導語：如何才能寫好一篇三維激光掃描儀，這就需要搜集整理更多的資料和文獻，歡迎閱讀由公務員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

【關鍵詞】三維激光掃描儀原理；反射標靶；點云；地形測量

1、三維激光掃描儀應用現(xiàn)狀

地面三維激光掃描技術是以三維激光掃描儀的誕生為代表，是繼GPS （Global Position System）技術以來測繪領域的又一次技術革命，該技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術，又稱為“實景復制技術”，是繼GPS空間定位技術后的又一項測繪技術革新。三維激光掃描測量技術克服了傳統(tǒng)測量技術的局限性，采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠全天候的對任意物體進行掃描，快速將現(xiàn)實世界的信息轉換成可以處理的數(shù)據(jù)。該技術具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特征等特點，作業(yè)時間短，使用成本低，且使用方便，其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前在工程、環(huán)境檢測和城市建設方面如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災害評估、3D城市模型的建立、復雜建筑物施工、大型建筑的變形監(jiān)測等均有成功的應用實例。隨著三維激光掃描測量技術、三維建模的研究以及計算機硬件環(huán)境的不斷發(fā)展，其應用領域日益廣泛，如制造業(yè)、文物保護、逆向工程、電腦游戲業(yè)、電影特技等，逐步從科學研究發(fā)展到進入了人們?nèi)粘Ｉ畹念I域[1]。

2、三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡為主要構造組成。其工作方式為激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進行測距，針對每一個掃描點可測得測站至掃描點的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，得到每一掃描點與測站的空間相對坐標，如果測站的空間坐標是已知的，那么則可以求得每一個掃描點的三維坐標。

按照掃描平臺的不同三維激光掃描儀可以分為：地面型激光掃描系統(tǒng)、機載（或星載）激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。本文工程中使用的為地面型三維激光掃描儀，其工作原理為：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計算日標點P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標。

整個系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、數(shù)碼相機、數(shù)據(jù)后處理軟件、電源以及附屬設備構成，采用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或者復雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對采集的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行處理轉換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應用的需要[2]。

3、工程應用實例

該工程為千島湖引水工程，引水管布設長約100公里，沿途多處布設埋管、鋼襯段及支洞口，測區(qū)多為山區(qū)丘陵地貌，植被較為茂密，通視情況較差，采用傳統(tǒng)全站儀地形測量方案，廢時、廢力且效率低下，影響工作效率。現(xiàn)以一處支洞為例，采用地面型三維激光掃描儀進行測量并與傳統(tǒng)測量方式進行比較。

本測區(qū)采用儀器為徠卡Scanstation C10 新一代一體化掃描儀，具有以下功能：[3]

（1）輕松實現(xiàn)全視場掃描。視場角高達360°X 270°，可輕松獲取頂部，水平方向及垂直方向的數(shù)據(jù)，旋轉鏡頭（智能X-MirrorTM設計），可覆蓋幾乎整個垂直方向的視場角。

（2）使用了和徠卡全站儀一樣的高精度雙軸（傾斜）補償器，能完成導線測量、后方交會測量和放樣。

（3）實用有效的測距范圍，掃描距離大于300米。

（4）具有全站儀的測量精度，能使點位、距離和角度測量精度達到專業(yè)級測量精度。

（5）超高速激光掃描，掃描速度高達50000點/秒。

（6）Cyclone常規(guī)地形測量功能，基于掃描點云數(shù)據(jù)，利用徠卡 CYCLONE II TOPO地形測量軟件模塊可以輕松完成二維地形圖的測繪和輸出，節(jié)省了外業(yè)數(shù)據(jù)采集的大量時間，提高了地形測繪工程的作業(yè)效率。

3.1控制網(wǎng)布設

測區(qū)首級控制網(wǎng)由4點E級GPS點構成，采用南方9600北極星GPS接收機進行靜態(tài)觀測，并布設四等水準測量，使整個測區(qū)建立在一個基準控制框架內(nèi)，便于徠卡Scanstation C10掃描儀的起閉。測區(qū)內(nèi)利用GPS RTK進行控制點加密，其作用為三維激光掃描儀過程中布設定向、檢查標靶點和特征控制點。

3.2野外作業(yè)過程

3.2.1野外設站

將三維激光掃描儀架設在加密點T1，反射標靶架設在T2進行定向（可自由架站，無需人員干涉）。由于三維激光掃描儀的測程是有限的，不同測站的測量數(shù)據(jù)如何拼接到一起，就需要標靶來完成，因此根據(jù)掃描儀測程，需要在各相鄰測站重合的位置布設3個以上形成不規(guī)則圖形的標靶，以供點云拼接需要。

3.2.2測區(qū)掃描

根據(jù)測區(qū)劃分區(qū)域，設置采樣間隔和掃描分辨率。采樣間隔和掃描分辨率設置過大或過小均會對后期的數(shù)據(jù)處理精度及采集到的點云數(shù)據(jù)量，數(shù)據(jù)的傳輸、保存以及后期的數(shù)據(jù)處理帶來很大的麻煩。因根據(jù)地形測量精度的要求合理設置，以達到最佳的效果。同時每站重疊區(qū)域不小于5米，360°水平范圍和270°垂直范圍內(nèi)自動掃描，進行點云之間的拼接，實現(xiàn)對準與地理配準。

3.2.3內(nèi)業(yè)處理

經(jīng)外業(yè)掃描到的三維點云數(shù)據(jù)量非常大，其中包含河流、山體、房屋和溝渠之類等有用的數(shù)據(jù)，也包含車輛、行人、樹葉等等無用的數(shù)據(jù)，利用Cyclone、leica地形后處理軟件提取點云質量好，精度高，數(shù)據(jù)全面的部分點云數(shù)據(jù)進行內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理，并采用數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)抽隙的方法對點云數(shù)據(jù)進行處理，完成后將點云數(shù)據(jù)轉成txt格式導入Maptek I-Site Studio進行最后地表DEM的建立和等高線及高程點的提取。如果現(xiàn)場地物較為分散且種類繁多，還可以利益徠卡cloudworx將點云導入CAD或者CASS中對地形圖進行進一步的描繪從而得到我們所需的地形圖。（如圖1）

3.2.4優(yōu)勢比較

整個支洞需要測量作業(yè)的范圍近0.2平方公里，落差近100米。傳統(tǒng)全站儀作業(yè)方法外業(yè)用時需5天，采用三維激光掃描儀作業(yè)用時2天大量節(jié)省了外業(yè)工作時間，大大減輕了外業(yè)人員工作強度，另外高分辨率數(shù)碼相機真實反映了地物特征，提高了內(nèi)業(yè)處理的速度，提升了內(nèi)業(yè)成果精度，增加了成果展示的形式。

4、結束語

三維激光掃描儀測量技術給傳統(tǒng)測繪帶來了一股清風，是數(shù)據(jù)測圖又一次創(chuàng)新進步，相比傳統(tǒng)的地形測量具有效率高、表現(xiàn)力強、測量細節(jié)豐富，地形、地貌一次測量完成、并同時獲得影像模型，自動得到DEM數(shù)據(jù)，且成果形式多樣，可以滿足不同人員對數(shù)據(jù)的需求，同時還具有智能化，兼容性強等特點。但通過本次工程的實踐，我發(fā)現(xiàn)地面三維激光掃描技術的普及也存在以下不足：在大比例尺地形圖數(shù)據(jù)采集過程當中受現(xiàn)場條件限制較多，如山區(qū)植被較多時，精度較低；數(shù)據(jù)后處理較復雜，外業(yè)完成后需要較長時間的數(shù)據(jù)處理，耽誤后續(xù)工程的人員投入；儀器設備價格昂貴[4]。

相信隨著科學技術的不斷進步，在企業(yè)生產(chǎn)成本最低化，效益最大化的時代背景下，這項繼GPS之后的高端測繪技術在地形測繪、道路橋梁測繪等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]徐曉熊.劉松林.李白.三維激光掃描測量技術及其在測繪領域的應用[J].中國測繪，2009.（2）

