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