如何选择地面三维激光扫描仪修订版

如何选择地面三维激光扫描仪一、三维激光扫描仪原理1、三维激光扫描仪构成：三维激光扫描仪主要由激光发射器、接收器、时间计数器、马达控制可旋转的滤光镜、控制电路板、微电脑和软件等组成。2、三维激光扫描仪原理激光脉冲发射器周期地驱动激光二极管发射激光脉冲，由接收透镜接受目标表面后向反射信号，产生接收信号，利用稳定的石英时钟对发射与接收时间差作计数，最后由微电脑通过软件，按照算法处理原始数据，从中计算出采样点的空间距离;通过传动装置的扫描运动，完成对物体的全方位扫描;然后进行数据整理从而获取目标表面的点云数据。3、三维坐标确定方法4、三维激光扫描仪应用量化实景对象、三维信息采集、逆向三维重构、逆向三维建模空间数据反求、对象逆程设计、预研仿研仿制、虚拟现实应用正向工程反证、逆向工程实施、概念设计仿真、逆向制图还原结构特性分析、试验工程仿真、后数据测计量、目标形变监测工程技效评估、电脑模拟实战、环境适应仿真、工程力学分析对抗模拟推演、企业无纸操作、虚拟设计制造、科目效果测试整合三维资源、创建三维流程、工装工艺规划、改进改造工程历史资源修复、任务方案优化、对象加载仿真、设施维护维修5、三维激光扫描仪应用领域核电站，文物，考古，建筑业，航天，航空，船舶，制造，军工，军事，石化，医学，水利，能源，电力，交通，机械，影视，教学，科研，汽车，公安，市政建设......二、三维激光扫描仪分类目前市场上销售的地面式三维激光扫描仪按扫描方式划分有两种：1、基于时间-飞行差，又称脉冲式；2、基于相位差，又称相位式。1、测量原理1.1脉冲式测量原理由激光发射器发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收.测距仪同时记录激光往返的时间.光速和往返时间的乘积的一半.就是测距仪和被测量物体之间的距离，设备记录本身在水平和垂直方向的旋转角度，再通过软件，计算出三维数据。1.2、相位式测量原理相位式测量是用无线电波段的频率.对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟.再根据调制光的波长.换算此相位延迟所代表的距离，即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，设备记录本身在水平和垂直方向的旋转角度，通过软件计算出三位数据。如下图：1.2.1相位式测量原理图2、两种方式三维激光扫描仪主要性能特点2.1脉冲式：a.射程：大于200米，最远的甚至达到6,000米；b.精度：对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程：2,000米）：±2mm–±7mm（测量距离50米时）；对于超长距离脉冲扫描式三维激光扫描仪（最大射程：6,000米）：±15mm（测量距离50米以内时）。c.最大激光发射频率：2,000–300,000赫兹。d.扫描速度：受脉冲式影响，扫描速度受到限制。e.太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：小。g.应用于以下领域:测绘.矿山.隧道.电力.水利.通讯.环境.建筑.地质.警务.消防.爆破.航海.铁路.反恐/军事.农业.林业.房地产.休闲/户外运动等.2．2相位式a.射程：受相位式影响，扫描射程会受限制。Leica62000.4-79米，法如120米，Surphaser0.2-140b.精度：2mm(距离：25米）：±12mm（距离：50米）。c.最大激光发射频率：30万–120万赫兹。Surphaser目前是最高的120万赫兹，法如97.6万，Leica50.8万。d.扫描速度：随所设定的激光发射频率变化。e.太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响：有影响。Surphaser是受环境影响最小的。三、三维激光扫描仪基础参数定义。