[2]宋宏.地面三維激光掃描測量技術及其應用分析[J].測繪技術裝備，2008.10（2）

[3]徠卡測量系統(tǒng)股份有限公司 Leica Scanstation C10使用手冊，2011

[4]許映林.三維激光掃描技術在溫泉水電站大比例尺地形圖測量中的應用[J].水利水電測繪，2007，3

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關鍵詞 ：三維激光掃描儀；誤差測定；影響因素；

中圖分類號： R814 文獻標識碼： A 文章編號：

引言

三維激光掃描技術是一種先進的全自動高精度立體掃描技術。又稱為“實景復制技術”，主要面向高精度逆向工程的三維建模與重構。它可以高效地采集大量的三維點。少則幾萬個，多則幾百萬個。它可以深入到復雜的現(xiàn)場環(huán)境中進行掃描，將各種大型的、復雜的、不規(guī)則的實景三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中，從而快速重構出目標的三維點云模型。此外，它所采集的三維激光點云數(shù)據(jù)還可進行各種后處理工作，如測繪、計量、分析、仿真、模擬、展示、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實等。這對于有限元分析、工程力學分析、流體動力分析等是非常重要的。這種逆向工程的數(shù)據(jù)獲取方式目前在我國還是個薄弱的領域。

一、三維激光掃描儀的概念

三維激光掃描技術是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。三維激光掃描儀通過高速激光發(fā)射器運用激光測距原理，瞬時測得空間三維坐標值的測量儀器。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。

二、地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理

三維激光掃描儀運用了激光的方向性、單色性、高亮性、相干性等特點，實現(xiàn)了測量速度快，操作簡單，測量精確度高等目的。對地面三維激光掃描儀來說，采用的是儀器坐標系統(tǒng)，即所采集到的物體表面點的空間信息是以其自身的坐標系統(tǒng)為準的。系統(tǒng)以激光束發(fā)射處為坐標原點；Z軸位于儀器的豎向掃描面內(nèi)，向上為正；X軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)；Y軸位于儀器的橫向掃描面內(nèi)且與X軸垂直，如圖1-1，由此可得點坐標的計算公式：

圖1采用脈沖測距法的三維激光點坐標 圖2 目標物體傾斜引起測距偏差

二、點云數(shù)據(jù)的誤差來源及分析

從誤差理論來分析，徑向掃描系統(tǒng)測量誤差可分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點的坐標偏差。可通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小。測量系統(tǒng)的偶然性誤差是一些隨機性誤差的綜合體現(xiàn)。

三維激光腳點測量誤差的影響因素較多。大致可分為三類：儀器誤差、與目標物體反射面有關的誤差、外界環(huán)境條件。儀器誤差是儀器本身性能缺陷造成的測量誤差，包括激光測距的誤差、掃描角度測量的誤差；與目標物體反射面有關的誤差主要包括目標物體反射面傾斜的影響和表面粗糙度的影響；外界環(huán)境條件主要包括溫度、氣壓等因素。

2.1激光測距的影響

激光測距信號處理的各個環(huán)節(jié)都會帶來一定的誤差，特別是光學電子電路中光脈沖回波信號處理時引起的誤差，主要包括掃描儀計時的系統(tǒng)誤差和測距技術中不確定間隔的缺陷引起的誤差。脈沖計的系統(tǒng)誤差造成循環(huán)、混淆現(xiàn)象與測距的凸角誤差相類似，測距技術中不確定間隔更可能造成數(shù)據(jù)突變，目前，可運用一些較好的技術（如頻率倍乘、微調作用）處理這些突變的誤差。激光測距誤差綜合體現(xiàn)為測距的固定誤差和比例誤差，可以通過儀器檢定確定測距誤差的大小。

2.2掃描角的影響

掃描角的影響包括水平掃描角度和豎直掃描角度測量的影響。掃描角度引起的誤差是掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描鏡轉動的微笑震動、掃描電機的非均勻轉動控制誤差等因素的綜合影響。目前掃描角測量可達到很高的精度，如徠卡的HDS2500三維激光掃描儀的掃描角精度達到±0.5″。

2.3目標物體反射面傾斜的影響

激光掃描測距系統(tǒng)中激光測距單元由激光發(fā)射頭和激光接收器兩部分組成。用于加工發(fā)射和接受窗口的孔徑直徑有一定的大小。由于激光發(fā)射哈接受共用一條光路，且激光光束具有一定的發(fā)散角，掃描到目標物體表面形成激光角點光斑。激光角點光斑的大小d、激光發(fā)散孔徑D和激光光束發(fā)散角y存在如下關系：

（2）

式中，S為激光發(fā)散點到物體表面上激光角點中心之間的距離。

當掃描目標物體傾斜時，則出現(xiàn)掃描目標物體表面法線與激光光束方向不重合。當表面切平面法線與激光光束方向的夾角為α，根據(jù)圖2，存在如下幾何關系：

（3）

則引起激光角點的位置的最大偏差ds

（4）

由于y/2很小，則siny/2=y/2，所以

（5）

2.4目標物體反射表面粗糙程度的影響

三維激光掃描點云的精度與物體表面的粗糙程度有密切關系。由于三維激光回波信號有多值性特點，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理首次反射回來的回波信號，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理最后反射回來的回波信號，也有一些三維激光掃描系統(tǒng)能夠綜合處理首次和最后反射回來的回波信號。以處理首次反射回來激光回波信號為例（如圖3所示），目標物體表面粗糙程度引起激光角點位置的偏差ds，接近于物體表面粗糙極值的1/2.

2.5溫度、氣壓等外界環(huán)境條件的影響

溫度、氣壓等外界環(huán)境條件對激光掃描的影響主要表現(xiàn)為溫度變化對精密機械結構關系的細微影響、掃描過程中風的震動、激光在空氣中傳播的方向等。較差的外界環(huán)境條件對三維激光掃描數(shù)據(jù)的影響也較大。

徑向三維激光掃描儀測量的主要誤差來源于測距誤差或掃描角誤差。由于測距誤差包含固定誤差和比例誤差兩部分，其影響具有一定是規(guī)律性。如HDS2500儀器的測距誤差在50m以內(nèi)為6mm，超過50m后儀器測距誤差隨距離線性增加，在200m時達到42mm.掃描角的誤差是一種與距離有關的誤差，掃描角對掃描點的影響隨距離增大而增大。

目前，基于TOF測距技術的三維激光掃描儀已經(jīng)成為測繪領域的一個新的研究熱點，但是，對三維激光掃描儀的儀器設備及測量誤差的研究還很少。本文在對三維激光掃描儀的分類基礎之上，對徑向三維激光掃描儀器的測量誤差影響因素進行了較為全面地理論分析，并指出了測距誤差和掃描角誤差是三維激光掃描誤差的主要誤差源之一。

結束語

現(xiàn)今，人類社會已經(jīng)進入了高度文明的時代，各行各業(yè)都在尋求更好的發(fā)展途徑，三維激光測量技術的應用越來越廣泛，在今后的發(fā)展中，我國必定會不斷完善測量技術，為相關領域的穩(wěn)定收益保駕護航。三維激光掃描儀目前廣泛應用于各個領域，是研究的熱點。本文主要研究了三維激光測量誤差來源――儀器誤差、與目標物體反射面有關的誤差和外界條件影響。通過實驗得知了儀器Trimble GX200的測距精度和掃描精度。

參考文獻

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[2] 楊偉,劉春,劉大杰.激光掃描數(shù)據(jù)三維坐標轉換的精度分析[J].工程勘察,2004.

[3] 吳劍鋒, 王文, 陳子辰. 激光三角法測量誤差分析與精度提高研究[J].機電工程.2003.

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關鍵詞:三維激光掃描系統(tǒng)；相似材料實驗；變形觀測

Abstract: This paper using similitude stuffs experiment method to simulate mine coal bed exploitation simulating the earth’s surface displacement and distortion case. By using 3D laser scanner to observe and analyze the earth’s displacement and distortion circs. Using 3Dlaser scanner to observe the simulate stuffs can that get datum well, it has more advantages.

