浅谈三维激光扫描技术的测量原理及其应用

时间:2017-11-02 物理毕业论文 我要投稿

  三维激光扫描影像数据是数据库与GIS系统更新一个重要的信息来源,下面是小编搜集整理的一篇探究三维激光扫描系统的论文范文,供大家阅读查看。

  [摘要]通过三维激光影像扫描仪获得的数据来组成的立体模型,能非常精确测量出建筑物和物体的尺寸,是可取代传统的测量方式。就三维激光影像扫描仪的单点精度来说,一般都可达到的水平为毫米级,而且它建模之后的测量精度绝对不比传统测量方法逊色。效率高是三维激光扫描最重要的意义所在,激光扫描内外业需要的时间通常就只有传统方法测量的1/20。物体部分点的数据是传统的方法就能够测到的,而物体的全部细节则需利用激光扫描才可测量到。因此,探讨其原理继而对其技术进行推广应用十分重要。

  [关键词]三维激光扫描系统 测量原理 数据采集 精度

  0引言

  三维激光扫描系统是可深入到所有复杂的现场环境和空间中,透过三维激光扫描可以将各种大型的、不规则、复杂的、非标准或标准等实景或实体的三维数据完整地采集到电脑上,快速地重构目标的三维实体模型,在采集的三维激光点云数据也能把目标的完整数据应用在各种后处理工作对称应用的工具。

  1三维激光扫描仪的测量原理

  三维激光扫描仪是在激光的相干性、方向性、单色性和高亮度等特性的基础上,在同时注重操作简便和测量速度上,从而保证了测量的综合精度,而其测量的原理是主要分为有测距、扫描、测角、定向这四个方面。

  1.1三维激光扫描仪的测距原理

  由于激光测距是激光扫描技术十分重要的组成部分,对于激光扫描的定位以及获取空间三维信息是具有十分重要的作用。现阶段的测距方法主要是有:相位法、三角法、脉冲法。

  测距方法都有其优缺点,而主要是集中在测程和精度的关系上,脉冲测量的距离最长,可是精度会随距离的增加而降低。相位法用于中程测量,具有比较高的测量精度,可它是通过两个间接测量才能够得到距离值,三角测量测程最短,可是精度最高,适用于近距离、室内的测量。

  1.2三维激光扫描仪的测角原理

  区别于常规仪器的度盘测角方式,激光扫描仪是通过改变激光光路而获得扫描角度。把两个步进电机与扫描棱镜安装在一起,进而分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机也是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机,它能够实现对激光扫描仪的精确定位。

  1.3三维激光扫描仪的扫描原理

  对于三维激光扫描仪是透过内置的伺服驱动马达系统的精密控制的多面扫描棱镜的转动,决定着激光束的出射方向,能够让脉冲激光束能够沿着横轴方向与纵轴方向进行快速的扫描。扫描的控制装置为:摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜。对于摆动扫描镜是一个平面反射镜,是由电机的驱动来进行往返振荡,这种测距方式就是一种间接测距的方式,通过检测发射和接收信号之间的相位差,从而获得被测目标的距离。测距精度较高,主要应用在精密测量和医学研究,精度可达到毫米级。

  1.4三维激光扫描仪的定向原理

  三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中,但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据,这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下,这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。

  2三维激光扫描技术的应用现状

  2.1三维激光扫描技术原理

  三维激光影像扫描技术又称“实景复制技术”,全部所采集的三维建模数据和三维点云数据都能够通过标准接口的格式转换更为方便地为各种工程软件来直接使用。

  2.2三维激光扫描技术应用现状

  应用范围非常广泛,主要有建筑物、地形以及其他对象进行的高精度测量。

  2.2.1能够塑造出高精度的数字地面模型以及城市模型

  三维激光扫描影像数据是数据库与GIS系统更新一个重要的信息来源。其所采集到的三维点云数据在经过拼接与合并之后,从而进行数据的预处理剔除粗差,而应用数据滤波与分类算法而得到地面高程数据以及地物数据。地面高程数据是应用在塑造高精度的一个数字地面模型,地物数据在经过目标识别的处理和提取就可以实现建立城市三维模型。

  2.2.2带状地形的测图数据采集

  地面三维激光影像扫描仪能够进行野外局部带状地形区域的分段扫描。在具有一定重复扫描的区域内,可进行三维影像合并与拼接从而生成了带状影像图。亦可以透过一些测量控制点来转换到城市或国家坐标系中,利用地物和地形三维点云数据来建立模型,进而带状地形图亦可以生成。而对于公路、铁路、大渠大江两岸部分不规则的呈带状地形图的测量,可比常规的测量速度还要快、精度还要高。

  2.2.3古文物建筑物测量和逆向工程的应用

  地面三维激光影像扫描技术能够为三维测量及逆向工程、三维数字化设计、快速模具制造等相关技术方面而提供相应的服务。也能够快速高精度地完成复杂的古建筑结构测量,大型景观(如建造大佛景观)三维数字设计与模板制作。

  2.2.4其它方面的应用

  此外,地面三维激光影像扫描仪也可以应用在复杂工业设备的建模与测量、房产图测量与房屋建模、灾害三维实时监测、工程建筑物变形监测、矿山及隧道测量、事故灾害评估和大型水利工程安全监测与研究等方面。

  3结语

  (1)三维激光扫描系统是具有快速、细致以及高精度的这些特点。而如果让其应用在地形测绘的领域,就可以减轻测绘工作人员的作业强度,和减少作业时间,进而提高测绘效率,而且测绘也能够得到一个让人满意的结果。

  (2)运用三维激光扫描系统在进行地形的测绘成图的工作时,也需要GPS、全站仪等设备来进行配合,从而空间每一个测站的位置也就确定了。

  (3)若利用三维激光扫描系统得到的地形测绘成图的质量也会受到很多外在的因素影响,例如与测站的定位精度和目标物体的反射面有关的误差以及一些外界环境条件等。所以在使用的过程中就要尽可能地减少外在的因素对整个扫描质量的影响,从而获得更高质量的测绘成果图。

  (4)三维激光扫描系统进行地形测绘成图的工作,是对于传统地形测绘工作的有力补充,这个系统是在测绘工作人员难以到达的区域而开展数据采集方面占有十分大的优势。

  参考文献

  [1]赵晓明,洪波.三维激光扫描仪应用技术研究[J].价值工程,2010(09).

  [2]徐晓雄,刘松林,李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘.2009(02).

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