1、脉冲激光发射频率：脉冲激光的发射频率即PRR（PulseRepetitionRate）脉冲重复频率。它表达的是激光器每秒中所发射的脉冲激光的个数，即赫兹。由于激光是受激发射的光，所以，PRR不是一个恒量，有一个变化的幅度。如我们说：激光脉冲发射频率是5,000赫兹，也就是它可能有时发射4,950赫兹，有时发射5,010赫兹。激光脉冲的发射频率越高，在单位时间内所发射的激光点云的数量越多。一般来讲，为了达到最高的精度，在扫描时，我们要选择设备的最高的激光发射频率和最小的递增角度，使得扫描的激光点云密度达到设备的最大值。对于不同厂家的设备，其激光脉冲的发射频率PRR不同。脉冲式从天宝、Optech、徕卡（ScanStation1）、i-site的2,000–5,000赫兹到Riegl的LMSZ-Z系列的27,000赫兹。相位式，Leica6000，6100和德国Z&F的50.8万点/秒到Surphsaer的120万点/秒。2激光扫描速度ScanRate：有些厂家，如徕卡，常常给出激光扫描速度：如激光扫描速度5,000点/秒（ScanStation1）或50,000点/秒（ScanStation2）。它实际上是发自激光器的单位时间的激光点数，PRR即激光重复发射频率。从物理上讲，这种定义是不对的，激光扫描速度应该指的是单位时间内激光所扫描的长度值但是，习惯成自然，目前三维激光扫描仪行业内就把脉冲激光的发射频率即PRR，当做扫描速度参数。如何鉴定设备的激光发射频率或激光扫描速度由于到目前为止，也没有一个官方的组织和检校机构来对激光扫描仪进行质量鉴定，因此有关激光扫描仪的发射频率、最大测量距离、测量精度也没有一个统一的评判标准，只能靠各个厂家和用户自己来裁定。实际上，即使激光扫描仪发射了5,000点/秒，激光扫描仪最多只能接受到1/3，其余的2/3都被散射了。如果垂直方向的角度大于±40度，激光扫描仪在单位时间内所能够接受到的激光点的数量还要小于1/3，甚至小于1/5。如：许多用户对比了徕卡公司的ScanStaion1和ScanStation2，发现其所有参数都一样，只有激光扫描速度由5,000点/秒提高到50,000点/秒，而且前后推出的时间不到一年。在使用时，也没有感觉到激光点云的密度有多大的增加。由于用户不能拆开激光扫描仪，即使有疑问，也束手无策。但是，我们可以选择一个扇墙，将垂直角度设定在±10度以内，水平扫描角度设为20度，扫描距离小于50米，然后对20秒时间内的扫描结果进行评判。如果接受到的激光点云数目远小于50,000点/秒的1/3（即17,000点/秒X20秒=340,000点），那就说明你的质疑是对的。所有厂家标出的扫描速度都是设备的理想值，实际使用中不肯能达到标定值。如：相位式中LeicaHDS6100标称50万点/秒，和FARO标称97.6万点/秒，实际使用中也就十几万点/秒，而Surphaser刚开机时最慢的速度是21.6万点/秒，在十五分钟内能够达到100万点/秒以上。脉冲式的扫描速度受扫描模式的限制都比较慢（几千点），但近几年许多厂家的设备都出现了，其他参数不变扫描速度乘10倍的增长。根据上述理论，扫描速度增加相对应精度就会增加。如：Leica-ScanStation15000点/秒Leica-ScanStation250000点/秒Topcon-GLS-10003000点/秒Topcon-GLS-160030000点/秒当然也有比较真实的厂家如：Optech-ILRIS-3D2500点/秒Trimble-GX由3000点/秒升级到5000点/秒I-Site4400的4400点/秒I-Site8800的8800点/秒I-Site8800的实际扫描速度在以上几款设备中是最快的。3.激光扫描的最大距离每一款的激光扫描仪的最大扫描距离与光线的强弱、由此所引起的物体反射率的变化、垂直扫描角度的大小等相关。我们知道，当光打到物体反射率越高的物体，所反射回来的光信号越多，强度越高，因此，激光扫描仪的射程也越远。