三维激光扫描技术及其应用探讨

时间:2017-11-02 物理毕业论文 我要投稿

  三维激光扫描技术是对激光测距技等原理进行利用并以此获得数据的一种新型技术,下面是小编搜集整理的一篇探究三维激光扫描技术应用的论文范文,欢迎阅读查看。

  【摘 要】本文首先对三维激光扫描技术的理论、系统组成、工作原理进行分析,对三维激光扫描技术的特点进行总结,对三维激光扫描流程进行探讨,并对三维激光扫描技术的应用进行研究。

  【关键词】三维激光扫描;应用;测量

  引言

  三维激光扫描技术是对激光测距技等原理进行利用并以此获得数据的一种新型技术,广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、断面和体积测量等领域,具有一些优势,包括无需合作目标、精度较高、密度较高、效率较高以及全数字特征等。三维激光扫描技术能够真实描述扫描对象的整体结构,以及形态特性,能够迅速准确的生成三维数据模型,防止基于点数据的分析方法导致的片面性。把三维激光扫描技术和控制策略相互结合在一起,能够得到扫描目标的坐标。本文对有关三维激光扫描技术及其应用进行分析和探讨,不足之处,敬请指正。

  1 三维激光扫描技术

  三维激光扫描技术选用的是非接触式高速激光测量的方法,对相关物体几何数据及影音资料进行获取,最后利用后处理软件对数据进行处理和分析,转换成具有坐标系的三维空间坐标及模型,并能够用多种数据格式输出,满足空间数据库的数据源,以及三维激光扫描技术的不同应用需求。

  1.1 系统组成

  (1)三维激光扫描仪;(2)数码相机;(3)后处理软件;(4)电源以及附属设备。

  1.2 工作原理

  三维激光扫描技术利用设备内部的激光脉冲发射器,向相关目标物体发射一束激光脉冲,通过反光镜旋转,发射出的激光脉冲扫描目标,信号接收器接收反射回来的激光脉冲,对相关数据进行记录,包括每个激光脉冲从发射到被测物表面,然后返回设备所经过的时间,以此获取目标到扫描中心的距离,除此之外扫描控制模块对每一个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β进行控制,最后经过后处理软件自动解算,得出目标的相对三维坐标,也就是云点,经过转换后,在绝对坐标系中表现为三维空间位置坐标或者模型。

  1.3 三维激光扫描技术的特点

  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。

  1.4 三维激光扫描流程

  在对控制网进行布设过程中,要先对现场进行勘察,选择出合适的测站点,然后开始进行控制测量,选用全站仪法或者GPS设备,由于测站点精度对点云坐标精度存在一定的影响,所以尽可能选用全站仪对控制网进行布设,而且要符合闭合导线的形式,利用GPS进行控制网的布设时,可以选用水准测量法进行准确测量,以确保高程方向精度,具体的三维激光扫描流程图如图一所示。

  2 三维激光扫描技术的应用分析

  2.1 工程应用

  (1)大型土木工程测量

  三维激光扫描技术在大型土木工程测量方面的应用,主要是在道路、桥梁、地下坑道等施工工程现场,对施工之前的地形图进行扫描,提高准确的数据支持,建立施工后目标三维图形,对施工进行质量上的把控,并进行相关数据的记录。比如,在道路工程数据测控中,通过三维激光扫描技术,得到点云数据,进行处理后,经过测量、建模等步骤,在众多工程案例中,达到道路设计要求。

  (2)复杂工业设备测量

  三维激光扫描技术可以应用与较为复杂的工业设备测量中,工业设备一般管线林立,纵横交错,因此对工业设备进行规划、改造过程中,可以对三维激光扫描技术进行利用,生成高精度3D模型,为数据测量提供依据。

  (3)地质应用

  三维激光扫描技术也可以在地质方面的地质调查、编录、环境监测、安全监测以及裂缝研究中提供技术支持,以上应用中假如使用传统的、常规测量手段,一般效率和精确度都比较低,而三维激光扫描技术可以提供非接触、安全、高效的目标坐标,建立模型并分析处理。

  (4)变形监测

  常规变形监测一般选取的方法包括常规测量、GPS测量、传感测量等,这些测量方法首先需要进行监测点的布设,然而监测点的数量是有限制的,而且测量效率也不高,容易收到天气的影响,在雨天、雾天等天气下,能够得到的准确数据很有限,无法准确的体现出变形的情况。如果使用三维激光扫描技术,最主要的是得到精度均匀、密度高的数据,可以发现许多细节变化,数据中包含任意截取断面,能够对目标的整体稳定性分析。

  2.2 文物保护

  三维激光扫描技术在文物保护方面的应用,主要是对文物的大小、形状、安全性等方面进行综合考虑,而且无法在目标物品上粘贴测量标志,也就是需要进行无接触测量,因此三维激光扫描技术是最为适当的测量方法。以往是采取全站仪、近景摄影测量系统的方法,尽管能够对文物进行数字化,

  但是却无法详细表达其三维信息,三维激光扫描技术弥补了这个缺点,得到的数据精度和密度都比较高,可以建立精细表面模型,能够对文物上任何点进行测量,假如文物破损后可以及时提供修复数据,这些技术对于我国文物保护提供巨大帮助。

  2.3 事故现场模拟

  三维激光扫描技术能够对交通事故现场、犯罪现场进行细节测量,按照事故现场建立三维模型,生成动画模拟效果,让事故现场的真实情景再现。

  2.4 其他应用

  三维激光扫描技术还有一些应用,比如考古测量、数字城市建模、油气田设计以及沙丘监测等。

  3 结语

  总而言之,三维激光扫描技术是现阶段较为新颖的技术,具有高效、数据量大、速度快等诸多优点,因此在大型工程、文物保护、事故现场等方面得到广泛应用,本文对有关三维激光扫描技术及其应用进行分析和探讨,以期对于我国三维激光扫描技术的推广,起到一定的促进作用。

  参考文献

  [1]黄世耀.激光的基本原理、类型及其应用[J].中国科技信息,2006(01).

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