三维激光扫描技术在工程中的应用研究.docx
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三维激光扫描技术在工程中的应用研究
1绪论1
1.1选题背景1
1.2国内外研究现状1
1.2.1相关领域国内外技术现状、发展趋势1
1.2.2研究意义2
1.2.3可行性分析3
1.3本文研究的内容和目标4
1.3.1研究目标4
1.3.2研究与开发的主要内容4
1.3.3课题研究技术路线4
1.3.4课题技术关键点4
2研究内容情况技术分析5
2.1硬件配置5
2.2工作原理7
2.3点云技术的后处理流程9
3三维激光扫描技术经济效益及前景分析15
3.1技术经济效益分析15
3.2推广前景分析18
3.3对公司提高经营业绩的作用19
4已经取得的成果及其应用与展望20
4.1取得的研究成果25
4.2成果应用情况26
4.3对公司提高经营业绩的作用27
1绪论
1.1选题背景
继GPS技术之后，一门享有“实景复制技术”之称的精度高、速度快、接近原形的三维激光扫描技术掀起了国际测绘领域的又一次技术风暴。
该项高新技术强有力地推动了测绘技术的发展，被广泛地应用于工程领域，引起了国内外测绘领域的强烈关注。
因此，深入研究该项技术及其应用对工程测绘领域的拓展具有深远影响。
如何快速、准确、有效地获取空间三维信息，是许多学者深入研究的课题。
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，尤其在当今以计算机技术为依托的信息时代，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。
1.2国内外研究现状
1.2.1相关领域国内外技术现状、发展趋势
（1）国外三维激光扫描技术发展现状、发展趋势
上世纪90年代初期著名的IBMR，是基于图片信息的建模和表现，直接输入一组实物的照片，然后通过合成新的视点图像，不显示地建立该实物的三维模型。
这种方法的成本低，被广泛应用在三维场景的虚拟漫游中。
但由于该技术缺少准确的几何模型和三维信息，因此在立体感和真实感要求较高的应用领域并不实用。
1997年加拿大国家研究理事会将激光扫描仪和CCD相机固定在一个小车上，形成自己的硬件扫描平台，构件了一个数据采集和配准系统，并在此基础上实现了一个室内场景的三维建模系统。
2001年在对室内真实场景建模的同时，还提供了对事物模型进行移动和编辑的功能。
2002年实现了一个完整的激光三维建模系统，在利用激光扫描得到三维数据的同时，使用摄影设备获得建筑物的深度图像和彩色图像。
在国外激光技术是研究的热点。
上世纪末，美国的CYRA公司和法国的MENSI公司率先将激光技术发展到三维测量领域，到2000年的时候美国宇航局就已经将激光技术应用在设计加工过程中。
国外很多国家已经将成熟的微距和短距离三维激光扫描技术广泛地应用于机器人三维可视化、医学研究与临床诊断治疗、工业产品的模具设计和制造等方面，如汽车模型制造、零件的快速成型工艺等领域。
（2）国内三维激光扫描技术发展现状、发展趋势
国内一些单位主要将三维激光扫描技术应用于汽车车身、工业零件等小型物体的三维重建方面。
近来，在古建筑修复测绘与文物考古领域也一系列的实践工作，如针对背景故宫博物馆开展的古建筑数字建模项目。
该项目利用三维激光扫描技术、摄影测量技术和传统古建筑测量方法结合，在深度和广度上为下一步修复工作提供准确的一手资料。
1.2.2研究意义
现代科技日新月异，信息技术飞速发展，现代工程测绘技术有了突破式的飞跃。
