三维激光扫描仪篇1
关键词: 三维激光扫描、误差来源、精度
中图分类号：O343.2文献标识码： A 文章编号：
一、引言
地面三维激光扫描技术是继GPS技术后测绘领域的又一次革命，传统的单点测量已无法满足现代测绘对目标真实情况反映的要求，而三维激光扫描技术以其非接触性、高效率、高精度、主动性的优点被不断应用到更多的领域之中。
二、地面三维激光扫描仪的原理
从工作方式上地面三维激光扫描仪可以看做一台高速运转的自动测角、测距的无棱镜全站仪[1]。一般包括扫描仪、控制系统和供电系统。扫描系统主要包括激光测距系统、激光测角系统、仪器内部控制校正系统和CCD相机。三维激光扫描仪通过仪器内部伺服马达系统精密控制反射棱镜的快速转动，发射并接收物体反射的激光脉冲，测量每个激光脉冲传播的时间（或相位差）并以此来计算扫描仪到被测目标的距离，同时角度编码器记录扫描瞬时的水平角、垂直角、目标的反射强度信息I。由测得的水平角、垂直角和距离根据公式（2.1）就可计算出目标点的空间三维坐标(X,Y,Z)[2]。
图2.1地面三维激光扫描仪原理
(2.1)
三、地面三维激光扫描仪的误差
与其他测量仪器相同，受扫描仪器本身构造缺陷、外界环境等其他各种因素的影响，地面三维激光扫描仪在扫描作业的过程中不可避免的存在误差。
根据误差的来源不同可将地面三维激光扫描仪误差分为4类：与仪器相关的误差、与被测物体有关的误差、与操作有关的误差以及与环境因有关的误差。
1、与仪器相关的误差：该误差主要是由于仪器本身的性能缺陷造成的，主要包括激光测距误差，测角误差。激光测距信号处理的各个环节都会带来一定误差，主要是光学电子电路中激光脉冲回波信号处理引起的误差。测距误差的综合体现为测距中的固定误差和比例误差，可以通过仪器校检来确定它们的大小；测角误差主要有水平角测角误差和竖直角测量误差，该误差主要是因为扫描镜的微小震动、伺服马达的不均匀转动等综合因素引起的。
2、与被测物体有关的误差：由于地面三维激光扫描仪需要接收被测物体反射的激光信号来计算坐标。因此，目标表面的反射特性对观测结果有很大影响。不同距离、颜色、材质、粗糙度以及不同倾斜角度的物体反射率都不相同。距离的远近影响时接收到的反射信号强度，距离越近信号越强，反之，信号越弱；不同颜色的光谱特性也不相同，对激光的吸收和反射强度都不相同，一般情况下，浅色物体的反射率大，深色物体的反射率小；目标表面粗糙时能产生更多的漫反射从而有更多的信号返回；当物体倾斜时，物体表面切平面法向量与激光束方向不重合，导致激光光束返回不能被完全接收，对测距、测角都有影响[3]。因此，要根据测量目标的不同合理设置测站的位置，以减小测量物体的反射特性对测量结果的影响。
3、与操作有关的误差：操作人员的熟练和细心程度不同会引起地面三维激光扫描仪在对中、整平、目标框选以及各种扫描参数设置等各方面中产生相应的误差。对于这些误差，应认真按照规范对中、整平，根据不同的条件合理设置扫描间隔、温度、湿度、大气压强等参数以减小这些人为误差的影响。
4、与环境有关的误差：不同的温度、气压、磁场、天气状况会对地面三维激光扫描仪的内部精密部件和其发射的电磁波在空中的传播路径产生一定的影响，特别对于，大雾、阴雨天气更会影响电磁波的传播。对此，应该选择合适的天气保证在扫描仪在一定的温度、气压和磁场环境范围内工作并设置相应环境下的扫描仪参数。
四、总结
地面三维激光扫描仪以高效率、高采样率、高精度、非接触性、主动性等优点在地形测量、变形监测、逆向工程、考古、医学，公安等方面都有广泛的应用空间。但由于各种误差的存在，在利用三维激光扫描仪扫描数据的时候应该注意：
选择合适的天气条件进行扫描作业，特别温度应介于在0-40°之间；
根据不同的扫描目标，合理布设测站位置，使扫描距离一般不超过70m，特殊情况下不超过90m；
扫描时严格按照测量规范操作，精确对中整平仪器；
扫描时根据不同的外界环境设置相应的扫描参数；
参考文献：
[1]官云兰.地面三维激光数据处理中的若干问题研究[D].同济大学博士论文，2008
[2]郑德华，沈云中，刘春.三维激光及测量误差影响分析.测绘工程，2005，31（2）：32-34三维激光扫描仪篇2
[关键词] 三维激光扫描 测量误差 精度
[Abstract] This article first introduces the measurement principle of the 3D laser scanning. After considered the effects in the ways of instrument，reflector and scanning environment，making a accuracy analysis of it.