Key words: 3D laser scanning system; similar material experiment; deformation observation

中圖分類號： TP731 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2104（2013）

0 引言

隨著國家對資源和人民財產(chǎn)的重視，對礦山開采沉降區(qū)和邊坡觀測顯得日益重要。本文正是用相似材料來模擬礦山煤層及其周圍的真實實體，用三維激光掃描儀對模擬巖體進行監(jiān)測與分析實驗。通過模擬試驗得出了很好的變形監(jiān)測分析預報結果，體現(xiàn)了三維激光掃描儀在相似材料試驗中的應用。

1 三維激光掃描儀

實驗中采用的三維激光掃描系統(tǒng)是由Cyrax2500激光掃描儀和Cyclone軟件組成。考慮到實驗數(shù)據(jù)獲取的需要，測量中控制精度指標如下：水平方向為0.5mm，垂直方向為10mm，在1.5m~5m范圍，測距精度為±1mm，角度為±0.5″，形成模型表面控制點的精度為±2mm，垂直方向和水平方向最大40°角。

三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程為：測站設計、掃描、控制標靶中心的獲取、坐標配準和三維建模。

2 相似材料模擬實驗

2.1 相似材料實驗原理

相似材料實驗是一種以相似理論為基礎，通過用一定的相似材料構造物理參數(shù)與實際開采條件相似的模型來研究實際工程問題。采用相似材料模型法模擬地下煤層的開采引起的覆巖與地表移動、變形和破壞規(guī)律的實質是采用原型的物理力學性質相似的人工材料，按幾何相似常數(shù)、運動相似常數(shù)、動力相似常數(shù)及相似指標與相似判據(jù)，將原型縮制成一定比例的模型。在保證原形與模型的初始狀態(tài)和邊界條件相似的情況下，對模型進行模擬開采，觀測模型在模擬開采過程中的覆巖的斷裂破壞、彎曲和移動與變形規(guī)律，地表的移動與變形規(guī)律及其影響范圍，然后按照相似指標將模型得到的觀測結果推算到原型上去，確定原型的破壞、移動和變形的規(guī)律。

本次實驗某礦區(qū)某工作面為相似材料模擬基本原型，由于實驗的需要在設計模型時作了必要的簡化，以便和理論模型近似。該工作面從地表至800m采深，煤層開采厚度為10m～30m，可采煤層為2層，煤層間距120m。相似材料模擬實驗為急傾斜煤層開采。由實際開采工作面地質采礦條件進行必要的簡化，采用類比法確定煤巖的物理力學參數(shù)。本次實驗選用的比例尺為比例尺1:1000。

2.2 模型設計

模型設計長2m，寬0.2m，高1.2m。模擬的急傾斜煤層平均傾角為60º，煤層厚度10 m，兩層煤間距100 m，開采上限采深300 m，下限采深800 m，分多階段開采，階段采高不等。

2.3 測量點的布置

根據(jù)急傾斜煤層開采巖層移動與變形的特點和實驗目的的需要，本實驗采用三維激光掃描儀進行觀測，從模型的前后兩個面各自獨立進行觀測。其中主要是針對地表移動和頂、底板的變形進行監(jiān)測，地表觀測線1條，共計13個測點，測點間距10~16cm。頂、底板觀測線各1條，頂板共計測點7個，測點間距12~17cm。底板共計測點5個，測點間距10~20cm，測點布設如圖3.2所示。三維激光掃描儀觀測法是利用cyrax2500三維激光掃描儀對模型進行全面監(jiān)測，共布設13條觀測線，其中水平觀測線6條，頂板觀測線各6條，底板觀測線1條。測點共256個。觀測三次。

第一次觀測是在煤層開采前，以獲取模型在沒有采動情況下的原始空間位置數(shù)據(jù)，為以后的變形數(shù)據(jù)進行比較。第二次實施對模型全面的觀測在1＃煤層由-200m水平開采至-1100m水平變形穩(wěn)定后。第三次全面的觀測在2煤層由-200m水平開采至-1100m水平模型變形穩(wěn)定后，共進行了三次對模型的全面觀測，獲取了相應的數(shù)據(jù)。

同時在觀測前，在模型的周圍還布置了4個固定的控制點t1、t2、t3、t4，主要通過水平觀測線來觀測在不同的巖層平面內(nèi)地層的下沉變化情況，這些不同巖層在水平面的下沉情況反映了巖層下沉移動向地表傳遞的過程，這6條水平觀測線分別為Sw1～Sw6。而傾斜觀測線是沿巖層的層面布置的，其中在頂板內(nèi)共布置了6條觀測線，觀測頂板在法向方向位移的變化，同時在底板中也布置了一條觀測線，觀測頂、底板受采動的影響。

3 實驗觀測數(shù)據(jù)處理

通過Cyclone軟件首先對三次掃描的點的模型數(shù)據(jù)建立一個統(tǒng)一的局部坐標系，并利用固定的控制標靶中心t1、t2、t3、t4作為建立局部坐標的依據(jù)。

通過三次觀測數(shù)據(jù)的對比可以得到模型受采動影響下觀測點的下沉和水平移動情況。在特征點的提取過程中，分別將對應的特征點進行標識，以便可以對變形前后的變化情況進行對比。特征點用sw4－、sw6－和sw7－加點號表示。從上至下布置的水平觀測線上的觀測點號依次為1－19，30－52，70－97，123－149，172－197和220－245。而模型傾斜方向布設的觀測線主要是在開采煤層的附近，方向和煤層近似平行，其中煤層頂板中布設了4條觀測線，1＃煤層和2＃之間共布設1條觀測線，在底板中布設了2條觀測線，各傾斜觀測線間距不等。

（1）水平觀測線上觀測點下沉分布特點

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關鍵詞：三維激光掃描 cyclone點云 去噪 精度

中圖分類號：TP731 文獻標識碼：A文章編號：

一.引言

本項目投入使用的是來自瑞士的Leica ScanStation C10三維激光掃描儀， All-in-One“一體化設計”是C10的最大特點，它把所有的關鍵部件都集成在一個便攜的測量儀器中。C10具有全視場角（水平360°，垂直270°）、高速(每秒5萬點)、高精度（測距中誤差達到4mm，測角中誤差達到12″）、長距離（掃描范圍超過300m）等特點，完全滿足本次測繪任務。安裝了雙軸傾斜補償器，可以在±5′的范圍自動補償，補償精度達到1.5″；安裝了激光對中器，可以大大減少儀器對中整平和遷站的時間，提高了工作效率和測繪成果質量。

二.作業(yè)流程

（1）控制測量

本次圖根控制采用HZCORS系統(tǒng)。HZCORS系統(tǒng)利用本系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡平差軟件計算出所采集的控制點成果。經(jīng)檢查，控制點精度滿足工程測繪技術規(guī)范要求。

（2）外業(yè)掃描

C10可以采用四種設站方式：已知測站點和定向點坐標方式；已知測站點坐標和定向方位角方式；后方交會方式；任意設站方式。前三種設站方式各站之間的點云數(shù)據(jù)可以自動拼接，最后一種設站方式各測站之間的數(shù)據(jù)不能自動拼接，因為每站均為獨立坐標，各站之間的點云數(shù)據(jù)通過標靶或點云拼接成一個統(tǒng)一的獨立坐標系，然后實測三個以上特征點或標靶的地方坐標系，把拼接后的坐標系歸算到我們使用的平面直角坐標系中。相對來說前三種設站方式比較靈活，但精度不如第四種設站方式高。對于本項目，推薦采用第一種設站方式，因為測站點和定向點坐標均可以采用RTK非常方便地測得，測量的誤差主要來源于控制點的誤差，已完全滿足項目測繪的精度要求，還可以把圖根控制測量與地形掃描同步進行，掃描儀架設在已知點上，用另一個已知點定向，與傳統(tǒng)全站儀設站方式一樣。

(現(xiàn)場采集時的情景)圖2

測站與測站之間距離不應太大，一般不要超過200m，要注意障礙物后面的陰影，定向點的距離不要太遠，一般不要超過100m，否則會增大標靶捕捉的難度，也不要小于50m，否則會影響測繪的精度。

由于本項目掃描主要是為了獲取大橋橋墩和高壓線的情況，為了提高工作效率，將采用高密度采集方式進行掃描，全景影像（每站260張，每張像素為960*960）。每站掃描完畢，儀器要手動退到主菜單界面，防止意外啟動掃描操作。儀器遷站時，如果距離比較遠或時間比較長，要關閉儀器電源，等風扇停止工作后再進行裝箱遷站；如果距離比較近，路比較好走，可以不關機，直接把三角架連同儀器豎直架在肩上遷站，也可把儀器提在手上遷站，但要非常注意安全。

