉陷监测
由于三维激光扫描技术具有快捷，分辨率，高精度等特点在进行开采沉陷监测是，可以对地表的移动进行观测可以快速获得
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