[Key words] 3D laser scanner surveying error accuracy
0.引言
三维激光扫描技术是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新，将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段[1]。传统的大地测量方法，如三角测量方法，GPS测量都是基于点的测量，而三维激光扫描是基于面的数据采集方式。三维激光扫描获得的原始数据为点云数据。点云数据是一切后续工作的基础，在数据采集过程中不可避免地会带有误差，为了提高点云数据质量，需要对误差来源进行详细的分析。1997年wallace等人研究了三角激光扫描仪的深度图像测量原理，并通过实验验证了扫描物体的移动能导致深度图像测量的系统性误差[2]。2000年吴剑锋等人详细分析了激光三角法测距的误差[3]。
1.地面型三维激光扫描系统工作原理
对地面三维激光扫描仪来说，采用的是仪器坐标系统，即所采集到的物体表面点的空间信息是以其自身的坐标系统为准的。系统以激光束发射处为坐标原点；Z轴位于仪器的竖向扫描面内，向上为正；X轴位于仪器的横向扫描面内；Y轴位于仪器的横向扫描面内且与X轴垂直，如图1-1，由此可得点坐标的计算公式：
2.点云数据的误差来源及分析
三维激光测量误差可分为：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界环境条件影响这三类。由（1）式可知，仪器误差源于仪器本身的性能缺陷，包括激光测距的误差（S的误差）、扫描角度测量的误差（误差）；与目标物体反射面有关的误差主要是表面粗糙度的影响；外界环境条件主要包括温度、风、气压等因素。在一般地面三维激光扫描作业环境下，我们认为地面三维激光扫描获取的点云数据的误差主要是由扫描仪自身的误差引起的[4],所以我们有必要弄清楚误差的来源。
2.1仪器误差
2.1.1激光测距误差
激光测距在信号处理各个环节都会带来一定的误差[2]。现在激光测距的原理有两种，脉冲式和相位式。脉冲测距产生的误差主要是计时误差，相位法测距产生的误差主要是调制光的频率误差。在仪器使用过程中，由于电子元件的老化等原因，实际的调制频率与设计的标准频率会产生微小的差别，该影响与所测距离长度成正比，称之为“比例误差”；另外，由于测距系统距离起算中心与其安置中心不一致等原因，使得实测距离与实际距离有一个固定的差数，称之为“固定误差”。对于“固定误差”和“比例误差”，可以通过仪器检定来确定，从而可确定激光测距误差。
记固定误差为，比例误差为，则测距长度为的测距误差为:
2.1.2扫描角的影响
扫描角的影响包括水平扫描角度和竖直扫描角度测量的影响。扫描角度引起的误差是扫描镜的镜面平面角误差、扫描镜转动的微小震动、扫描电机的非均匀转动控制误差等因素的综合影响。
测角误差对测设点位的影响公式为：
对于三维激光扫描仪则有:
式中为测距，单位为，，为激光对同一点扫描的次数。
2.1.3激光光速发散的影响
在实际应用中，多数扫描仪系统都是采用基于激光脉冲的时间测量来进行距离量测的。由于激光束的发散特性，使得激光束到达实体表面的光斑大小影响着回射点云的分辨率和定位的不确定性[5]。假设发射激光束成圆形发散，最终到实体表面的光斑用表示，有下式成立：
式中是与激光光束发射位置有关的距离参数。一般而言，光斑的大小是随着扫描距离增加而线性增大的。发散的光斑大小可以由一个扫描距离的线性方程来表示。许多仪器厂家都标定了各自系统的光斑发散值的大小，如Trimble GX200的光斑大小为3mm/50m，莱卡HDS3000为6mm/50m。
地面三维激光扫描仪的距离测量是沿着发射光束的中心线测定的。由于激光光束的发散使得真正的点位难以预测[6]。同样由于实体扫描在之前，实体的位置和形状也是未知的。故需要一个可靠的模型来量化光束的不确定性水平。设激光束的直径为，角度定位变化是。由密度公式推出来的光束宽度的不确定性表达如下式:
根据密度方程的等方性和在任意维数的均值都为0的特性，由经验判断有，激光束的位置不确定性约等于1/4的发散光斑直径。如式:
假设角度采样间隔在和方向上是相等的。那么推导得到定位中心和实际目标中心一致的可能性与采样的间隔是有直接关系的，由密度公式:
给出中心点定位的标准偏移如下:
2.2与目标物体反射面有关的误差
扫描得到的点云的精度与物体表面的粗糙程度密切相关。三维激光回波信号的多值性[7]，使得不同的三维激光扫描系统处理的回波信号不同。以处理首次回波信号为例，目标物体表面粗糙程度引起激光脚点位置的偏差 接近于物体表面粗糙极值的一半。
2.3外界环境条件的影响
外界环境对一切测量仪器都会产生不同程度的影响，热胀冷缩会使仪器结构产生细微的变化，较大的风力会使仪器颤动影响扫描质量。较差的外界环境条件对扫描数据质量的影响较大。
地面三维激光扫描仪的观测精度与扫描距离及扫描的精细程度有关，针对Trimble GX200三维激光扫描仪，经过实验研究发现测量主要误差来源于测距误差和扫描角误差。在扫描距离为50m时的测距精度为1~2mm，单点定位精度为6mm。
3.结束语
三维激光扫描仪目前广泛应用于各个领域，是研究的热点。本文主要研究了三维激光测量误差来源――仪器误差、与目标物体反射面有关的误差和外界条件影响。通过实验得知了仪器Trimble GX200的测距精度和扫描精度。
参考文献：
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[6] 杨伟,刘春,刘大杰.激光扫描数据三维坐标转换的精度分析[J].工程勘察,2004.
[7] 王俊杰.三维激光扫描数据采集误差来源及精度分析[J].科研探索与知识创新.2011，5,97-98.三维激光扫描仪篇3
关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析
中图分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02随着科学技术的不断发展，人们渐渐将对客观事物的认知从平面二维层面转向三维立体方向，测绘工程中的三维激光扫描技术应运而生，实现了测绘过程中对物体三维层面的要求，摆脱了传统测量仪器的局限性，是直接获取所要高精度三维数据、实现可视化的三维重要手段，极大的降低了测量的成本，时间上更节约，使用更方便，而且范围应用的更广，在森林和农业、战场仿真、文物保护、工程测量、变形监测、医学研究等领域都有很大的l展空间。三维激光扫描技术的出现和应用，大大地拓宽了测量的领域，提高了测量的效率，简化了测量的强度，是目前迅猛发展并广泛应用的新技术之一。
1 三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪含括了多种先进的测量技术，可以在不接触物体的状态下主动对物体进行测量，在获取点云形式之后测量到复杂的地形及物体的表面，由点集成的三维数据，协同多种测距法的作用下计算出每个点的三维坐标，其中经常用到的测距方法有三角测距法、脉冲测距法以及相位测距法。
三维激光扫描系统根据工作原理大致分为以下三类：
（1）径向三维激光扫描仪。运用脉冲测距技术在固定中点顺着视线进行距离测量，测量到的距离可超过100m，每秒可以测得大于1000个点。
（2）相位干涉法扫描系统。通过连续的激光发射波，利用光学干涉原理得到干涉相位的测量方法，此方法适合短距离的测量，测量范围通常不超过50m，每秒钟可以成功测的10000至50000个点。
（3）三角法扫描系统。在获得两条光线信息的基础上，通过立体相机与机构化的光源，建立出立体的投影关系。此方法适合短距离的测量，测量范围在2m以内，每秒可测得100个点。
2 三维激光扫描仪测量误差分析及校检
2.1 三维激光扫描仪测量误差分析
三维激光扫描仪避免不了在测量过程中会产生误差，其中可分为两类分别为系统误差与偶然误差，系统误差可以通过多种方式来削弱，但是偶然误差是随机发生的，没有办法控制只能进行多次的重复来减少发生这样的误差。
2.2 三维激光扫描仪的校检
检测激光扫描仪测量距离的精度，经常用到的方法包括基线比较法和六段解析法。基线比较法的模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行解算。而六段解析法消除乘常数相关影响，加常数的检测精度较高，但只能检测加常数。
校检的模型包括以下三类：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全组合法，这种方法不需要标准基线，通过全组合方式就能获得观测数据）；基线比较模型；角度校检模型。