（3）點云數(shù)據(jù)處理

（掃描獲得的初始點云數(shù)據(jù)）圖3

a、去噪（濾波）：在數(shù)據(jù)采集中，由于車輛、行人、樹木等因素的影響，我們采集到了很多無用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)稱作噪聲數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)的剔除過程叫做數(shù)據(jù)濾波。噪聲數(shù)據(jù)與有用數(shù)據(jù)點云的區(qū)別在于噪聲數(shù)據(jù)是不連續(xù)的、無規(guī)律的、比較稀疏而雜亂，利用這一特點可以將噪聲數(shù)據(jù)剔除。精確的去除噪聲數(shù)據(jù)最基本的原則是需要我們設置一個好的視角，可以從幾個不同的視角中選擇和檢查操作的點云，以免意外的刪除掉前面或背后的有用的點云。

b、抽稀：由于各測站掃描的點云全都疊加在一起，造成部分區(qū)域點云非常密集，加上多站點云數(shù)據(jù)疊加數(shù)量非常龐大，為了減少最終的點云中的點的數(shù)量，保障軟件運行順暢，需要對點云進行抽稀（Unify Clouds）操作。可選擇Reduce Cloud: Average Point Spacing，并設定采樣點的間距，這個尺寸代表了在三維空間中的最密集區(qū)域的點的密度，右圖設置采樣點的距離為0.25inch。

c、切割點云：切割點云的本質是劃分一片完整的點云為多個小的子集點云。這樣有助于多名作業(yè)員協(xié)作完成，也可以達到減少點云中的點的數(shù)量，提高計算機運行效率，便于軟件的操作。

d、Cloudworx：cloudworx是整合在AutoCad和MicroStation平臺內(nèi)部的激光點云插件，用戶可以在自己熟悉的平臺下使用激光數(shù)據(jù)。本項目將采用Cloudworx配南方Cass軟件來完成地形測繪。

（處理后的點云數(shù)據(jù)）圖4

經(jīng)過處理好的數(shù)據(jù)導入CAD，很容易得到各個高壓鐵塔的高度，高壓電線的最低點。各個橋墩的高度和厚度,橋墩之間的距離。掃描一次數(shù)據(jù)就可以得到設計上所需要的各種數(shù)據(jù)。

三. 質量檢查

本次檢查采用全站儀測量圖根導線與三維激光掃描儀的支站點數(shù)據(jù)采集進行比較。其結果如下：表1：

其中平面中誤差為0.014厘米，高程中誤差為0.024厘米，完全符合規(guī)范要求。

四．結論與展望

三維激光掃描技術快速地獲取高密度高精度點云數(shù)據(jù)，具有掃描速度快、數(shù)據(jù)信息量大、精度高、采集過程簡單、節(jié)省人力并且軟件具有強大的數(shù)據(jù)后處理能力，可以提供任何位置、任何細節(jié)的信息，作業(yè)成果完全能滿足道路工程設計和施工的需要。但通過實踐，我發(fā)現(xiàn)三維激光掃描技術的普及也存在以下不足：數(shù)據(jù)采集過程當中受現(xiàn)場條件限制較多，如植被較多；數(shù)據(jù)后處理較復雜，外業(yè)完成后需要較長時間的數(shù)據(jù)處理，耽誤后續(xù)工程的人員投入；儀器設備價格昂貴，現(xiàn)階段一個生產(chǎn)單位完全由傳統(tǒng)測量方式向三維激光掃描測量方式轉型不太現(xiàn)實。

隨著技術的發(fā)展，點云數(shù)據(jù)生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)成本的降低，三維激光掃描技術這種“所見即所得”的測量方式必將在道路工程測量、文物、模具、石化、醫(yī)學、交通等領域得到廣泛應用，這項高端技術將是繼GPS之后在測繪領域的又一重大革命。

【參考文獻】

[1] 徐進軍，嚴學清，王尚慶,等.地面激光掃描與數(shù)碼相機數(shù)據(jù)的聯(lián)合處理研究[J].武漢大學學報.信息科學版，2009，34(1)：85-87

篇5

【關鍵詞】輸電線路 差異化防雷治理 三維激光掃描技術

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴展和供電可靠性要求的不斷提高，以及當前全球氣候條件的復雜多變，輸電線路因雷擊跳閘日益成為影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。為確保輸電線路安全可靠運行，盡可能地降低電網(wǎng)雷擊損害風險，需要工程技術人員深入開展防雷技術研究。針對本文中的三維激光掃描技術應用，需重點做好輸電線路現(xiàn)場地形勘察和桿塔結構分析，通過分析確定重點改造對象和措施，提高防雷綜合治理的有效性和技術經(jīng)濟性。

1三維激光掃描技術

1.1機載三維激光掃描技術

本文所述的三維激光掃描技術采用機載和地面測量相結合的方式，機載三維激光雷達是將三維激光掃描儀和航空相機裝載在飛機上，利用激光測距和航空攝影測量原理，迅速采用機載三維激光掃描系統(tǒng)進行廣域掃描，在針對航測難度大和數(shù)據(jù)缺失的地段采用地面測量進行填補完善，減少掃描誤差。通過GPS和慣性測量裝置的機載定位定向系統(tǒng)聯(lián)接，構成當今測量與遙感領域最先進的對地觀測系統(tǒng)。而且可實時得到地表大范圍內(nèi)目標點的三維坐標，也是目前唯一能測定森林覆蓋地區(qū)地面高程的可行技術，因此特別適用山區(qū)線路。機載三維激光掃描技術可以快速，低成本，高精度地獲取數(shù)據(jù)。它在電力輸送中的應用主要有新架設線路的選線，以及對輸電線路的日常檢修維護等。

1.2地面三維激光掃描技術

地面三維激光掃描技術的運用主要是為了彌補上述機載測量容易受到飛行安全、線路密集以及航空管制等因素影響帶來的缺點。它的工作原理是向物體發(fā)射大量的激光點來準確的獲得物體表面的特征，進而直接的生成物體3D模型的測量手段，它和上述的機載測量一樣也是采用激光測距的原理，在此基礎上結合橫縱向轉角的精確記錄，準確的得出被測點和掃描儀的相對精確位置。這種技術具有以下幾個技術優(yōu)勢：①具有很高的測量精度；②遙測的像素分辨率較高；③應用實施的范圍較廣；④多角度全方位的掃描；⑤具有的激光斑點擴大技術可以對輸電線路等較為細長的物體進行采集。它在電力行業(yè)中的應用也有一定的成效，例如在變電站三維模型構建以及輸電線路三相導線間的間距測量等。

通過綜合運用上述兩種測量技術，獲取了測量對象的信息數(shù)據(jù)后需要先對這兩類數(shù)據(jù)進行拼接，然后再把原始數(shù)據(jù)進行明確細致的分類和處理，一般主要分為植被/建筑層、線路/桿塔等輸電設備層以及地形地貌地表層等，最后在此基礎上實現(xiàn)對輸電線路的走廊通道進行矢量化建模。

2 差異化防雷評估參數(shù)的提取分析

為了盡可能的滿足差異化防雷評估的要求，需要在矢量化建模的基礎上依據(jù)三維模型對線路走廊全檔距地形地貌參數(shù)和桿塔結構參數(shù)進行輸出。因為輸電線路實際的檔距是在百米甚至是千米以上，就簡單的按照1m為間隔進行提取，那么最后的數(shù)據(jù)量也是非常巨大的，因此所帶來的防雷計算量也是十分巨大的。基于此就需要對其進行近似化的處理，按照每間隔1/8檔距進行數(shù)據(jù)采集和防雷計算，這樣做的目的不僅可以大大降低參數(shù)的采集量和防雷的計算量，還可以有效滿足全檔距繞擊閃絡風險評估的工程需要。

對于地形地貌的參數(shù)提取方面，一般主要涉及到三個方面，即地貌、地面傾角以及海拔。對于海拔的提取可以直接從三維模型中進行，一般在實際的應用中不作為重點關注，主要的還是對前兩者的參數(shù)提取。因為地面傾角的取值正負狀況對于繞擊防雷計算存在的影響，需要在排除了地面傾角值以外對其正負進行正確的分析。在一般的防雷擊計算中典型地貌主要分為山頂、沿坡、山谷以及平地。

3 全檔距繞擊防雷性能評估的方法分析

在綜合了雷電統(tǒng)計參數(shù)以及線路絕緣特征的基礎上，我們采用基于三維激光掃描技術來對地形地貌和桿塔結構參數(shù)進行精確細致的提取，進而進行全檔距繞擊跳閘率的計算。依據(jù)線路繞擊跳閘率的設計值、規(guī)定值以及運行的經(jīng)驗值來最后確定參考的標準，把輸電線路的各基桿塔的全檔距繞擊跳閘率計算值和參考標準進行比較，就可以確定它的繞擊閃絡風險評估的等級，處于A、B級的為達標狀態(tài)，C、D級為不達標狀態(tài)。