其中，三维激光扫描技术改变了传统接触性单点测量方法，除能够高精度全面重建扫描的实物外，还可以从扫描实物中，自动快速采集逆向三维数据，通过重构模型获得真实可靠的原始测绘数据。
具有数字化、高分辨率等独特优势，非传统测绘技术能企及，应用前景十分广阔。
建筑物的保护、维修需要完整的基层资料，传统的测绘、测量手段需要花费大量的人力时间的投入，同时受到多种因素的影响，其完整度和准确性也存在一定的局限。
随着计算机技术的快速发展以及各种新技术的不断推出，将三维激光扫描技术应用在工程变形监测和保护中，能对相应的建筑物进行数字化处理并建立三维模型。
我们可以在三维立体模型上对任意点、尺寸进行测量，还可有效地进行测量精度分析，对于特征数据都能直接提取。
传统测绘利用简单的直尺、经纬仪等主要工具，以简单测量采集离散点为主，通过准备、勾画草图、测量、整理数据、制图、校核，成图、存档等步骤对整体结构比较规则的实物进行测量；而三维激光扫描技术用云数据测量的方法，与传统测量方法相比，差异性体现在：
首先将大量的点分布在测量物体表面，继而得到大量的复杂的且不规则的实景三维数据点集合，通过点集合能快速重构出目标的三维点云模型，测量面精确性高。
三维激光扫描测量物体性能独特优异，首先是无接触点测量，运用该技术无论测量扫描危险目标、环境时，还是测量柔性或作业人员难以企及的目标，既无需反射棱镜，也无需进行任何表面处理就可以直接采集物体表面完全真实可靠采样率高的三维数据；其次，能力强，摆脱了时空、外部光照气压等条件制约，获取数据主动性强、实时性强。
再次，测速快，通过制定周密的测绘方案，就可以获取详细描绘物体细节的大量数据。
最后，高密度、高精度和自动化，信息具有全数字化的特征，易于传输、加工、表达。
点云数据既能以坐标测量、切片浏览、表面处理和三维建模等方式满足测量者的需求，又能将数据模型发布在互联网上。
1.2.3可行性分析
（1）课题实施的人员组成
课题实施小组已经成立，小组人员的学历层次较高、专业人员较多，其中包括建筑学、城市规划、结构工程、机械自动化、建筑施工、安装工程等各专业专家和科研人员。
除此之外，还将聘请国内三维激光扫描方面知名学者和专家组成本次课题的顾问小组，作为本次课题实施的坚强后盾。
（2）课题实施的技术准备
课题组已经初步对技术难题进行了分析，对国内外三维激光扫描方面资料进行了收集，并咨询了国内权威专家的意见。
（3）课题实施的经费准备
实施课题的经费拟采取项目自筹+总公司科技创新项目预算。
1.3本文研究的内容和目标
1.3.1研究目标
针对在工程中的的应用要求，提出后处理软件的系统设计方案，并编制软件实现部分功能，对软件的数据结构和操作流程进行总结，为类似工程提供参考依据。
1.3.2研究与开发的主要内容
（1）三维激光扫描技术在工程中软硬件设备，包括系统的基本组成。
（2）三维激光扫描技术在工程中的工作原理，尤其在土木工程领域的应用，对系统的误差和精度进行了简单的分析，并对各种算法的结构进行分析。
（3）根据点云技术后处理的基本流程，结合在土木工程领域的需求，提出后处理软件的系统设计方案，并编制软件实现部分功能，对软件的数据结构和操作流程进行了简要介绍。
1.3.3课题研究技术路线
结合具体项目调研，国内外案例资料研究及与本公司近年有关三维激光扫描的成果，利用资料、案例、数据分析，总结规律及使用方法，研究三维激光扫描技术的发展历程、发展趋势及与城市建设、社会经济发展、技术水平等之间的关系。