校检的实验测试分为以下几个步骤：实验仪器的准备以及校检场的建立。校检实验在完成测距实验、测角实验、温度环境实验等才能对结果进行分析。
测距精度和测角精度是地面三维激光扫描仪扫描数据精度的两个主要方面，在运用相关的校检模型改正观测量后，其测距与测角精度得到了明显的提高，不同地方的环境因素对激光扫描仪的影响以及目标物体对观测结果的影响还需要我们进一步的研究。
3 三维激光扫描技术在地铁隧道收敛中应用的基本思路
隧道收敛变形中用到的激光扫描技术其关键就是数据的处理，因此下面对数据处理研究进行侧重介绍。其整个过程按照以下的技术路线进行：
3.1 数据的采集
（1）提前准备好导线与水准的测量方案，以激光扫描仪性能、参数和现场环境作为参照设计出扫描站的间距及扫描点的密度，得到一些扫描重叠的点。
（2）按照测量方案对隧道内的导线及水准进行测量，将三维坐标进行传递。传递方式通过标靶进行，测量导线及水准与观测标靶同时进行。
（3）对隧道进行三维激光扫描，同时取得隧道内壁的三维点云数据，以及标靶点云数据。
3.2 数据的预处理
（1）对靶标的三维坐标进行计算：结合导线及水准测量结果，得到靶标的三维坐标。
（2）对点云产生的三维坐标数据进行归算：建立统一的三维坐标系，将各个标靶的三维点云数据归算到一起。
（3）将数据中的噪音除去：根据隧道设计数据，除去隧道中的噪音数据。
（4）将比较重要的管壁点云数据提取出来：关闭的点云数据密度并不均匀，可能是因为扫描的角度和扫描的距离造成的，我们在进行下一步数据处理之前，需要去掉那些点云密度大的范围中一些可能多余的数据点，然后在根据一定的密度将某些点云数据提取出来，这样可以大大提高进一步数据处理的速度。
3.3 三维模型的建立
以预处理之后的点云数据为参考生成地铁隧道内壁的三维模型。
3.4 成果的输出
（1）根据地铁隧道收敛变形测量要求，对指定管片（或每个管片、或一定间隔的管片）截取三维模型断面，对断面数据进行高次样条（多项式）曲线拟合，将其与设计的断面理论值进行比较，计算出管片一周的变化量曲线，将其中的特征点进行输出，例如形变最小的的上、下、左、右或者是等角度处（如每隔10°）变形量的差值。（2）将包括每管片一周的收敛变形报告输出。
3.5 成果的管理
三维激光扫描的成果管理最主要的形式之一就是建立数据库，这样不仅能对较大量的断面数据、多次测量结果进行有效的管理，还能够大大地提高成果管理的效率。将每个管片测量成果进行数据库管理，并达到成果的浏览与分析效果。其主要的目的有以下几点：
（1）该数据库可以用于浏览每个管片断面的变化量曲线及变形量差值。
（2）该数据库中的测量成果可以通过地铁隧道中轴线方向的变形影响整个趋势，因此用来找到其他变形量大的区段。
（3）该数据库可以建立历史数据，帮助解决今后同一区段的变形趋势的问题。
（4）可以根据变形的限值，建立分析预警的模型。
4 三维激光扫描技术在隧道收敛测量中的优势
4.1 传统收敛测量方法的难点
隧道在发生形变之后，我们很难判断其是相对形变还是绝对形变，所谓绝对形变是隧道环片相对于设计或者施工时各环片的绝对变化位移，这种情况是很难测定的；二相对形变是隧道的钢体结构相对于设计或者施工初期的相对变化位移，我们所介绍的隧道收敛变形测量指的就是测定隧道的相对形变量，来进一步判断隧道形变的程度。
隧道收敛测量中经常用到布设传感器和使用全站仪测量收敛的方法，传感器测量隧道收敛方法虽然精度较高，但是常常受到环境的影响，尤其是在环境光源比较暗的情况下，所测量的到的结果精度不够，而且自动化程度不高。传统收敛测量的方法利用布设导线进行坐标的传递，通常在一圈管片上均匀设置若干个观测点，在通过全站仪对各点进行观测后获得的数据总结起来进行隧道的变形分析，传统方法有许多难点进行克服，主要表现在以下几个方面：
（1）传统方法在布点以及测量上无法保证各点严格地在同一条直线、共面，所以无法确定所测上下行线监测环在同一三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用
高元勇1，2 崔龙1
（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆疆海测绘院，新疆乌鲁木齐 830002）
摘 要：三维激光扫描技术是一种高精度立体全自动的扫描技术，可以快速、有效、准确地获取三维空间信息，全天候对任意物体进行扫描并获取高精度的物体表面点三维信息及反射率信息。随着该项技术的成熟发展，三维激光扫描技术已在变形监测、建立地面模型等方面得到了广泛应用，本文将对三维激光扫描仪测量误差分析以及三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用进行系统综述。
关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析
中D分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02横断面上。
（2）传统方法效率较低、成本较高，并且不能保证每个管片都能观测的到。
（3）传统的收敛测量不能全方位的反映出隧道形变。
（4）传统的方法对成果的分析较难，测量过程中涉及到的不可控环节较多，所测得的结果精度大幅降低。传统方法不能进行大规模数据采集，更不能够第一时间获得成果上的指导。因此我们一定要采取发现新的测量技术。
4.2 三维激光扫描技术的应用特点
三维激光扫描技术之所以被称为“实景拷贝技术”，是因为它可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，还能够快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，从而再现客观事物真实的形态特性。
（1）在现代工程建筑领域，快速准确获取建筑三维数据，不但极大程度上丰富了三维数据展示的效果，由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，为建筑工程的检测与分析提供新的手段；
（2）其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏和损伤，为检测保护与维护施工提供准确、科学的数据，发挥高新技术的积极作用；该技术可以支撑一个快速、高效、节约成本的解决方案。
（3）三维扫描技术采集隧道点云数据，对点云数据快速分割生成切片，针对切片中的散乱点提出了一种多点坐标平差计算圆心方法拟合切片圆心，对拟合的圆环与设计值进行比较，分析变化情况。本文系统地提出了基于三维激光扫描的隧道点云的收敛变形分析方法，对三维扫描技术在隧道中的应用有一定的意义。
4.3 扫描的数据用于断面测量还将会在以下两个方面得到更好的发展和应用
（1）3D建模。根据预处理后的点云数据生成地铁隧道内壁（包括隧道内目前已有的附属设施）三维模型，为今后的隧道维护恢复提供相对原始的数据资料。
（2）轴线变化和趋势预测。将轴线与设计值的三维关系进行比对，在测量标志球位置真实的三维坐标后，拟合得到的隧道轴线就相当于真实的轴线，进而可以对隧道轴线整体变化的情况趋势进行预测。
5 结论与展望
三维激光扫描技术是一种高效、便捷、节约成本的技术，高于常规测量的收敛精度，能够为隧道收敛测量提供准确、科学的依据。本文在介绍三维激光扫描仪原理、误差产生及仪器校检的基础上，对三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用及优势进行了详细阐述。应用三维激光扫描技术在隧道的收敛方面，在保证扫描距离及点云密度的条件下，数据结果一般就能满足隧道收敛的要求，而且该技术可以快速、完整的采集隧道内部的表面数据，提高了数据采集的速度及数据处理的效率，尤其是在隧道运营时间间断不能过长的情况下，采用三维激光扫描技术快速实现作业目标。
参考文献
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【关键词】三维激光扫描仪；测量方法；发展前景
【 abstract 】 this paper mainly through the chart analyses and discusses the 3 d laser scanner distance is measured, Angle and other methods, and in the light of the 3 d laser scanner measurement technology deficiency discuss the future development trend, for related work open up ideas.