4 評估實例分析

選取某山區(qū)220kV線路，我們對其進行輸電線路三維激光掃描，并在掃描數(shù)據(jù)獲得全檔距地形地貌參數(shù)和桿塔結構參數(shù)的基礎上，進行全檔距繞擊防雷性能的評估分析，把評估結果和采用普通方法得到的評估結果進行詳細的對比分析，普通方法主要是根據(jù)桿塔經(jīng)緯度坐標來獲取桿塔地形地貌參數(shù)，利用設計圖紙來確定桿塔的結構尺寸，并結合雷電統(tǒng)計的（數(shù)據(jù)）參數(shù)，進而得到各基桿塔繞擊的跳閘率。從最后的兩組結果可以看出，差異較大，多基桿塔采用全檔距評估方法得到的繞擊閃絡風險遠大于采用普通方法得到的評估結果，也就說明了在山區(qū)地形較為復雜的輸電線路中，采用基于三維激光掃描技術的全檔距繞擊評估方法更具有優(yōu)勢。

5 結語

綜上分析可知，對于電力企業(yè)來說，隨著供電可靠性要求的不斷提高，做好輸電線路的差異化防雷治理工作成為十分重要的問題。通過采用本文介紹的三維激光掃描技術對其進行應用分析，可以全面掌握輸電線路的防雷性能，為輸電線路的防雷改造、技術升級提供參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]趙淳，阮江軍，陳家宏，谷山強.三維激光掃描技術在輸電線路差異化防雷治理中的應用[J].電網(wǎng)技術，2012，36（01）：195-200.

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【關鍵詞】三維激光掃描；特點；應用

0 引言

隨著科學技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了集成多種高新技術的新型測繪儀器―地面三維激光掃描儀，它采用非接觸式高速激光測量方式，在復雜的現(xiàn)場和空間對被測物體進行快速掃描測量，直接獲得激光點所接觸的物體表面的三維坐標、色彩信息和反射強度―點云數(shù)據(jù)。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過計算機處理后，結合CAD可快速重構出被測物體的三維模型及線面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù)。這項技術可用于變形監(jiān)測、工程測量、地形測量、斷面和體積測量等領域,具有不需要合作目標、高精度、高密度、高效率、全數(shù)字特征等優(yōu)點。

1 地面三維激光掃描儀測量原理

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要有三部分組成，掃描儀、控制器(計算機)和電源供應系統(tǒng)。激光掃描儀本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時也集成CCD和儀器內(nèi)部控制和校正等系統(tǒng)。在儀器內(nèi)，通過一個測量水平角的反射鏡和一個測量天頂距的反射鏡同步、快速而有序地旋轉，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域，測距模塊測量每個激光脈沖的空間距離，同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的水平角和天頂距，最后按空間極坐標原理計算出掃描的激光點在被測物體上的三維坐標。掃描儀的內(nèi)部有一個固定的空間直角坐標系統(tǒng)。當在一個掃描站上不能測量物體全部而需要在不同位置進行測量時；或者需要將掃描數(shù)據(jù)轉換到特定的工程坐標系中時，都要涉及到坐標轉換問題。為此，就需要測量一定數(shù)量的公共點，來計算坐標變換參數(shù)。為了保證轉換精度，公共點一般采用特制的球面標志和平面標志。點云數(shù)據(jù)以某種內(nèi)部格式存儲，因此用戶需要廠家專門的軟件來讀取和處理，OPTEC的ILRIS-3D軟件，Cyrax2500的Cyclone軟件、LMS-Z420的3D-RiSCAN軟件、MENSI的Realworks等都是功能強大的點云數(shù)據(jù)處理軟件，他們都具有三維影像點云數(shù)據(jù)編輯、掃描數(shù)據(jù)拼接與合并、影像數(shù)據(jù)點三維空間量測、點云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉換等功能。三維激光掃描流程圖如圖1所示。

2掃描儀的分類

從目前來看，三維激光掃描儀主要有如下幾類：

1）超長測程掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)以機載或星載為代表，主要應用：航測、遙感、淺海地形掃描或建模；電力線路監(jiān)測；月球表面三維掃描。

2）亞m或m級的三維激光掃描儀。應用于機械零部件質量檢測，與測繪關系較弱。

3）50 m～4 000 m的中長測程的地面激光掃描系統(tǒng)（見圖2）。主要應用：①古建筑物的保存與恢復；②事故現(xiàn)場的保存；③體積量測；④大型建筑監(jiān)管與建模；⑤監(jiān)測；⑥虛擬現(xiàn)實。

3地面三維激光掃描儀的工程應用

三維激光掃描儀特別適合于對大面積的、表面復雜的物體進行精細測量。鑒于該特點，目前在許多工程領域中已經(jīng)得到了應用。

3.1工程測量

(1)復雜工業(yè)設備的測量與建模：一些工廠管線林立，縱橫交錯，用傳統(tǒng)的測量方法效率低下。而利用激光掃描儀測量和數(shù)據(jù)處理后就可以生成這些復雜工業(yè)設備的3D模型，為設備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型，極大提高了工作效率，測量資料還可以用于工廠管理。

(2)帶狀和局部地形測量：帶狀地形圖測量主要對線路兩旁(鐵路、公路、河流兩岸等)的局部不規(guī)則帶狀地形進行測量；局部地形測量主要對危險的或者人員難以到達的地帶(如巖壁、開挖區(qū)、塌陷等)進行測量。這些地形測量工作較傳統(tǒng)的測量方法有更高地效率。

(3)路面測量：用于路面竣工后的質量檢測；計算路面平整度；也可以為道路設計提供實地模型。

(4)大型土木工程形狀測量：包括對隧道、橋梁、地下坑道等在施工過程中和竣工后的形狀測量，既可以進行施工指導和質量控制，又可以作為數(shù)字文檔資料。

(5)變形監(jiān)測：相對于傳統(tǒng)的測量方法與技術(GPS、全站儀)而言，其精度均勻、密度高，可以發(fā)現(xiàn)變形體局部細節(jié)變化，也便于從整體上分析和評價變形體的穩(wěn)定性。對滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷、大壩、船閘、橋梁等工程變形監(jiān)測有很好的前景。

3.2 建筑測量與文物保護

一些著名建筑物、文物、雕塑等，其形狀怪異、表面凸凹不平，不方便(也不允許)在其上粘貼測量標志，即要求無接觸測量。以前是以攝影測量為主，但現(xiàn)在可充分利用激光掃描儀的高密度和高精度點云數(shù)據(jù)，來獲取建筑物表面的精細結構，隨時得到等值線、斷面、剖面等。當建筑物和文物等遭到破壞后能及時而準確地提供修復和恢復數(shù)據(jù)。

3.3 逆向工程

逆向工程是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構實物的CAD模型的過程。傳統(tǒng)的復制方法是先做出一比一的模具，再進行生產(chǎn)。這種方法無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。由于三維激光掃描儀能對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進行曲面重構，并對重構的曲面進行精度分析、評價構造效果。

4結束語

三維激光掃描技術是一項新興的技術,其應用范圍也越來越廣,利用三維激光掃描技術采集數(shù)據(jù)具有效率高,數(shù)據(jù)量大,速度快等諸多優(yōu)點,而且其數(shù)據(jù)本身具有較高的精度。三維激光掃描技術涉及到設站、點云拼接、三維建模及可視化等內(nèi)容。激光掃描技術正在逐步應用到測量工作中,具有傳統(tǒng)測量手段無可比擬的優(yōu)勢,因此對激光掃描技術進行深入研究對測量工作有著重要的意義。

參考文獻：

[1]劉春,楊偉.三維激光掃描對構筑物的采集和空間建模[J].工程勘察,2006(4):49-53

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[關鍵字] 三維激光 掃描技術 誤差 影響因素

[中圖分類號]P24[文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2013）-1-276-10引言

三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現(xiàn)的一項高新技術，是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術的新突破。它以高速激光掃描測量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)。能夠快速、大量的采集空間點位信息，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。具有快速性，不接觸性，穿透性，動態(tài)、實時、主動性，高精度、高密度，自動化、數(shù)字化等特性。三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS技術之后的一次技術革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢.三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。

1 三維激光掃描儀的測量原理

三維激光掃描儀是在激光的相干性、方向性、單色性和高亮度等特性基礎上，同時注重操作簡便和測量速度，從而保證測量的綜合精度，測量原理主要為有測距、掃描、測角、定向四方面。