研究采用理论及文献研究，公司案例研究，实地考察研究，实例分析与归纳及对比研究等研究方法，调研了重庆、成都、杭州、深圳、武汉、广州、北京等十余个典型城市的近五年上千个典型项目及本公司近五年的大量工程实例，使成果具有全面性和时效性。
1.3.4课题技术关键点
由于国内目前缺乏系统研究三维激光扫描技术在工程中应用的资料及成果，本课题的研究对此是一项突破。
从课题研究的广度和系统性角度，三维激光扫描技术着眼于为工程监控、三维建模提供全过程的完整系统监控、编制流程体系。
建立典型项目数据库以及数据库资料检索系统。
2研究内容情况技术分析
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，这是高分辨率数据的基础。
（4）广泛的应用
三维激光扫描技术的技术优势，使得其在工程建设等领域具有广泛的应用，还具有较强的环境适应性。
2.1硬件配置
（1）ILRIS-3D激光扫描仪是由加拿大Optech公司生产的,是一台完整、完全便携式的激光影象与数字化的测图系统,可用于商业、工程、采矿和工业市场。
系统由高度集成化的数字影象获取和复杂的软件工具所组成,它完全是面向21世纪的商业用户的产品。
一是一台无须专门训练的外业用仪器。
大小只相当于一台全站仪,装有600万象素的数码相机和大型LCD监视器,还有一个
视频接口和数码相机一样。
在性能的扩展方面具有高数据采样率,具有从3m
到1000m的大范围测量距离。
在所有作业模式下也是完全安全的。
3D激光扫描仪
（2）ILRIS-3D的电源部分可以有多种选择,模块化的电池包设计保证了设备野外使用的便捷性,同时还提供交流电源的转换模块,以及车用电瓶的电源接口,近一步提高了设备的野外实用性能。
（3）仪器的设置也是十分简单和快速,仪器无须整平,而且可以通过一台掌上电脑PDA加以控制,仪器上部并设有外接GPS和数码相机的机座。
目标区域和扫描状态都显示在屏幕上,而数据直接写入USB存储盘中。
测量区域和采集的点云密度都是用户定义的。
ILRIS-3D的设计是可用于恶劣的野外条件的,的作业温度在0℃一40℃,并且有很好的防水性能,可以在潮湿的环境下进行作业。
该设备使用的激光为级眼安全,大的采集范围和紧凑的仪器尺寸,保证了快速安全和精确地完成困难的外业测量任务。
（4）ILRIS-3D三维激光扫描系统主要由扫描仪主机、掌上电脑PDA．电源连线、电池模块交流变压器、电池充电器、存储盘、外接数码相机和GPS的基
座等组成,这些设备可以放在一个旅行箱大小的箱子里,使用时还需要一个测量用的三脚架。
（5）PolyWorks是激光扫描点云数据处理集成软件之一。
它是由加拿大依诺马软件出品。
它的主要功能是快速和高品质地处理由各种各样的三坐标测量或三维扫描系统所获取的点云数据。
继而自动生成通用的标准格式数据。
PolyWorks主要有Modeler和Inspector两大功能软件包。
前者用于点云建模,后者用于点云处理和测量。
作为点云处理的软体,PolyWorks可以做点群资料合并、结合、断面切割及品质分析等,其强大的检测功能够更好的完成被检数据与生产技术数据的检验、比对工作。
2.2工作原理
三维激光扫描平台的工作原理，包括脉冲测距原理、相位测距原理、干涉测距原理以及三角测距原理等。
（1）脉冲测距原理
激光脉冲测距是根据激光脉冲具有发散角度较小、持续时间较短的特点，使得激光脉冲强度很大，特别适用于测量距离较远的待测目标。
脉冲法测距采用计算飞行时间的方法，根据脉冲的发射时间和脉冲返回后的时间差值，并结合光速的大小，计算出待测对象的实际距离。