【 key words 】 3 d laser scanner; Measuring methods; Development prospect
中图分类号： P221+.3文献标识码：A 文章编号：
在科学技术高速发展的今天，人们认知事物的角度已经逐渐由二维空间向三维空间过度，与此同时，三维激光扫描仪测量技术被各个领域广泛应用，三维激光扫描仪测量又叫作实景复制，其具有扫描快、实时性、信息量大、自动化、精确度高等优势，在文物保护、医药研究、军事训练、工程勘测等领域都具有深渊的意义。
一、三维激光扫描仪的工作原理
三维激光扫描仪运用了激光的方向性、单色性、高亮性、相干性等特点，实现了测量速度快，操作简单，测量精确度高等目的，本文主要通过测量距离原理、测量角度原理、扫描原理、定向原理四个方面探讨三维激光扫描仪的工作原理，具体内容如下。
（一） 测量距离原理
距离测量是激光扫描的关键环节，其测量方法主要有三种：三角测量法、脉冲测量法、相位测量法。
1.三角测量法
三角测量法主要是通过几何关系来实现距离的测量，首先得出扫描中心与扫描对象之间的距离，之后再通过激光的发射点、接收点以及目标反射点组成空间三角形，如图1所示。
图1：三角测量法
图中，激光入射线、发射线与基线的夹角分别为角λ和角у，假设激光扫描仪的旋转角度为α，以发射点为原点，基线为X轴，基线方向为正向，使Y轴垂直于基线并且指向扫描对象，由此就可以建立几何坐标，即有：
在三角测量法中，由于基线较短，所以该方法更适合于测量较短的距离。
2.脉冲测量法
脉冲测量法是通过激光信号发射到回收的时间差来实现对距离的测量，如图2所示。
图2：脉冲测量法
图中，激光发射器向测量对象发射激光信号，激光信号又会发射到接受装置，假设S代表距离，C代表光速，激光信号由发出到回收的时间差为t，即有：
S=0.5Ct
由此可见，脉冲测量法的精确度会受到光速等因素的影响，其测量距离的精准度相对较低，但脉冲测量法测量的距离很大，更适合于测量较远的距离。
3.相位测量法
相位测量法是通过电波频率来调节激光束，并通过激光信号在所测距离之间往返的相位差计算往返时间，进而得出往返距离，假设激光信号在所测距离之间往返的相位差为ф，脉冲信号的频率为f，所测距离为S，即有：
相位测量法是间接得测量距离，其测量精度非常准确，被广泛应用于精度测量工作中
（二）测量角度原理
对于三维激光扫描仪测量角度的原理，笔者在此主要从角位移测量原理、线位移测量原理两方面来研究。
1. 角位移测量原理
角位移测量主要是通过步进电机以及扫描棱镜来实现角度的测量，步进电机能够将激光信号转变为角位移，进而实现对扫描仪自身的准确定位，之后通过步进电机的细分原理即可得出步距角，假设步距角为θb，即有：
其中，Nr代表转子齿数，m代表相数，b则代表运行拍数。由此，即可通过扫描棱镜和编码器计算出所测量角度。
2.线位移测量原理
线位移测量主要运用了直角棱镜以及CCD部件，当信号射到直角棱镜上面时，会发射向测量对象，此时转动扫描仪即可得到线性区域，最终通过CCD部件的记录结果即可得到所测角度值。
（三）扫描原理
三维激光扫描仪能够控制棱镜的转动，进而可以控制激光发射的方向，扫描镜主要有摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜两种，如图3所示。
图3：扫描镜种类
摆动扫描镜旋转正多面体扫描镜
摆动扫描镜是一种平面反射镜，其扫描速度较慢，但精确度较高，适用于要求较高的精准测量，而旋转正多面体扫描镜的扫描速度快，但精准度相对较差，适用于多数要求较低的测量工作。
（四）定向原理
三维激光扫描仪的定向原理即是将扫描结果转化为实际数据的过程，具体如图4所示。
图4：三维激光扫描仪的定向原理
二、三维激光扫描技术的发展现状及前景 （发展前景要有一定的文字说明，在下面的文章中没有描述）
目前，三维激光扫描仪的种类十分繁多，按照测量距离的方法可以将其分为三角式激光扫描仪、脉冲式激光扫描仪、相位式激光扫描仪以及脉冲--相位式激光扫描仪，按照测量平台又可将其分为地面固定式激光扫描仪、车载式激光扫描仪、手持式激光扫描仪、机载式激光扫描仪，按照扫描距则可将其分为短距离激光扫描仪、中距离激光扫描仪以及远距离激光扫描仪，各种扫描仪都具有各自的特点和优势，在当今各领域的测量工作中被广泛应用，在此，笔者对各国生产的不同型号的激光扫描仪的有关参数进行汇总，具体如表1所示。
表1：各国生产的不同型号的激光扫描仪的有关参数
仪器型号 测距方法 测距范围
（m） 像场范围
（度） 测距精度 测角精度 最高速率
（点/秒）
VX 空间测站仪 脉冲 150 360×310 ±3mm+2ppm ±1″ 15
MENSI S10 三角 0.8～10 320×46 ±0.1mm ±4″ 100
HDS3000 脉冲 2～100 360×270 ±6mm/50m ±60mrad 4000
LPM-321 脉冲 10～6000 360×150 ±15mm 0.009° 1000
GLS-1000 脉冲 1～330 360×70 ±4mm/150m ±6″ 3000
ILRIS-36D 脉冲 3～1500 360×110 ±7mm/100m ±4″ 2500
GS 100 脉冲 1～100 360×60 ±6mm/50m ±6″ 5000
ILRIS-3DHD 脉冲 3～1200 360×310 ±4mm/100m 0.00075° 10000
GX 3D 脉冲 1～350 360×60 ±12mm/100m ±12″ 5000
LMS-Z620 脉冲 2～2000 360×80 ±10mm/100m 0.002° 11000
LS880 相位 0.6～76 360×320 ±3mm/25m 0.009° 120000
ScanStation2 脉冲 2～300 360×270 ±6mm/50m ±12″ 50000
VZ-400 脉冲 1～500 360×100 ±2mm/100m 0.0005° 300000
HDS6000 相位 1～79 360×310 ±6mm/50m ±25″ 500000
Photon 80 相位 0.6×80 360×320 ±5mm/100m 0.009° 120000
由此可见，现阶段，三维激光扫描仪已经被人们广泛的开发研制，不同类型的扫描仪也具有其不同的应用领域，对于其中存在的一些弊端，还有待于我们去探索和创新。
在未来的发展中，三维激光扫描技术势必要突破以下几方面壁垒：1.成本昂贵。2.仪器精度难以校验。3.各厂家生产的扫描仪的应用软件不统一。4.扫秒速率对精确度的影响较大。综上所述，我国的三维激光扫描技术在未来将会实现以下几点：1.设备国产化，自主研发高精度扫描设备。2.应用软件多功能化。3.改进现有测量方法。4.增大扫描范围。5.与其他测量设备结合使用，共同提高测量结果的精确性等等。
【总 结】
现今，人类社会已经进入了高度文明的时代，各行各业都在寻求更好的发展途径，三维激光测量技术的应用越来越广泛，在今后的发展中，我国必定会不断完善测量技术，为相关领域的稳定收益保驾护航。
【参考文献】
