三维激光扫描技术及其应用2013-8-30

三维激光扫描技术及其应用宁波市测绘设计研究院阿拉图数字科技中心聂倩博士2013-8-30内容概要地面三维激光扫描技术车载移动测量系统工程应用123内容概要地面三维激光扫描技术车载移动测量系统工程应用123三维激光扫描技术发展概况逆向工程三维激光扫描技术发展概况医学三维激光扫描技术发展概况影视动漫地面激光扫描的发展Cyrax-LeicaMensi-Trimble专业名称快速非接触主动测量高精度、高密度融合激光反射强度和色彩信息可量测地面三维激光测量技术主流设备地面三维激光测量技术Leica扫描仪全球范围内将三维激光扫描技术应用于改建工程、细部测量、工程设计与咨询以及地形测量项目的领导者硬件高度集成化速度快1998100点/秒1000点/秒2000点/秒500000点/秒4000点/秒50000点/秒500000点/秒50000点/秒1000000点/秒20012003200620072010地面三维激光测量技术Trimble扫描仪Mensi最早研发和应用机构之一CCD、激光、机械传感技术高质量整合MensiS25MensiGS100TrimbleGS200TrimbleGX200TrimbleFX地面三维激光测量技术RIEGL扫描仪-3D产品VZ系列Vz400600米VZ10001400米LMS系列Lms6202KMLMS390400mLPM3216公里射程地面三维激光测量技术RIEGL扫描仪-2D产品机载激光扫描仪RIEGLVQ-480100deg200kHz200m(20%)360deg200kHz300m(80%)RIEGLVQ-180RIEGLVQ-25060deg200kHz600m(60%)ScanRange:LaserClock:Max.Range:地面三维激光测量技术RIEGL扫描仪-VZ400扫描仪打开多回波功能关闭多回波功能V-系列：世界上唯一能够发射和接受到无穷次回波具有数字化全波形采集和实时处理功能的二维和三维激光扫描仪系列。地面三维激光测量技术与传统测量方式比较采用全站仪逐点测量法你能看出这座桥吗？采用扫描仪逐面测量法地面三维激光测量技术与传统测量方式比较地面三维激光测量技术技术优势使用简单，快速扫描，安全操作，应用范围广泛数据非常详细，高质量图像并可观察图片的数据特征附加的一些测量信息，如激光强度、色彩等，这是传统测量不可能做到的精确高速的数据捕获、减少数据采集和分析的回转次数对扫描区域进行的长程、高速扫描，可使效率最大化一次扫描后可以在点云模型上进行反复的“模型测绘”继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新地面三维激光测量技术系统组成地面三维激光测量技术工作原理软件后处理信号处理接收器发射器扫描物体地面三维激光测量技术定位原理地面三维激光测量技术测距原理脉冲式测距相位式测距地面三维激光测量技术按测距类型分类脉冲式扫描仪相位式扫描仪地面三维激光测量技术地面三维激光测量技术地面三维激光测量技术按扫描方式分类多面扫描棱镜的转动决定激光束出射方向摆设扫描镜旋转正多面体扫描镜旋转椭圆柱扫描镜地面三维激光测量技术点云信息：表达目标空间分布和表面光谱特性的海量点集合可量测性光谱性不规则性高密度性表面性点云的三维渲染图地面三维激光测量技术点云信息地面三维激光测量技术点云文件地面三维激光测量技术图像表示灰度图灰度图像：像素值表示该点感光的强度或灰度；距离图像：像素值表示扫描点的距离信息；距离图地面三维激光测量技术主要性能指标地面三维激光测量技术点位精度地面三维激光测量技术测程在激光束垂直入射，目标实体的平面尺寸超过激光束直径时，所能达到的射程；取决于激光发生器的功率波长和目标反射率。通常测程指的是在90%以上反射率情况下。物体的反射率越小，对应测程也越小。