三维激光扫描技术及其应用

灾害监测与防治研究中心地面三维激光扫描技术及应用开发研究花向红教授武汉大学测绘学院灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作内容灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作灾害监测与防治研究中心2020/7/284一、地面三维激光扫描技术地面三维激光扫描技术(3DLaserScanningTechnology)三维激光扫描技术是国际上近期发展的一项高新技术。随着三维激光扫描仪在工程领域的广泛应用,这种技术已经引起了广大科研人员的关注。通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），瞬时测得空间三维坐标值的测量仪器，利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据,可快速建立结构复杂、不规则的场景的三维可视化模型,既省时又省力,这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。灾害监测与防治研究中心2020/7/285一、地面三维激光扫描技术地面三维激光扫描技术(3DLaserScanningTechnology)是利用激光进行高速、实时、自动获取给定区域目标表面三维坐标的测量技术。是一种大面积高密度的非接触式主动测量技术。激光测量单元进行从左到右，从上到下的全自动步进扫描测量，在激光测量斜距的同时，记录激光光束的水平角和垂直角，从而解算目标相对于仪器中心的三维坐标，并可同时记录反射信号强度值。灾害监测与防治研究中心地面三维激光扫描技术(3DLaserScanningTechnology)快速扫描在常规测量手段里，每一点的测量费时都在2-5秒不等三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状，最初每秒1000点的测量速度已经让测量界大为惊叹.现在脉冲扫描仪（scanstation2）最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒，这是三维激光扫描仪对物体详细描述的基本保证，古文体，工厂管道，隧道，地形等复杂的领域无法测量已经成为过去式。灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术1地面三维激光扫描系统组成扫描单元控制单元电源三脚架和标靶平面靶标（FlatTarget）球形靶标（SphereTarget）灾害监测与防治研究中心手持大型三维激光扫描仪徕卡C10三维扫描仪三维激光扫描仪VZ-400•按用途分类：•可分为为室内型和室外型。也就是长距离和短距离的不同。•按生产厂家不同：Surphaser（美国），I-site(澳大利亚maptek)，riegl，徕卡，天宝，optect，拓普康，faro等产家。灾害监测与防治研究中心灾害监测与防治研究中心•传统测量概念里，所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），在现在测量仪器里全站仪，GPS比重居多，但测量的数据都是二维形式的，在逐步数字化的今天，三维已经逐渐的代替二维，现在的三维激光扫描仪每次测量的数据不仅仅包含X,Y,Z点的信息，还包括R,G,B颜色信息，同时还有物体反色率的信息，这样全面的信息能给人一种物体在电脑里真实再现的感觉，是一般测量手段无法做到的。灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术2地面三维激光扫描仪扫描定位原理sinsincoscoscosLZLYLXZYX在仪器内,通过两个同步反射镜快速而有序地旋转,将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲依次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间差(或者相位差)来计算距离,同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度,最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。灾害监测与防治研究中心灾害监测与防治研究中心2020/7/2813一、地面三维激光扫描技术3地面三维激光扫描仪扫描特点实时、动态、主动性三维激光扫描系统为主动式扫描系统，通过探测自身发射的激光脉冲回射信号来描述目标信息，使得系统扫描测量不受时间和空间的约束。高密度、高度灵活性、高稳定性激光扫描能够以高密度、高精度的方式获取目标表面特征。通过扫描可以获得点云数据（海量数据）。可自由控制采集密度，适应不同的目的。观测过程中无人工干预，由扫描仪内部电子设备自动控制，减少了人工干预的不确定。无需和被测物体接触，适应性好三维扫描系统是一种主动式的测量系统，无需合作目标，可以深入到复杂的现场环境中进行扫描，将各种大型的、复杂的、不规则的实景三维数据完整地采集到电脑中。其数据采集无论是白天，黑夜，还是恶劣条件天气均可以测量。可扩展性三维激光扫描系统可以和GPS等集合起来实现更强、更多的应用。灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术4地面三维激光扫描仪分类按扫描距离分微距小于1米近距离1米~100米中距离100米~500米远距离大于500米目前，最长2500米按平台分星载IceSatCloudandlandElevationSatellite机载RieglLMSQ560地面TrimbleMensiGS200灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术5地面三维激光扫描仪作业流程灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术5地面三维激光扫描仪作业流程灾害监测与防治研究中心2020/7/2817一、地面三维激光扫描技术6地面三维激光扫描仪关键技术点云获取灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术6地面三维激光扫描仪关键技术点云精简(点云压缩)三维激光扫描仪得到的点云数据是海量数据，由于数据量大得惊人，给数据处理和存储带来了很大困难。要高效率地使用点云数据，必须采取科学方法加以压缩。显然，压缩比越高，压缩后的数据就越少。可是压缩与保真是一对矛盾，压缩比越高，数据损失越多，保真度就越差。如何解决这对矛盾，同时获得高压缩比和高保真度无疑是本项目的关键技术之一。灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术6地面三维激光扫描仪关键技术点云配准由于物体的遮挡、扫描仪的限制等原因,要完成对一个物体的完整三维数据获取,地面三维激光扫描仪需要多测站多角度进行扫描。