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[4] 董良泽，王文，陆军华，韦东波.三维激光扫描机的研究与开发[J].机床与液压.2006（11）：155-157.三维激光扫描仪篇5
关键词：三维激光扫描技术；三维激光扫描仪；三维立体模型；横截面积
0 引言
维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，将是测绘领域GPS技术之后的又一次技术革命，三维激光扫描仪已经成为测绘仪器发展的重要方向。为提高现有三维激光扫描仪的性能，拓展其应用范围，本文着重研究了三维激光扫描仪的全站化的方法[1]。随着激光产业链的逐渐形成，在测速、测距、测面积等方面都有广泛运用，三维激光扫描仪的诞生更是为人们带来福音，高精度的测量帮助了以CAD系统为主的绘制，减少了因不准确产生的误差。
本文将以美国法如三维激光扫描仪为例，以已知半径的铅球为对象，在FARO SCENE辅助下，扫描出铅球横截面积为0.0049π2m2 。该结果为三维激光扫描仪扫描物体的实用性和准确性做出了可靠的结论，提供了可参考的依据。
1 三维激光扫描技术
本系统激光扫描单元选用美国法如公司近年推出的一款性价比较高的小型激光扫描仪FARO Focus 3D，具有高精度、高分辨率、通过内置触摸屏进行直观控制、尺寸小、集成快速充电电池、实现高移动性等许多优点，该扫描仪使用相位偏移技术测量距离，其扫描的距离范围在低环境光线和正入射到90%反射面上的条件下为0.6-120m，在正入射到10%不光滑反射面上时为0.6-20m，完全满足测量需求，扫描最大频率可达到97.6万点/秒，系统测量误差可以控制在±2mm，精确度达到毫米级[2]。扫描仪的扫描范围垂直方向扫描视野为305°，水平方向扫描视野为360°，如图1所示。扫描仪本身内置电池，可以连续工作4个小时以上，并且配备触摸屏，可以方便直观的设置各个扫描参数。
扫描仪测量分析：FARO 3D扫描仪对对象的生成有强大的计算能力和储备能力，包括扫描数据生成点、球面、平面、圆柱体等的三维坐标点来进行整合，对目标扫描物在空间的位置进行准确定位，本课题目前仅针对室内空间中铅球面积进行测量。
SCENE 介绍：FARO 3D自带图像处理软件，检查扫描数据和对象、导入数据、分析扫描点、导出扫描点、项目点云等功能。可通过普通USB接口导入图像数据，扫描的数据以大量三维坐标点的形式呈现，我们的目标是对大数据中的有用数据点进行分析，从而得到铅球半径。
2 光照强度对成像清晰度的影响
三维激光扫描仪扫描过程中受到检测环境、检测距离、检测温度等影响，以下仅实验其光照强度对成像清晰度的影响。
一组为室内测量，事先放置已知半径大小的铅球于叫光滑平面上（例：桌面、地面、书架等），日光灯和窗帘处于打开状态。开启扫描仪，设置三维扫描仪扫描环境室内25m。选用内置好的参数值开始扫描，扫描过程实验人员保持正常距离范围外，扫描时间持续5分钟左右，扫描完毕关闭扫描仪，利用内存卡将扫描图像导入到SCENE中，在二维平面上观察到三维效果，图像呈黑白并自动渲染成层次不同的色层，人像和球体均清晰。
为研究三维扫描仪是否受到外界光照强度的影响，进行第二组测量。控制变量法控制唯一变量为光照，室内灯和窗帘处关闭状态，再次测量，扫描时间同第一次相比变长，扫描过程中手动显示屏提示扫描外界环境较暗，最终导出图像与第一组对比，差别不大，如图2所示，证明外界光照强度对导出图像清晰度无影响。
3 数据采集及处理
用FARO SCENE打开扫描图像，二维平面上呈现不同大小的球体，选择SCENE球体标记选项，勾选任意一个球体，如图3所示。
计算机计算出球体半径为0.07m，相对扫描口位置为-1.396312，1.080708，-37.574282，扫描点数为11563，半径偏差为0。若选择其他球体，得到不同的相对扫描口位置，扫描点数稳定在12000左右，半径偏差均为0，球体半径均为0.07m，由于扫描球体外部材料均匀，各方向投影均为圆面，故易得出球体的投影面积为0.0049π2m2。
由于FARO三维扫描仪扫描全程以三维坐标记录数据，计算机算出的球体大小即为实际大小，半径偏差为0，与已知实验所用球体半径对比可证明FARO三维激光扫描仪所发出的激光准确性极高。
4不规则物体表面积数据处理
对于不规则的物体，FARO SCENE有类似的计算方法，如图4所示。
以门的面积为例，选择“标记平面”，大数据中筛选出门的边界点的三维坐标点群，包括精确发现点坐标、距测量口相对位置坐标、扫描点等数据点。
5 结束语
本文主要研究了运用三维激光扫描技术对球体截面积进行测量，通过三维模型的建立和横切面轮廓线提取，对铅球截面积进行计算并精确得出其半径和横截面积。通过本文的研究和实验，证明了三维激光扫描技术应用于测量铅球横截面积是可行并准确的，同时说明运用FARO扫描仪在测量精确球体截面积上是行得通的，可以大胆推测三维扫描仪在测量不规则面积、测距、测速上都会有很大前景。
参考文献：三维激光扫描仪篇6
关键词：三维激光扫描；点云数据；点云拼接；点云处理；三维建模
0引言
古建筑的保护和一些大型文化遗产的测量与修复一直是国内较为重大高端的关注热点，然而传统的卫星影像、航空摄影等测量方法所获取到的大型建筑的空间数据准确性并不高，其数据难以构建出精准的三维模型。三维激光扫描仪因其具有高精度、高密度、高效率、实施性强、信息量丰富等优点被广泛运用在变形监测、工程测量、地形测量、古建筑和文物保护、断面和体积测量等领域。三维激光扫描技术原理是利用激光测距仪理论对目标对象进行激光测量从而获得目标数据，此技术可以更真实地扫描目标对象的整体结构以及形态特性，快速准确地生成三维数据模型。研究至此可知，因三维激光扫描技术具有上述众多优点，使得其更加适合对细节特征丰富的大型建筑或者文化遗产展开提供三维数字化处理，由此达到的测量精度相对于传统方法也随即获得了较大的提升。
基于此，本文即研发给出了通过三维激光扫描技术，将获取到的目标对象的点云数据进行配准拼接、去噪简化等研究处理后，进而又利用点云数据来设计探讨、并最终实现对目标对象的三维模型构建的全过程。
1地面三维激光扫描技术原理三维激光扫描仪篇7
关键词： 摄影测量，三维激光扫描，三维定位，测量精度
Abstract: This paper described the photographic measurement principle in the three-dimensional laser scanning system, and its principles and techniques are briefly described. Then the paper focused on the three-dimensional laser scanning system in the spatial data access and protection of ancient buildings and the application of theory, briefly analyzed the key technologies.