地面三维激光测量技术光斑大小地面三维激光测量技术光斑大小地面三维激光测量技术视场角地面三维激光测量技术扫描控制方式地面三维激光测量技术扫描模式地面三维激光测量技术数据存储地面三维激光测量技术电源地面三维激光测量技术反射标志地面三维激光测量技术反射标志选择与布设地面三维激光测量技术主要性能指标系统OptechILRIS-3DLeicaHDS6000RIEGLVZ-400TrimbleGS200Z+FImager5003点位精度10mm@100m6mm@25m10mm@50m5mm@100m15mm@100m14mm@53.5m距离分辨率7mm@100m4mm@25m5mm@50m2mm@100m7mm@100m5mm@53.5m角度分辨率1.6″25″1.8″12″36″激光波长1535nm690nm770-3000nm532nm780nm测程1200m79m600m350m53.5m光斑大小22mm@100m8mm@25m14mm@50m30mm@100m3mm@50m3.5mm@1m扫描速度2500-3500p/s500000p/s300000p/s5000p/s500000p/s扫描方式脉冲式相位式脉冲式脉冲式相位式视场角V：士40°H：士40°V：310°H：360°V：100°H：360°V：60°H：360°V：310°H：360°地面三维激光测量技术地面扫描仪市场比例各类商用点云处理软件地面三维激光测量技术工作流程外业察看现场及测量项目规划现场扫描控制网建立点云数据的拼接室内工作：三维数据的处理记录测量过程作业面划分扫描设站的选择靶标的布设扫描参数的设置地面三维激光测量技术现场扫描地面三维激光测量技术数据处理地面三维激光测量技术数据处理地面三维激光测量技术点云误差影响因素地面三维激光测量技术削弱误差影响的方法扫描仪定期标定，确定测距和测角的系统误差；扫描作业合理规划，尽量减少测站次数，从而减少因点云配准引入的配准误差；缩短扫描距离，减少大气对激光传输的影响；尽可能进行垂直扫描，避免激光光斑形状造成的扫描点位置不确定性；采用滤波和拟合等数据处理手段，提高点云数据质量。内容概要地面三维激光扫描技术车载移动测量系统工程应用123智慧城市，从空间信息快速获取与智能化处理开始城市空间信息的快速获取、更新及智能化处理是当前测绘领域的研究热点，也是“数字城市”、“智慧城市”、“智能城市”建设亟待解决的重要问题。信息化城市发展的基本需求：快速获取、智能化处理。城市测量技术进步的必然要求：地面测量难以被取代；地面测量技术无显著进展。移动测量技术发展过程阶段一：阶段二：阶段三：轨测量（10年前）摄影测量（5年前）激光测量（近三年）GPS视频GPS视频GPS视频GPS视频导航数据生产道路线修测导航数据生产道路线修测GPS视频POS系统CCD/全景相机导航数据生产道路线修测导航数据生产带状地图数字城管…GPS视频POS系统CCD/全景相机激光扫描仪GPS视频地形测绘实景地图三维建模导航数据生产…移动测量系统立体影像车载系统车顶平台GPS天线相机组视频相机CCD1CCD2相机组CCD3CCD4走线孔背梯测量相机架GPS天线BGPS天线AGPS天线相机组相机组全角云台CCD5CCD6Laser1Laser2Laser3CCD7移动测量系统立体影像车载系统TOPCON移动测量系统IP-S2测量版系统TOPCON移动测量系统IP-S2测量版系统TOPCON移动测量系统IP-S2测图版系统移动测量系统LYNX系统移动测量系统LYNX系统移动测量系统RIEGLVMX-250系统GPS视频每秒300000个点射程达300米移动测量系统中海达iScan系统移动测量系统车载激光扫描与全景成像城市测量系统车载激光扫描与全景成像城市测量系统车载城市测量系统构成激光扫描系统全景成像系统GPS+IMU=POS系统工控系统电源转换系统车载城市测量系统构成