應用掃瞄技術來測量工件尺寸及形狀等原理來工作。主要應用于逆向工程，負責曲面抄數(shù)，工件三維測量，針對現(xiàn)有三維實物在無技術文檔情況下，可快速測得物體輪廓集合數(shù)據(jù)，加以建構，編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型。

2 快速掃描技術特點

快速掃描是掃描儀誕生的概念，常規(guī)測量中，對每一點測量花費時間在2-5秒，而有時對一點的坐標進行測量更達到幾分鐘的時間，當下對于此測量速度已經(jīng)十分落后了，而改變了這一現(xiàn)狀的正是由于三維激光掃描儀的誕生，脈沖掃描儀（scanstation2）最快速度可達到每秒50000點，而相位式掃描儀Surphaser最高速度已超120萬點每秒，這種掃描技術是對物體詳細描述的基本保證，深入測量的領域包括古文體，工廠管道，隧道，地形等。

無臂式手持3D掃描系統(tǒng)和雙攝像頭傳感器形成了一個獨特的組合，確保在實驗室和工作場所能生成最精確的測量值。這一完備且功能強大的檢測方案提高了測量過程的可靠性、速度和多功能性。在鉸接臂方面與其他3D掃描儀相比較，光學3D掃描系統(tǒng)可以完全自由移動，顯著提高了工作效率和質量。

3 關于徑向三維激光掃描儀的測量誤差分析

通過公式改正或修正系統(tǒng)予以消除或減小測量系統(tǒng)的偶然性誤差是一些隨機性誤差的綜合體現(xiàn)。由誤差理論來分析，徑向掃描系統(tǒng)測量誤差分為偶然誤差、系統(tǒng)誤差以及系統(tǒng)誤差引起三維激光掃描點的坐標偏差。

影響三維激光腳點測量誤差的因素比較多，總的來說有儀器誤差、外界環(huán)境條件、與目標物體反射面有關的誤差這三類。儀器本身性能缺陷造成的測量誤差是儀器誤差，包括激光測距的誤差、掃描角度測量的誤差；溫度、氣壓等是影響外界環(huán)境條件主要因素；而目標物體反射面傾斜的影響和表面粗糙度的影響是對與目標物體反射面有關的誤差的主要影響因素。

3.1 關于掃描角測量的誤差。豎直掃描角度以及水平掃描角度測量是影響掃描角的測量誤差。而對于掃描鏡的鏡面平面角誤差、掃描電機的非均勻轉動控制誤差、掃描鏡轉動的微小震動等因素是對引起掃描角度誤差的綜合反映。關于掃描角測量精度是相對高的，如徠卡的HDS2500掃描角測量精度可達±0.5″。

3.2 關于激光測距的誤差。對于激光測距信號，處理的各環(huán)節(jié)都會帶來一定程度上的誤差，測距技術中不確定間隔的缺陷引起的誤差和掃描儀脈沖計時的系統(tǒng)誤差是光學電子電路中激光脈沖回波信號處理時引起的主要誤差。測距的凸角誤差與脈沖計時的系統(tǒng)誤差造成循環(huán)、混淆現(xiàn)象相類似，而造成數(shù)據(jù)突變更可能是測距技術中不確定間隔的缺陷，這些突變的誤差可通過技術（如頻率倍乘、微調作用）處理。測距中的固定誤差和比例誤差是激光測距誤差綜合體現(xiàn)，對測距誤差的大小可運用儀器檢定來確定。

3.3 關于溫度、氣壓等外界環(huán)境條件的影響。掃描過程中風的震動、溫度變化對精密機械結構關系的細微影響、激光在空氣中傳播的方向等因素是溫度、氣壓等外界環(huán)境條件對激光掃描影響的主要體現(xiàn)。而對三維激光掃描數(shù)據(jù)影響較大的還有惡劣的外界環(huán)境條件。測距誤差或掃描角誤差是徑向三維激光掃描儀測量誤差的主要來源。由于測距誤差包含固定誤差和比例誤差兩部分，其影響具有一定的規(guī)律性。如HDS2500儀器的測距誤差在50m以內(nèi)為6mm，超過50m 后儀器測距誤差隨距離線性增加，在200m時達到42mm。 掃描角的誤差是一種與距離有關的誤差，掃描角誤差對掃描點的影響隨距離增大而增大。

3.4 關于目標物體反射面傾斜的影響。在掃描測距系統(tǒng)中，激光接收器和激光發(fā)射頭兩部分組成激光測距單元。 而決定激光光束起始直徑的大小是用于激光發(fā)射和接收窗口的孔徑直徑，這直徑一般小于2cm。掃描到目標物體表面形成激光腳點光斑的原因是激光發(fā)射和接收共用一條光路，且激光光束具有一定發(fā)散角。

3.5 關于目標物體反射表面粗糙程度的影響。三維激光掃描點云的精度和物體表面粗糙程度有密切關系。首次或最后反射回來的回波信號只能被某些三維激光掃描系統(tǒng)處理，但也有三維激光掃描系統(tǒng)能綜合處理首次和最后反射回來的回波信號。這些都體現(xiàn)三維激光回波信號具有多值性特點。下面以處理首次反射回來激光回波信號為例（如圖1所示），目標物體表面粗糙程度引起激光腳點位置的偏差dS1 接近于物體表面粗糙極值max 的1/2。

4 結語

三維激光掃描儀的儀器設備及測量誤差的研究目前還是不夠完善，在這方面還需要相關的工作人員繼續(xù)努力去完善，從而使其測量精度進一步提高。

參考文獻

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關鍵詞：三維激光掃描技術；數(shù)字礦山；礦山測繪

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.083

0 引言

礦山測繪技術歷史悠久，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，礦山測繪及時已經(jīng)具有一定的機械化水平，但礦山傳統(tǒng)測繪技術無法滿足目前測繪技術的需求，越來越多的新型測繪技術成為礦山測繪技術發(fā)展的前提，三位激光掃描技術成為眾多測繪技術中非常重要的一種；數(shù)字化礦山建設是實現(xiàn)企業(yè)高效高產(chǎn)和安全開采的有效途徑，三位激光掃描技術不僅可以建立完成的三維立體模型，還可以真實立體的展現(xiàn)礦山地質地形，是一種全新的技術手段，有利于推進礦山的發(fā)展。

1 三維激光掃描技術的原理

三維激光掃描儀主要是地面性的掃描儀，通過激光脈沖發(fā)射周期驅動，由接收透鏡目標接收后向反射信號產(chǎn)生接收信號，最后通過電腦軟件按照計算方法進行原始數(shù)據(jù)處理，從計算中對物體進行全方位掃描后進行整理。該儀器包括軟件和硬件，軟件主要是數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，硬件主要分為三維激光掃描儀、電源和支架，整個工程系統(tǒng)流程是方案的擬定和選擇后通過行業(yè)數(shù)據(jù)處理再進行成果輸出。

2 礦山測繪的分析

三維激光掃描技術通過掃描實物獲取該物體的三維空間數(shù)據(jù)，在重建該物體的三維模型后成為三維激光掃描技術；該技術通過無接觸被測目標標準，可以快速動態(tài)、實時自動化的獲取目標的三維空間信息數(shù)據(jù)，比傳統(tǒng)測繪技術在精準度和高分辨率方面有很大的提升；三維激光掃描技術主要通過獲取測點信息，將散點的坐標組合成三維信息，不需要對實物表面進行處理，得到的數(shù)據(jù)真實可靠。三位激光掃描技術的使用不僅實現(xiàn)了礦山的精準化管理，工作人員還可以通過網(wǎng)絡對礦山的實時信息進行查詢，特別是對礦山三位模型進行實時的數(shù)據(jù)查詢，對不同時段的數(shù)據(jù)模型進行分析，及時發(fā)展目標的結構變化和位置移動等情況，為礦山安全有指導作用。

礦山測量工作開展前期需要進行前期控制測量，準確控制測繪技術的精度和設置，三維激光掃描技術作為GPS技術的一種，是目前礦山測繪技術中高精度的新型測繪技術，礦山測量在控制測量中還包括礦山手機控制測量，要求在測量中從整體到局部、分級進行布網(wǎng)的原則，測量控制點采用水準測量和三角高程測量的方法，使用導線測量方法進行全球定位系統(tǒng)定位。建立完善的礦山信息系統(tǒng)是測繪技術開展的重要工作之一，礦山信息系統(tǒng)是根據(jù)計算機信息技術設立地理信息系統(tǒng)的存儲、維護、統(tǒng)計和管理，在傳統(tǒng)測繪技術中因為信息技術不完善，使用技術方法，對測量周期和工作量的增加有很大的挑戰(zhàn)。因此需要建立完善的數(shù)據(jù)庫，有助于礦山企業(yè)日后的參考使用。