但是，大多数的地面、建筑物的反射率为40%--50%，大多数的树木的反射率为30%--70%，煤和沥青路面在15%和25%之间，因此在实际应用中，我们要对设备的最大射程打折。对于不同公司的产品，因为他们所依据的基础反射率不同，打折幅度不同。对于建筑，地形地貌等应用:Optech的ILRIS-3D标定的最大射程参数为1,200米到1,500米（多种配置），不论它如何标定，增强型与否，对于建筑物扫描和地形地貌为例，在实际应用中，它的最大射程大约在500米。对于徕卡的ScanStation1和ScanStation2，经过德国的汉堡大学的测试，在使用HDS黑/白发射片时（反射率90%），最大射程为200米。在实际应用中，对于建筑物和地形地貌扫描，它的最大射程大约在120米。I-Site8800设计定义为专业矿山型三维激光扫描仪。其最大特性就是扫描距离远。针对反射率仅为10％的物体扫描距离就可达到500m。对于建筑，地形地貌最为专业。对于相位式三维激光扫描仪，受扫描模式限制扫描距离也受到限制。目前突破100m的产品只有Surphaser和FARO。LeicaHDS6200标定最大测距79m，在室内应用时，最大距离应该在50m以内；在室外应用时，阴天可在30m以内使用，晴天20m或不可用。晴天时20处，Leica公司标配的标靶都不可识别了。FAROPhoton120据说最远能够达到153米，据实验目前最高反射率物体（90％以上）能达到100米就不错了。Surphaser产品目前是严格按照美国军方标准制定，测距标定方法主要是针对行业应用。实际测量范围比规定范围要大的多。SR标称0.2-5米是定义的高精工业级别，实际在普通环境中可达35米，并保证精度0.3mm。如果在黑暗环境可达46米。IR_X标称0.4-19米实际0.4-45米MR_X标称1-30米实际0.5-50米ER_XQ标称1.5-50米实际1-70米ER_XS标称1-70米实际1-140米目前Surphaser在相位式中是测量距离最远的4、扫描精度由上述理论得知激光发射频率和角度分辨率是影响精度的最关键参数。一般来讲，为了达到最高的精度，在扫描时，我们要选择设备的最高的激光发射频率和最小的角度分辨率，使得扫描的激光点云密度达到设备的最大值。发射频率越高单位时间内发射的激光点就越多，角度分辨率越小激光点间距就越小，从而点云密度就会越高。Surphaser25HSXSR扫描速度120万点/秒角度分辨率1″LeicaHDS6200扫描速度100万点/秒角度分辨率6.4″FAROFOcus3D扫描速度97.6万点/秒角度分辨率32″扫描精度结果一目了然脉冲式三维激光扫描仪，精度测量重复性好，受光线影响小，但是如果垂直扫描角度较大时，由于激光点云的斑点形状变形（圆形的成为椭圆或畸形），也会使精度显著降低。精度与所使用的标靶的反射率和形状以及垂直扫描角有关大多公司所给出的精度全是在最理想的标靶情况下得出的，因此，用户不可能指望他在使用中能够达到标识精度。下面有汉堡大学对徕卡、Optech、天宝、Z&F、Faro等做的实验比较结果。Faro、天宝与其公布的相差较大，Optech其次，徕卡和Z&F所公布的精度相差最小。但是全是其多次重复扫描的精度，并且是使用特殊的优质球型标靶。相差最小的徕卡的scanstation2，厂家给出的点位精度为±6mm，距离精度为±4mm(50米距离)。但是，在实际应用中，即使你使用徕卡推荐的标靶，在50米的距离，采用小的垂直扫描角度，你也达不到8mm的精度，请不要沮丧，因为他们使用的标靶是不一样的。I-Site8800角度分辨率3.6″是大范围三维激光扫描仪中角度分辨率最小的。10mm的精度对于2000m的扫描范围来说也是非常高的。5、激光的安全等级，如何分类激光的安全等级是根据激光器所产生的激光对人体的损害程度而分类的。激光的分类从CLASSI（无损害）到CLASSIV激光。ClassI激光属于低能量级激光设备，它是非常安全的并且可避免所有的静电危险。下面是CLASSI激光的几个应用领域：激光打印机，CD播放器，CDROM设备，地质勘测设备以及