Keywords: photogrammetry, three-dimensional laser scanning, three-dimensional positioning, measurement accuracy
中图分类号：E933.43文献标识码：A
1 引言
近年来，以激光阵列距离扫描仪(Laser Range Scanner ，又称为激光雷达) 为代表的高新技术将在多等级三维空间目标的实时获取方面产生重大突破。其中，机/星载系统结合其他定位（如INS ，GPS）及遥感等高新技术，可进行大范围数字地表模型（digital surface model，DSM）的高精度实时获取。这种系统可部分穿越树林遮挡，直接获取真实地表的高精度三维信息，这是传统的摄影测量方法无法取代的。其中，地面车载或移动系统可用于城市道路、堤坝、隧道及大型建筑物等复杂三维空间目标的实时监测与模型化，是建立三维城市GIS 最迫切需要的技术之一[1]。
在空间数据的测量中，获取三维数据是一个重要的工作，三维测量目标包括空间精细的物件，也可以是高大的建筑物或庞杂的地形地貌等现实世界的各种形体。如何准确、有效地从实物样件上采集复杂三维表面数据，进而能快速地变成高质量的计算机软件中的三维数学模型目前仍然存在很大的障碍。三维激光扫描技术可以应用于文物保护、城市测绘、GIS数据获取、工程测量、地形测量等各种测量领域，可发挥较大的经济和社会效益。
2 三维激光扫描技术原理
三维激光扫描技术属于非接触式测量方式，其主要特点是无需和被测物体接触，可以在很多复杂环境下应用，并且可以和GPS 等集合起来实现更强、更多的应用。三维激光扫描测量技术是迅速发展起来的一项高新技术，西方发达国家已将这一先进技术用于对地观测系统和快速获取特定目标的立体模型中。利用激光三维扫描仪对物体的表面进行扫描测量，就可以得到大量表面点的三维数据，这些数据是进行三维建模的依据。
三维激光扫描系统的工作过程是一个不断重复的数据采集和处理过程，它采用仪器坐标系下的三维空间点组成的点云图来表达对目标物体采样的结果。三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。通过测量扫描仪到目标点的距离值和激光束的水平方向值和竖直方向值计算激光脚点的三维坐标。
脉冲激光测距的原理是：扫描仪的发射器通过激光二极管向目标发射近红外波长的激光束。激光经目标物体的漫反射，部分反射信号被接收器接受。通过测量信号在仪器和目标物体表面的往返时间，计算仪器和点间的距离[2]。
三维激光扫描系统通过数据采集获得测距观测值S，激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ。激光扫描三维测量一般使用仪器内部坐标系统，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，如图1所示。由此可得到三维激光脚点坐标的计算公式：X = S*cosθcosα，Y = S*cosθsinα，Z = S*sinθ。
图1三维激光扫描系统测量原理
3 三维激光扫描系统的应用探讨
3.1 应用工作流程
三维激光扫描系统的工作流程分为:测站设计、扫描、控制标靶中心的获取、坐标配准、三维建模几个部分[2]。主要介绍如下：
1．测站设计
根据扫描目标的位置、大小、形态和需要获取的重点属性设计各扫描站和控制标靶的位置。要求每站之间至少有三个控制标靶重合，通过控制点的强制符合，以确定两个测站点云数据符合所需的7个自由度，使点云数据最终能够统一到一个仪器坐标系统下。
2．扫描
在选定的测站上架设扫描仪,调整好仪器的姿态。将扫描仪和笔记本使用网线连接，打开扫描仪的电源。启动Cy2clone软件，建立笔记本与扫描仪的通讯，扫描过程由Cy2clone软件控制，通过集成的数码相机拍摄扫描对象的影像，在影像上选取扫描区域。扫描仪根据软件环境中设置的参数（行、列数和扫描的分辨率等）自动进行扫描。
3．控制标靶中心的获取
每测站完成扫描后，均需要对控制标靶进行精细扫描。该扫描过程通过选取控制标靶区域内的点，为每个标靶设置唯一的标识，然后通过精细扫描该区域确定控制标靶的中心点，相同的控制标靶在不同测站中的标识必须相同。
4．坐标配准
坐标配准的基本方法有三种：配对方式、全局方式和绝对方式。前两种属于相对方式，它是以某一扫描站的坐标系为基准，其它各站的坐标系统都转换到该站的坐标系统下。
这两种方式的共同表现是：在实施扫描的过程中，所设置的控制点或标靶在扫描前其坐标均未知。而第三种方式，则在扫描前，控制点的坐标值已经被测定，在处理扫描数据时，各测站都需要转换到控制点所在的坐标系中。一般说来，前两种方式的处理，其相邻测站间往往需要部分重叠，而最后一种方式的处理，则不一定需要测站间的重叠。工程应用中常用的坐标配准方法为配对方式。
5．三维建模
利用Cyclone软件提供的丰富的点云数据处理功能，通过选取、截取、围栏选定的点云数据匹配生成面和复杂形体表面的不规则三角网（TIN），建成三维模型。
3.2 古建筑保护方面的应用
古建筑数据的准确采集和处理是进行数字化文物保护的前提和基础，地面三维激光扫描技术能快速完成实体表面数据点的扫描测量工作，获得大量精确、密集的三维坐标点云数据，并将这些复杂、不规则的三维数据完整地采集到电脑中，进而构建出实体表面的三维模型。点云文件能以坐标测量、切片浏览、表面处理和三维建模四种使用方式满足文保研究工作的需求，在古建筑测量方面得到了越来越广泛的应用。
根据扫描需求，确定扫描总站数和扫描仪安放位置，依据扫描方案依次完成扫描。由其扫描所得的初步资料是一群密布点云的三维坐标群，这些点云需使用后处理软件进行拼接与去噪才能得到适用的空间信息。点云数据采集与处理以后，要对数据进行坐标转换[6]。由于大型复杂的建筑物是以分块多测站的形式扫描的，而每个测站扫描后所得到的影像都是在以测站为坐标原点的独立坐标系下的图像，所以需将所有分站扫描得到的影像归化到同一坐标系下，从而完成各测站的独立坐标系向统一坐标系的转换。进行坐标转换以后的数据，是具有精确地理坐标的点云数据模型，可以被以任意方式进行剖切表现[7,8]。点云模型还可输出导入到传统的计算机辅助绘图设计软件和GIS 软件中，如AutoCAD、ArcGIS等。