脉冲测距原理图
脉冲激光测距系统包括脉冲发射模块、脉冲接收模块以及计数模块。
该测距系统工作时，激光器将一道宽度很窄、功率很强的激光脉冲投射至待测物体，同时接收模块感知并标记脉冲的发射时间，并触发计数模块，产生相应的计时脉冲进行计数。
接收模块用于接收经待测物体表面反射后的脉冲信号，当接收模块感知到脉冲信号后将会再一次触发计数模块，计数器停止计时。
通过计数器脉冲频率
及脉冲个数就可以得到激光脉冲的往返时间t，从而得到相应的距离。
在理想情况下，计时模块的脉冲频率决定整体的测量精度。
大多数脉冲测距系统为了保证脉冲测距的精度，系统中往往都会通过一个倍频电路将原始的低频信号扩大到所需频率的大小。
（2）相位测距原理
激光相位测距原理是根据测量经过调制的激光光源其发射光与接收光之间的相位延迟，以完成对待测物体距离的测量。
如图2-2所示，相位测距系统包括：
激光器、调制器、检相器、接收器等核心器件。
相位测距原理图
相位测距系统中为了得到待测距离D，需要测得激光发送和接收间的相移中的整波数n和不足一个周期的相位差Δф。
相位法测量的精度受到激光
调制频率的限制，精密的激光调制需要高性能的硬件设备的支持。
（3）干涉测距原理
干涉测距原理是根据激光光束的干涉原理实现对距离的测距，如下图所示。
干涉测距原理图
分光镜将激光器发射的激光光束分成两束，分别射向干涉仪中的固定参考臂和可移动的测量臂。
激光由固定参考臂处反射形成的光束作为参考光束，由测量臂处返回的光束作为测量光束。
测距时测量光束会根据待测物体的位移变化而移动，干涉信号由参考光束和测量光束相互叠加而形成；当参考光束与测量光束相位相同时，干涉表现为亮条纹；相反时，干涉表现为暗条纹，形成干涉信号的明暗变化次数为N，经过测量系统中的电子细分，对应着待测物体的距离。
（4）三角测距原理
三角测距法通过将激光投射到待测物体上形成漫反射作用，然后被图像采集模块捕获，运用几何光学和计算机视觉等原理，根据图像采集模块与激光器所处位置，利用三角形的几何性质以及激光点在图像中的成像点等条件，求解出待测点的位置坐标信息。
三角法具有适应性强、结构简单、抗干扰性强、测量准确度高等特点，其工作原理如图所示。
三角测距原理图
三角测距法结构简单、使用方便，但实际使用中激光点提取的精度一直是该项技术的难点，并且测量过程中的标定参数较多，测量设备中的硬件结构稍有变动，都需要对其参数进行重新标定。
2.3点云技术的后处理流程
三维激光扫描技术的关键在于如何快速获取目标物体的三维数据信息。
在
获取高精度的三维扫描数据时,除与使用的激光扫描仪的构造、性能、扫描方法外,还与扫描环境、仪器架设、站点的选择等因素有关。
在获取点云数据后,如何进行处理,也是影响数据结果的重要因素。
（1）ILRIS-3D三维激光扫描仪操作方法及流程
任何的扫描操作都是在特定的环境下进行的,对于地质工程领域的三维数据获取应用,工作场地一般都为施工现场或者野外边坡等,对于环境复杂、条件恶劣的场地,在扫描工作前一定要对场地进行详细的踏勘,对现场的地形、交通等进行了解,对扫描物体目标的范围、规模、地形起伏做到心中有数,然后根据调查情况对扫描的站点进行设计,同时要考虑大地坐标参考点的选取。
一般而言,在施工现场对一个边坡进行扫描,由于边坡范围较大、地形凹凸不平等原因,进行一次扫描很难覆盖整个目标,因此一般需要多次不同位置进行扫描,合理的布置不同扫描站点位置能够对后期点云数据的拼接精度有一定的提高,同时也将考虑尽可能全面的反映坡表的情况,获取更多的地面信息。