但在不同测站进行扫描的坐标系不同,因此需要通过点云配准将多站扫描数据拼接到同一坐标系下,以获得物体表面的完整的形状信息。灾害监测与防治研究中心2020/7/2820一、地面三维激光扫描技术点云滤波点云滤波是利用滤波器/滤波算法滤去不感兴趣数据的处理过程。6地面三维激光扫描仪关键技术灾害监测与防治研究中心2020/7/2821一、地面三维激光扫描技术点云修复点云的缺陷区域数据去噪产生的空洞6地面三维激光扫描仪关键技术灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术点云分割点云分割是点云数据的标记过程，经过标记后，属性相同或相近、且空间近邻的点被划分为一类。6地面三维激光扫描仪关键技术灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术三维建模6地面三维激光扫描仪关键技术灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作灾害监测与防治研究中心2020/7/2825二、地面三维激光扫描技术的应用1历史建筑构网TIN贴纹理灾害监测与防治研究中心2020/7/2826二、地面三维激光扫描技术在文物建筑中的应用1历史建筑灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术在文物建筑中的应用2现代建筑灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用3文物雕像灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用传统测量方法3文物雕像灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PT8PT9PT10传统测量方法3文物雕像灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用传统测量PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PT8PT9PT103文物雕像灾害监测与防治研究中心2020/7/28二、地面三维激光扫描技术的应用输出到CAD软件数据获取数据编辑(2Dor3D)3文物雕像灾害监测与防治研究中心2020/7/2833二、地面三维激光扫描技术的应用3文物雕像灾害监测与防治研究中心2020/7/2834二、地面三维激光扫描技术的应用3文物雕像灾害监测与防治研究中心2020/7/2835二、地面三维激光扫描技术的应用3文物雕像灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算城市规划4地形变化灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用等高线生成精密体积量算形变分析城市规划5冰川监测—地形复杂，落差大在珠穆朗玛峰进行冰河监测试验。项目内容：采用激光扫描技术在珠穆朗玛峰进行冰河监测试验的研究。灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用等高线生成精密体积量算形变分析城市规划6滑坡监测通过比较扫描区域的两次扫描结果得出结论灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用等高线生成精密体积量算形变分析城市规划7大坝监测胡佛水坝对目标距离进行米级精确测量灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算8地质测绘•利用亮度回返信息和RGB颜色信息可以对地质结构进行详细的分析灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算9体积测量爆破前爆破中爆破后量测方法:在爆破前扫描完整的矿体情况爆破并移走爆破物在次扫描矿体比较爆破前和爆破后扫描的数据以精确计算出爆破前后体积变化情况灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算10隧道测量灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算11虚拟化工厂灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算12室内改造工程灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算13桥上海河南路桥点云图上海河南路桥三维模型灾害监测与防治研究中心2020/7/2846二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算14虚拟雷村变电站灾害监测与防治研究中心2020/7/2847二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算15废料堆地形扫描等高线数字高程模型灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算16现场保存NASA扫描哥伦比亚号航天飞机碎片灾害监测与防治研究中心二、地面三维激光扫描技术的应用精密体积量算17现场保存灾害监测与防治研究中心一、地面三维激光扫描技术二、地面三维激光扫描技术的应用三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发四、基于三维激光扫描的电缆隧道分析系统五、后续研究工作灾害监测与防治研究中心三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发1项目开发的背景伴随着三维激光扫描仪的大量引进，应用领域越来越多，三维激光扫描点云数据处理软件的需求也随之越来越大。购买相应的随机商用软件费用高软件功能也不能完全满足不同行业的要求开发适合我国国情的具有自主知识产权的基于三维激光扫描技术的复制重建系统软件非常必要。灾害监测与防治研究中心2020/7/2852三、基于三维激光扫描技术的复制重建系统开发2项目开发的技术路线基本思路首先，广泛搜集国内外在此领域的研究现状和研究成果。在认真研究分析现有成果的基础上，找准突破口然后，集中精力在关键技术问题上集中突破，非关键技术上节约资源。开发平台选择在武汉大学多年来自主研发的图形和图像处理基础类库的基础之上，开发三维重建软件系统，兼顾开放体系结构和通用性，同时具备高效、易用、价廉的原则。开发环境采用OpenGL作为三维图形渲染引擎，并对其进行面向对象的封装，将c风格的API封装为C++风格面向对象的形式，系统采用模块化开发架构，界面采用BCG开发库；编译器采用微软公司VisualStudio2005即VC8.0灾