建筑物模型重建的主要目的是恢复建筑物屋顶的每一个面片的高度、形状、位置、方向，以及面片之间的关系。通过建筑物阶跃边缘特征和屋顶面片的检测处理，可以基本上提供建筑物模型重建所需的元素，然后需要将这些元素组合成为建筑物模型。阶跃边缘和屋脊线提供了建筑物的线特征，但是这些特征没有连接起来成为闭合的区域。屋顶面片提供了每一个屋顶的方向和大致的边界，但是，对于与具有规则几何形状的建筑物模型的目标之间，仍然有一定的距离[9]。
古建筑物扫描所得结果需要进行处理和保存，可以建立古建筑数据库组织和管理。该数据库应该是空间位置信息与属性信息的有机结合，即空间数据库和属性数据库，前者由栅格数据和矢量数据组成，后者可根据文物保护工作设计，如：建筑面积、材质、位置、历史文化信息等。
目前要解决的问题就是：如何利用这些特征线和屋顶面片的点，在保证面片之间邻接关系的前提下，恢复出每一个面片的边界。屋顶面片和特征线均通过自动处理获取，虽然前文采用多种手段进行处理以提高检测的效果，但总是或多或少地存在一定的问题，如：漏检测、坐标偏差，以及碎片等。也就是说，已有的数据是不完备的，需要从这些不完备的数据中恢复建筑物模型。分裂合并算法是解决这类问题的一种重要而有效的方法，武汉大学的黄先锋博士提出了利用已有的建筑物特征线，通过BSP树进行约束对屋顶面片进行分裂合并处理的建筑物模型重建方法[10]。
4 总结
三维激光扫描技术可以快速获得物体表面的三维坐标，对三维重建的质量有重要的意义，它的应用日益广泛。本文在对三维激光扫描系统原理和技术介绍的基础上，探讨了该系统在空间数据获取、古建筑物保护方面的应用，并分析了各种应用中的特点、原理和存在的主要问题。
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关键词：三维激光扫描技术；古建筑保护
前言
随着经济的发展，科技在不断的创新，这些年来，工程测量在工程行业里的应用在不断的拓宽，传统的坐标测量仪器如全站仪，断面仪已满足不了高精度的三维坐标测量，相比较这些传统的测量技术，国际上近期发展的一项高新技术--三维激光扫描技术，这种技术具有极大的优势所在，通过激光测距原理（包括脉冲激光和相位激光），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。作为新的高科技产品，三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘等领域里应用。
一、三维激光扫描技术的工作原理
三维激光扫描技术，是通过内部的激光脉冲发射器向目标物发生激光脉冲，反光镜旋转，发射出的激光脉冲扫过被测目标，信号接收器接收来自目标体发射回来的激光脉冲，通过每个激光脉冲从发出到被测物表面返回仪器所经过的时间可以获得被目标体到扫描中心的距离，同时扫描控制模块和测量每个激光脉冲的水平扫描角α和竖向扫描角β，后处理软件自动解算得出被测点的相对三维坐标，进而转换成绝对坐标系中的三维空间位置坐标或三维模型。
二、扫描数据处理
地面三维激光扫描系统扫描得到的数据是点云数据(Points Cloud) ，记录了有限体表面上离散点的空间坐标和某些物理参量。点的表示形式为( x ,y ,z ,intensity ,R ,G ,B) ，不仅包含了点的空间位置关系，还包括点的强度信息和颜色灰度信息。离散的点云数据并不能够真实准确地表达构筑物的整体模型，为了满足三维建模的需求，首先要对所获得的原始点云数据进行处理，包括数据滤波、坐标系转换、数据配准。
三、三维激光扫描技术的特点
三维激光扫描系统是目前国际上最先进的获取地面空间多目标三维数据的长距离影像的测量技术。它将传统测量系统的点测量扩展到面测量，它可以深入到复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型，复杂实体的三维数据完整的采集到计算机中，进而快速重构出目标的三维模型及点、线、面、、体等各种几何数据，而且它所采集到的三维激光点云数据还可以进行多种后处理工作。三维激光扫描技术利用激光的独特的有异性能用作扫描测量，该技术具有非接触测量、数据采样率高、主动发射扫描光源、具有高分辨率、高精度数字化采集结构紧凑等特点。
四、三维激光技术应用于古建筑保护实例
1、古建筑特征
古建筑是历史政治经济文化的凝聚物， 不同时代的建筑见证了不同的政治、 文化和审美，不同的民族其建筑也有其独特的风格。中国古建筑在外型上主要由屋顶、屋身和台基三部分组成；建筑的结构有石块和木质，其中 80%以上是木质结构。细部台基、立柱、斗拱和屋顶结构繁杂；门窗天花板形式多种多样，图案栩栩如生。其建筑物内涵极为丰富，因而对保护建筑物这些特征所要求的技术非常高。
采用三维激光影像扫描技术，能在不损伤建筑物的条件下，快速采集古建筑物外部表面的精确数据。通过使用软件，可以快速地为扫描获得的点云赋予相应的彩色信息，再经过加工便制作成正射影像，向用户展示一个完全的实景彩色图像。相对于以往近景摄影来说，正射影像具有更为精确的可量测性，古建筑设计和保护人员可以精确对门、窗、柱、梁等构件进行测量，借助CAD便可以制作出用于施工的CAD数据图。
2、三维激光扫描在古建筑保护中应用
用三维激光测量古建筑，其步骤如下：
第一步：古建筑表面数据采集。主要内容有：确定测绘方案，三维激光实地扫描。
本实验以Trimble GX3D激光扫描系统测量中山纪念堂为例，实验设置了三个标靶点，测量时仪器 Z轴垂直。
第二步：内业数据处理。主要内容包括：数据转换、点云数据配准、数据建模、实物量测和数据存档。
表 1 标靶点坐标值
第一测站/(mm) 第二测站/(mm)
标靶点 XY Z X YZ
B13071.923341.951543.87-21461.26 39844.931516.14
B22970.82 -12629.37 1523.50-7676.8331769.841533.19
B3981.71-16874.30 1485.69-4998.8227924.101504.60