另外,合理的布置大地坐标参考点对坐标匹配转换也有着重要的影响,参考点的选择应该是明显、易识别,如果参考点只有三个,那么空间分布应尽量是等边形布置。
在扫描仪器架设完成后,就可以接通电源仪器开机。
仪器内部微机启动,进行自检、调入相应程序,仪器后部的液晶显示屏显示所以参数及扫描目标图像。
刚开始使用要热机十分钟,观察仪器运行是否正常。
插入USB存储盘。
接下来的工作是对掌上电脑PDA进行设定控制扫描仪工作。
在使用掌上电脑PDA连接激光扫描仪时,要根据扫描仪的后面液晶显示屏上的IP地址,配置PDA的无线网络IP。
启动中的班软件连接三维激光扫描仪。
然后选软件菜单中,对内置数码相机进行设定,在设定相机时可以选中程序中预设的天气模式。
可根据当时扫描的天气设置相应参数，或直接对相机的白平衡进行设置亦或自动设定。
设定好相机参数后，就可以获取扫描目标的影响显示在PDA屏幕上，下一步在PDA上对扫描区域设定，点击+按钮，可以生成四面带八个节点的红色边框，节点可以社会扫描防范围的大小，可以设置多个扫描范围多次重复扫描。
在ILRIS控制软件中,设定扫描区域后,按“Next”按钮,软件将进入扫
描参数的设定窗口,在这个窗口中,需要设定扫描激光回波的记录方式先接收
的被记录或者后接收的被记录,一般情况可选默认值。
扫描仪操作流程
“Acquire”按钮的功能是,启动激光扫描仪对扫描目标的设定范围进行抽样快速扫描，以获取扫描仪与扫描目标之间的平均距离，此操作的目的是设定扫描目的采样间距及估算扫描完成所需时间，此时扫描获取的数据不会被记录到存储盘中。
获取扫描仪到扫描目标的平均距离后，需要设定“SpotSpacing”—采样点间距，这一参数决定着在获取扫描三维点云数据中的两点之间的距离平均距离处，这个参数的设定取决于用户对扫描数据密度的要求及扫描时间的综合考虑，设定的采样间距越小，获得的点云数据量越大、消耗的时间越长，同时还与扫描距离有关。
对ILRIS激光扫描仪而言，采样点间距可以到达毫米级。
因此，用户需要在不同扫描距离的情况下，综合考虑扫描的采样密度、扫描时间，最终确定采样点间距。
扫描参数设定完成后，下一个窗口是显示扫描仪的工作状态如图一，主要包括扫描仪的内部温度及工作电压。
接下来是设定扫描文件名称，设定完成之后便可以开始扫描，扫描获取的点云数据开始写入存储盘中。
在扫描过程中可以通过PDA或者扫描仪后部的液晶显示屏窗口实时监控扫描进程及仪器的工作状态。
扫描过程中可以通过PDA终止本次扫描，并重新设定。
（2）三维点云数据处理
三维实体扫描及处理的完整过程包括点云数据的获取、数据预处理、实体
模型建立、数据结果的输出等步骤。
①云数据的预处理
对三维点云数据进行预处理，一般需要对获取的原始数据进行再加工，检查数据的完整性及数据的一致性，进行数据格式的规范化、进行点云过滤等操作。
由于扫描仪在现场使用中工作环境复杂，尤其在施工现场工作时，施工机械的运动、人员走动、树木、建筑物遮挡、施工浮尘及扫描目标本身反射特性的不均匀等影响，将会造成扫描获取的点云数据的不稳定点和噪音点，这些点的存在是扫描结果中所不期望得到的，在后期处理中对这些点云数据要进行去除，这个过程称为点云的过滤，点云的过滤是数据预处理的一个重要过程，对数据结果有重要影响。
②点云数据的拼接
一般来说三维扫描仪很难从一个方向扫描一次便可得到扫描目标的完整点云数据,反映一个扫描实体信息通常要由若干幅扫描才能完成,但每个扫描图幅都是以扫描仪位置为零点的局部坐标系,亦即每次经扫描而得到的点云数据的坐标系是独立和不关联的。