3 礦山測繪中三維激光掃描技術的應用

三位激光掃描儀技術在使用中快捷方便、動態(tài)、數(shù)字化，測量數(shù)據(jù)有高精度的優(yōu)點，一起可以通過架設三腳架采集數(shù)據(jù)，行業(yè)數(shù)據(jù)處理可以快速進行數(shù)據(jù)傳輸，并可以快速獲取物體的三維數(shù)據(jù)，減少外部設站需要的時間，建立立體模型；與傳統(tǒng)測量手段相比，三維激光掃描技術完善了測繪信息的表現(xiàn)形式，真實反映現(xiàn)實環(huán)境，對提高工作效率和降低勞動力強度有很大的幫助，因此被企業(yè)廣泛應用。

在礦區(qū)測量中，建立礦區(qū)地表的三維模型可以全面掃描整個礦區(qū)的地形地貌，并將掃描得到的三維點云數(shù)據(jù)通過軟件處理后方可得到該區(qū)域的三維實時立體模型，在對建立后的三維模型數(shù)據(jù)進行信息編輯后，實現(xiàn)礦山的數(shù)字化管理；三維激光掃描技術獲取的云點信息較為完整，包括對巷道內(nèi)詳細信息內(nèi)容的描述，礦山地理信息及其他附屬設置的描述，通過軟件處理后詳細的反應出巷道內(nèi)部的三維立體場景，方便井下作業(yè)人員了解巷道具體情況，了解人員活動軌跡。

在進行掃描前對巷道周邊環(huán)境進行勘探，根據(jù)巷道特點確定三維激光測量儀一起的架設位置，并安放在合理的位置；在掃描過程中針對不同掃描目標要求，合理選擇掃描的密度參數(shù)，三維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)可以與軟件兼容，進行開采場地體積、斷面等信息數(shù)據(jù)的采集和檢核。在建立三維巷道模型的整個礦井下，可以配合井下人員的定位系統(tǒng)，實時掌握井下人員分布，對災難應急救援有一定的幫助。三維激光掃描技術作為高速測量全站儀系統(tǒng)，具有稷山小和受周邊環(huán)境營銷較小的特點，主要采用主動式激光掃描原理完成測量，沒完成驛站掃描儀速度非常快，每個點云數(shù)據(jù)的處理方式不同，三維激光掃描系統(tǒng)可以自動識別實物，在礦山測量中發(fā)揮重要的作用。

4 結束語

礦山空間三維信息的獲得與傳統(tǒng)測量技術相比有較強的實用性，由于三維激光技術采用非接觸即可測量技術，特別是在地形復雜的山區(qū)可以全天候作業(yè)，更加實用于井下作業(yè)；三維激光測繪技術獲取的是三維信息，可以直觀立體的表現(xiàn)礦山的真是形態(tài)，用該技術測量的三維云點數(shù)據(jù)豐富全面，為數(shù)字礦山提供優(yōu)質的數(shù)據(jù)基礎。礦山測繪技術中采用三維激光測繪技術可以充分發(fā)揮該技術的優(yōu)勢，隨著三維激光技術的發(fā)展，成為測繪領域普遍使用的新型測繪技術，有很廣闊的未來發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]周文婷.淺談二維激光掃描技術在地籍側繪巾的應用科技[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（06）.

[2]齊坤.淺談三維激光掃描技術在礦山測繪中的應用[J].世界有色金屬，2016（07）.

篇9

Abstract： In recent years， with the continuous development of 3D laser scanning technology， on-board laser scanning technology has been more and more widely used. This paper introduces the working principle of on-board 3D laser scanning system， puts forward the matters needing attention in data collection system. The accuracy of the on-board measurement system is verified through experiment. Finally， the author's opinion on on-board mobile mapping technology.

關鍵詞： 三維激光掃描;車載移動測量;點云;精度

Key words： 3D laser scanning;on-board mobile measurement;point cloud;precision

中圖分類號：P204 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）01-0121-02

0 引言

信息的獲取、處理及應用是地球空間信息技術研究的三大主題，如何快速、準確、有效地獲取空間三維信息，是許多學者深入研究的課題[2]。從簡單的向實時信息提供測量數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，該應用已擴展到許多領域中。如何解決信息獲取的實時性與準確性已成為空間信息技術發(fā)展的瓶頸[3]。近來迅速發(fā)展起來的一項新技術即三維激光掃描測量技術，也為具有地理坐標的空間數(shù)據(jù)獲得提供了一種重要的技術手段。這項新技術打破了傳統(tǒng)單點測量方法，具有快速、非接觸、穿透、實時、動態(tài)、主動、高密度、高精度、數(shù)字化、自動化等特點[1]。

三維激光掃描技術能夠完整并高分辨率高精度的快速獲取掃描目標的真實三維數(shù)據(jù)，通過點云的方式表達出來，采集的點云數(shù)據(jù)除了具有幾何位置外，有的點云還含有顏色信息和反射強度信息，使得獲取的點云數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列后處理工作可以真實的呈現(xiàn)掃描物真實狀態(tài)，因此，三維激光掃描技術這項新技術又被稱作實景復制技術[4]。按照載體平臺的不同，能夠把三維激光掃描技術分為船載、車載、機載、地面、背包以和手持型。

目前，水文部在重慶已成功地進行了全國水文演練應急監(jiān)測，三維激光測繪為應急演練的外業(yè)科目之一，而且還提供了技術支持科學處置堰塞湖。

本文具體介紹車載型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理，外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)處理的操作流程，最后通過實驗數(shù)據(jù)分析了車載三維激光掃描系統(tǒng)的精度問題。

1 車載三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

本文采用的是廣州中海達衛(wèi)星導航技術股份有限公司開發(fā)的車輛三維激光掃描系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成安置了HS450高精度三維激光掃描儀、高分辨率相機、差分全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導航系統(tǒng)（IMU）等多種傳感器。車載計算機系統(tǒng)控制所有的傳感器的運行，由同步控制系統(tǒng)觸發(fā)脈沖來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步采集[5]。外業(yè)采集過程中，車輛是在一個相對恒定的速度行駛，三維激光掃描儀和全景攝像頭開始在一定的采樣頻率掃描和拍照。目標物的點云數(shù)據(jù)和反射強度都是三維激光掃描儀獲得的原始數(shù)據(jù)。原始點云數(shù)據(jù)的坐標系是三維激光掃描儀下的坐標系，要想把點云數(shù)據(jù)應用到具體的工程中，還需要將三維激光掃描儀下的坐標系轉換到大地坐標系下或地理坐標系下。全景相機采集的單個相片經(jīng)過拼接處理獲得具有RGB信息的全景影像，將點云與全景影像匹配獲得彩色點云圖，增強判讀點云的視覺感和效果。與此同時，GPS采集并記錄車載移動測量系統(tǒng)的位置數(shù)據(jù)，IMU采集并記錄各傳感器的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。因此，該系統(tǒng)的工作原理可理解為三維激光掃描儀、GPS、IMU和全景相機獲得的原始數(shù)據(jù)進行時間同步和地理坐標系統(tǒng)一的快速移動測量系統(tǒng)。

其中，三維激光掃描儀在移動的過程中，采用脈沖式測距方式，由發(fā)射器發(fā)射激光到達目標物表面，再由接收器接手目標物表面反射回來的激光束，可得到三維激光掃描儀到目標物表面的距離信息，其工作原理如圖1所示。

2 車載多傳感器集成系統(tǒng)作業(yè)流程

該系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)按照下面的流程進行：準備工作、外業(yè)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。各流程需要注意的問題如下：

2.1 準備工作

在保證測量基站GPS正常工作的前提下，對定位定姿系統(tǒng)（GPS/IMU）進行對準并標定各傳感器合適的參數(shù)。如果在已經(jīng)控制點的情況下，采集到的數(shù)據(jù)為絕對坐標，若沒有已經(jīng)控制點，得到的數(shù)據(jù)均為相對坐標。確保各傳感器正常運行。

2.2 外業(yè)采集

正式作業(yè)前，采取試采集操作，是為了檢查儀器運行是否正常，掃描儀是否在正確采集點云數(shù)據(jù)，全景相機拍照時是否有缺失照片，衛(wèi)星信號是否良好。在沒有問題的情況下，作業(yè)前后都需要進行靜止測量。