RIEGLVZ-4003DLaserScannerRIEGLLMSQ-120i激光扫描传感器系统车载城市测量系统构成全景相机piA2400-17gc成像方式CCD传感器大小24542056像素大小3.45um最大帧数17fps传输模式100Mb/1000Mb车载城市测量系统的构成高精度POS系统-GPS/INS/ODO组合定位ODOGPSIMU集成控制系统车载城市测量系统的构成设备同步控制电力控制数据存储集成控制系统-工控面板车载城市测量系统的构成LOCK，闪烁表示GPS卫星锁定；POWER，同步器电源开关；RUN，同步器运行；SHIFT，内/外触发切换；HANDLE，手动模式触发；TRIG，闪烁表示有触发脉冲发出；LED液晶，显示同步信息。POWER，电气控制箱电源开关；SYNC，同步器电源开关；SPAN，SPAN-SE电源开关；CCD，全景相机电源开关；LASER，VZ400HELMSQ120i电源开关；PC3-4，计算机3、4电源开关；PC1-2，计算机1、2电源开关。电源控制系统车载城市测量系统的构成充电器220V输入车载城市测量系统的高精度标定标定的目的：解算激光扫描仪的外参数值，即三个平移参数（反映惯导中心与扫描仪中心相对位置关系）和三个旋转参数（反映惯导姿态与激光扫描仪的相对姿态关系）。标定场建设宁波国际会展中心平面控制网首级平面控制网（4个点）加密导线网（16个点）高程控制网水准测量标定场建设宁波国际会展中心平面控制网首级平面控制网（4个点）加密导线网（16个点）高程控制网水准测量标定场建设标定点测量宁波国际会展中心选择规则房屋角点、窗户角点等在点云中具有明显特征的控制点标定点的布设应有一定的高程层次分布。标定精度VZ-400标定精度标定后，标定控制场中控制点的点云坐标与全站仪测量坐标平面误差最大为9cm，平均为4.4cm，中误差±5cm；高程最大误差为12cm，平均为2.7cm，中误差±3cm。对东海花园小区以及规划大厦建筑的扫描结果中，激光点云坐标相对于竣工图上的房屋角点坐标，平面最大较差为12.4cm，平均6.3cm，平面点位中误差±7cm。LMS-Q120i标定精度Q120i的平面和高程标定中误差为±15cm，满足城市道路竣工的精度要求。车载动态作业模式静态作业模式作业模式动态车载作业模式地表面点云道路两侧点云全景影像动态车载作业模式POS数据采集全景影像采集VZ-400数据采集LMS-Q120i数据采集车载城市测量系统工作原理车载动态模式数据处理流程车载三维激光测量系统数据采集激光点云数据POS数据全景影像数据GPS/IMU联合解算激光点云检校数据激光点云定位定姿解算激光点云检校数据全景影像定位定姿解算激光点云预处理全景球生成城市三维测量及建模等应用车载动态模式数据处理流程数据解码软件数据解算软件预处理车载动态模式数据处理流程预处理全景影像生成软件车载动态模式数据处理流程CityScene海量点云管理模块点云预处理模块点云测图模块模型拟合与重建模块城市部件采集模块纹理纠正与映射模块成图车载动态模式数据处理流程点状地物成图车载动态模式数据处理流程线状地物成图静态作业模式静态作业模式静态作业模式静态作业模式内容概要地面三维激光扫描技术车载移动测量系统工程应用123典型工程应用为顺利实施东钱湖智慧城管数据库采集测绘项目，实现地理空间框架数据的整理、融合与集成，确保东钱湖城市管理信息建设高质量、高效率的完成，宁波东钱湖旅游度假区城市管理行政执法局特委托宁波市测绘设计研究院实施本项目。传统方法：外业采集：50天；外业属性调查：20天；车载方法：外业采集：5天；内业处理+属性调查：30天效率统计测区位置：宁波市海曙区通途路以北、丽园北路以西测区面积：约6万平方米；建筑规模：8幢；总建筑面积：约11万平方米。完成情况：静态三维激光扫描完成全部建筑线化图绘制和三维建模，部分地形线化图绘制