但实际上每幅点云阵数据都是扫描场景的一部分,那么三维激光扫描方法及数据处理就有必要将这些点云数阵据转换到同一坐标系里,所以要对得到的点云数据进行拼接匹配。
在点云数据的拼接过程中或者说三维数据在处理软件的操作中,势必进行一系列的三维变换,如平移、旋转和缩放等。
为了把扫描结果以形象的表现形式表达出来,以任意角度观看点云的任意部分,其实质就是三维图形的变换和处理。
一般而言,为实现两幅扫描图像的拼接的前提条件是,两幅扫描图像中应该有重合的部分,即前后两次扫描中目标物体应该有一部分都被扫描到,大致上,所说的重叠部分应该占整个图像的20-30%,如果重叠部分所占的比例太小,则很难保证拼接的精度,所占比例太大,则会增加扫描次数和拼接的工作量。
③模型重建
从高密度的点云数据进行扫描物体的重建以提取需要的数据是数据处理的重要部分,根据三维模型表示的不同方式,点云数据的模型重建也可以分为两种方法一种是三维点云数据表面的模型重建,主要构造网格三角面片逼近扫描
物体表面一种是几何模型重建,常见于中CAD的轮廓模型或者断面轮廓。
重建的前提是点云数据拼接匹配完成,对于土木、地质工程还需要对点云数据进行大地坐标转换。
对于三维点云数据表面的模型重建,就是将上述得到的出于同一坐标系里的点云数据自动而快速地生成三角面片。
三角面片的间隔可由用户自行指定。
间隔越小,生成的三角面片越多。
用户必须根据自己的计算机平台所能处理数据能力设置间隔。
④模型渲染
随着三维激光扫描技术的不断进步,三维扫描除了对点云数据三维坐标的获取,很多品牌的三维激光扫描仪开始使用内置或者外置的数码相机对扫描目标的彩色信息进行采集保存。
经过数据的预处理,可以通过软件内设定好的一系列的复杂校正计算,可以将数码照片的象素点的彩色信息附加到相应三维点云数据信息中,从而形成彩色点云图像另外,为了使生成的模型看起来更具有逼真的效果,可以对模型进行渲染,一种是采用颜色的渐变,表示某种变化过程,如工程应用中的数字高程模型中高程的变化在第五章中进行介绍。
还有一种方式是采用纹理贴图的方式,是采用数码相片,经过照片的几何校正映射到三维模型表面如图一,此种方式与彩色点云数据的区别本质上在于彩色点云数据是本身其是有成千上万个附有三维激光扫描方法及数据处理彩色信息的三维点所组成,如果将其放大如图一便可见其组成的点。
而三维模型的纹理贴图本质是将二维的数码相片经过几何校正,映射到三维模型的相应部位,其是三维模型与二维数码相片的有机结合。
3三维激光扫描技术经济效益、应用及前景分析
3.1技术经济效益分析
课题组调研了北京、上海、杭州、重庆、成都等十余个典型城市具有代表性的城市居住建筑项目，结合本公司的相关实践。
通过三维激光扫描技术研究，课题研究成果总结了三维激光扫描技术在工程中的的成功经验，三维激光扫描系统的最大优势在于它让传统的单点测量转变到可获取海量点云数据的面测量上,它让测量过程的比较容易,特别是在一些复杂和危险的环境下进行测量"并且它还能直接将扫描得到的大量点云数据直接存储到计算机内,用于扫描目标的三维重建而且还能通过重构的模型快速获取目标的点,线,面,体等几何数据,然后进行数据的后期处理工作。
这对提高企业的核心竞争力，解决公司生产成本有着积极意义。
通过三维激光扫描技术课题的研究，培养了一批兼具研发和生产经验，理论与实践相结合的生产骨干队伍。
课题研究成果可以提高生产效率、控制设计质量，促进标准化基础上的设计创新，有助于提升企业品牌的知名度和美
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