2.3 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

由多個相機獲得的像片進行全景拼接，優(yōu)化因為拼接問題造成的樹干、天線、電線桿與實際不符的情況。道路兩側的目標地物信息，會被花草、行人、車輛等遮擋住所需的目標地物信息，這些冗余數(shù)據(jù)需要去除后，才能得到真正需要的點云數(shù)據(jù)。

3 實驗及分析

3.1 精度驗證實驗

本次實驗區(qū)域為武大園區(qū)內(nèi)，圖2所示為武大園區(qū)內(nèi)的點云數(shù)據(jù)，圖3所示為武大園區(qū)內(nèi)的線化圖，線化圖獲得的手段是基于三維點云快速測圖采集，并與AutoCAD聯(lián)合測圖獲得的。因此，線化圖是點云應用的二次產(chǎn)物，兩者的精度也有一定的相關性。由車載三維激光掃描儀采集得到的點云與傳統(tǒng)測繪技術得到的地物點的數(shù)據(jù)進行對比，驗證車載三維激光掃描系統(tǒng)的點云精度問題。

采用車載三維激光掃描系統(tǒng)采集的建設場地稱為標定場，由RTK技術采集的場地成為驗證場，在該區(qū)域內(nèi)，尋找合適的建設場地進行試驗，必須滿足以下要求：①標定場與驗證場應具有良好的GPS信號;②優(yōu)先選擇寬闊道路，并且路況較好，路面平整度高，行人車輛較少，方便車載三維激光掃描系統(tǒng)的外業(yè)采集;③道路兩邊具有固定的特征顯著的地物，如道路標識線，滿足特征地物分布均勻的要求，方便車載三維激光掃描系統(tǒng)快速識別采集到這些特征;④建設場地的長度應不短于100米，不超過500米的距離為最合適的采集路線長度。

在測量驗證場時，采用單點測量方法，用PTK測量出驗證場征點的絕對坐標。特征點的選擇應滿足以下要求：①特征點容易測量得到，可以使用RTK或全站儀測量出它的絕對坐標;②特征點沒有遮擋物，方便車載三維激光掃描系統(tǒng)的采集識別;③特征點在點云中容易被識別。本實驗選取的特征點為道路邊上的某點，如圖4所示。測量出該點的絕對坐標。在點云圖中，找到該同名點的位置，在點云中提取出該標記點的坐標，如圖5所示。

3.2 精度數(shù)據(jù)分析

本實驗采集了6個同名點的坐標信息數(shù)據(jù)，RTK與點云精度對比如表1所示，所得數(shù)據(jù)的單位都是米。

由點云與RTK精度對比的數(shù)據(jù)中可得：點云精度與RTK精度的絕對誤差小于10cm。因為線化圖是由點云數(shù)據(jù)衍生出的產(chǎn)物，6個同名點在線化圖和點云圖上的坐標信息完全一致，可見點云數(shù)據(jù)衍生出的其他成果的精度的可靠性，也再次驗證了車載三維激光掃描系統(tǒng)作為一項測繪新技術。

4 結束語

車載移動測量系統(tǒng)可以彌補傳統(tǒng)外業(yè)測量的耗時耗力，還能夠獲得單點測量以外的空間信息。盡管車載三維激光掃描系統(tǒng)的諸多優(yōu)勢，但仍有一些問題存在，主要有定位定姿的平衡問題對點云精度的影響;點云數(shù)據(jù)仍有部分缺少色彩信息;車載移動測量系統(tǒng)采集道路兩旁地物信息，因此立面體的頂部和背對街面的點云數(shù)據(jù)仍有缺失問題;點云數(shù)據(jù)量大，給內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理增加了一定難度，自動化的后處理模式也將會是車載移動測量系統(tǒng)應用的一大趨勢。

參考文獻：

[1]胡雨佳.車載激光掃描技術研究與應用現(xiàn)狀[J].鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)科技，2014（9）：301-302.

[2]汪肇勇.三維激光掃描測量技術探究及應用[J].科學與財富，2014（12）：457-458.

[3]劉春，楊偉.三維激光掃描對構筑物的采集和空間建模 [J].工程勘察，2006（4）：49-53.

篇10

古建筑修復工作首先需要對古建筑進行完整的測繪并數(shù)據(jù)存檔,利用存檔數(shù)據(jù)進行研究和修復。古建筑測繪工作主要針對研究對象的完整基礎性數(shù)據(jù),如空間環(huán)境、古建筑局部細節(jié)等。傳統(tǒng)測量手段需要借助反射棱鏡等工具進行單點測量，單點的測量費時較長，甚至要花幾分鐘的時間對一點的坐標進行測量。三維激光掃描儀利用激光測距原理，直接對被測物體進行快速掃描，獲得高精度的三維數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息包含X,Y,Z坐標和物體反射率的信息，因此三維激光掃描技術具有快速、非接觸性、高精度等特點。

2采集點云數(shù)據(jù)

為了完整采集古建筑物的建筑信息，通常需要分站多角度進行掃描。首先根據(jù)需要掃描的范圍和三維激光掃描儀的掃描參數(shù)，設計掃描控制網(wǎng)，布設掃描站點時應有利于減少測量誤差，提高點云數(shù)據(jù)拼接的質量。為確保整體掃描質量，相鄰兩站之間數(shù)據(jù)應有30%左右的重合度，同時相鄰兩站間至少應有三個不同線的公共靶標。實施掃描過程中，在設定站點上架設三維激光掃描儀時，應注意避免掃描激光束與物體間夾角過小而造成掃描精度下降，同時掃描儀不要被其他物體過度遮擋。掃描時應根據(jù)掃描對象的復雜度選擇不同的掃描參數(shù)，如表面細節(jié)豐富的物體應采用高分辨率掃描，表面特征平滑物體宜采用低分辨率掃描，以加快掃描速度。因目前三維激光掃描儀還沒有辦法直接獲取顏色信息，每站掃描結束后，可根據(jù)需要對掃描區(qū)域進行拍照存檔，以獲取物體的色彩和紋理信息。

3點云拼接

隨著測量距離的增加，三維激光掃描的掃描精度受環(huán)境影響呈下降趨勢，因此復雜的建筑物需要多站掃描,每站掃描數(shù)據(jù)均是獨立坐標，需要進行拼接，統(tǒng)一到同一坐標系。拼接時，以其中任一站作為控制網(wǎng)坐標的基準點云，其余測站點云與基準點云兩兩配準。為了提高拼接精度，通常采用靶標拼接，點云間的拼接精度可達1毫米，如圖1所示。但由于掃描過程中可能出現(xiàn)靶標遮攔或測量角度過大的情況，無法使用靶標進行拼接，此時需要利用兩站點云中公共區(qū)域的相同特征點配準。

4三維模型的建立

利用三維點云重構三維模型,通常有兩種方法：(1)模型匹配法：此方法自動程度較高，從點云抽取出模型部分，與常用的三維模型組件（如柱體、錐體、長方體等）進行自動匹配處理，達到建立三維模型的目的。這種自動匹配方法適用于具有規(guī)則形狀的對象。(2)古建筑多為不規(guī)則形狀，需要先對點云數(shù)據(jù)進行去噪、重采樣等處理，生成高精度三角網(wǎng)格模型，利用Nurbs等擬合算法生成建筑的曲面模型。本方法可生成高精度模型。最后利用映射功能可將照片中的顏色、紋理信息投影至三維點云數(shù)據(jù)上，生成具有真實紋理的三維模型。

5三維模型的修復

古建筑因為年代久遠，會造成部分損壞，利用三維網(wǎng)格模型，根據(jù)周圍網(wǎng)格信息，對其進行修復、調整，可以得到較準確的數(shù)字模型。由于古建筑物結構復雜、表現(xiàn)特征豐富，難以實現(xiàn)網(wǎng)格的自動化修補。針對點云數(shù)據(jù)的修復主要采用兩種方法:(1)如果損壞出現(xiàn)在較平滑區(qū)域，如墻體時，可采用線性插值法填補缺乏數(shù)據(jù)；(2)如果損壞出現(xiàn)在非平面區(qū)域，首先根據(jù)周圍網(wǎng)格信息計算缺失部分的曲率，再利用二次曲面插值方法進行插值，并使用周圍點的顏色信息采用雙三次插值算法計算新生成網(wǎng)格點的顏色信息，達到較好的修復效果。

6結束語