根据表 1 计算得其六参数数据转换精度约为±1.2mm。
内业处理软件为：与扫描仪相配套的数据处理软件Realworks Survey。在配准模式下，不同测站的点云数据融合在一个坐标系统当中。在测量模式下，在三维点云图上量取实物尺寸和特征数据；也可以输出到CAD中，制作古建筑的平面地图；还可以直接存档点云数据（如图）。在建模模式下，可以根据已有几何形体对点云建立模型。
三维激光测量数据处理结果仍以点云的形式存档于数据库或者计算机中，结果数据存储文件格式为：*.asc，存储的内容有坐标值、RGB大小及坐标标准差。
存储后，数据可用于档案记录、三维可视化及逆向重建等方面，通过建模技术还原古建筑物原貌，并绘制精确的修缮施工图纸，做到客观、准确地保护古建筑物，充分发挥三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用价值。
因受该建筑物结构复杂、部分观测条件不佳等客观条件影响以及时间和经费的限制，此次中山纪念堂的三维观测数据有欠完整，但成果资料完全能体现三维激光扫描技术的先进性和优越性，我们期待通过后期工作的跟进，能进一步完善本科研成果，更全面地建立中山纪念堂的建筑设计图，并建立完整的三维模型，赋予建筑色彩及强度等因素，全方位地提供建筑物的各项数据。
结论：
本文给出了三维激光扫描技术及其在古建筑测绘方面的应用实例。可以看出，三维激光技术由于其测量时间短、收集数据广、测量精度高、处理数据自动化以及其点云可用于深层次的模型重建被广泛应用于古建筑的保护中。 但是由于三维激光技术本身的缺陷以及数学处理模型的不完善，使得在古建筑保护中其适用性和可靠性并不能达到最佳。这就要求我们继续深入研究和改进三维激光测量和处理技术， 以期三维激光技术更好更深入应用于古建筑方面，更广泛应用于其他领域。
参考文献：
[1] 余明，丁辰，过静.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘科学，2004.三维激光扫描仪篇9
关键字：激光技术 建筑施工测量 应用
随着当前建筑业的快速发展，工程规模目益扩大，施工机械化和自动化程度也迅速提高，施工技术精度要求越来越高。因而在土建工程的施工测量中，采用原有的测量方法和手段已受到巨大冲击，有些必将被淘汰。建筑企业的管理者要有发展的眼光，结合自身发展需要，引进实用先进的高精度仪器，以提高建筑施工测量质量，适应现代建筑工程快速、高效、优质的施工需要。
激光技术的高速发展对测量仪器的更新换代有着跨时代的特殊意义。国际测量师联合会（FIG）还专门设有进行激光技术在工程测量中的应用的工作组。我国也已研制出多种激光测量仪器，并广泛应用于各类施工测量中。
一、激光定位仪器的原理
激光定位仪器主要由氦氖激光器和发射望远镜构成，这种仪器提供了一条空间可见的有色激光束。该激光束发散角很小，可成为理想的定位基准线。如果配以光电接收装置，不仅可以提高精度，减轻劳动强度，保证工程质量，加快工程进度，还可在机械化、自动化施工中进行动态导向定位。基于这些优点，激光定位仪器得到了迅速发展，相继出现了多种激光定位仪器。常见的包括激光水准仪，激光经纬仪，激光垂准仪，激光平面仪，激光全站仪以及三维激光扫描仪等。
二、激光定位仪器及其应用
1.激光水准仪及其应用
激光水准仪是在普通水准仪望远镜筒上固装激光装置而制成的，激光装置由氦氖激光器和棱镜导光系统所组成。其激光光路是从氦氖气体激光器发射的激光束，经四只反射棱镜转向目镜，经望远镜系统的目镜组、十字丝分划板、调焦镜组和物镜射出激光束。
激光水准仪在建筑施工中主要应用于大型地下结构及管道施工，经常采用的自动化顶管施工技术，利用激光水准仪可以为自动化顶管施工进行动态导向，监测挖掘机掘进方向。在掘进机头上安装光电接收靶和自动装置。当掘进方向出现偏位时，光电接收靶就给出偏差信号，并通过液压纠偏装置自动调整机头方向，继续掘进。
2.激光经纬仪及其应用
激光经纬仪的构造和使用与激光水准仪相似。激光经纬仪大多都是直接利用配套的激光附件装配在光学经纬仪上，组成激光经纬仪。激光附件有激光目镜、光导管、氦氖激光器和激光电源组成，换装激光附件比较简单，只要取下标准目镜，换上激光目镜，再将激光器和激光电源分别装在三脚架的两条腿上即可。这种激光装置由于采用光导管作为光线传递，重量轻且便于随望远镜转动瞄准任意目标，还可以通过望远镜目镜直接瞄准或观察激光光斑。
激光经纬仪可用于定线、定位、测角、测设已知的水平角和坡度等，与光电接收器相配合可进行准直工作，亦可用于观测建筑物的水平位移。例如：激光经纬仪常用于检验墙角线的垂直，检验建筑物的倾斜度，以及为自动化顶管施工进行动态导向等。
3.激光垂准仪及其应用
激光垂准仪又称铅垂仪或垂线仪，是将激光束置于铅直方向以进行竖向准直的仪器，测量相对铅垂线上的微小偏差以及进行铅垂线的竖向定位传递。主要用于高层建筑、烟囱、电梯等施工过程中的垂直定位及以后的倾斜观测，精度可达0.5×10-4。
4.激光扫平仪及其应用
激光扫平仪是一种新型的平面定位仪器。激光扫平仪从主机的旋转发射筒中连续射出平行激光束，在扫描范围内提供水平面、铅垂面或倾斜面，能快速完成非常繁琐的平面测量工作，为施工和装修提供大范围的平面、立面和倾斜基准面。
激光扫平仪能瞬间建立起大范围的基准面。它广泛应用于机场、广场、体育场馆等大面积的土方施工及基础扫平作业；在室内装修工程中，用于测设墙裙水平线、吊顶龙骨架水平面和检测地坪平整度等，工效高并省去设置标桩等工序和原材料。
5.激光全站仪
激光全站仪即全站型电子速测仪。全站仪几乎可以用在所有的测量领域。激光全站仪由电源部分、激光系统、测角系统、测距系统、数据处理部分、通讯接口、及显示屏、键盘等组成。激光全站仪是新一代测量仪器，集测距、测角于一身，并且在有棱镜和无棱镜状态下均可有效使用，在实际工作中比较灵活，实现对测量数据进行自动获取、显示、存储、传输和计算处理等多项功能。激光全站仪与普通全站仪相比最大的特点在于激光对中和激光指示目标。这使得对中和瞄准精度进一步得到保证。
全站仪的激光指示在黑暗环境下作用最为突出，一道红色光束，可以指示仪器视准轴的方向，如可以用于建筑深基坑放样，定点等，当红色光束照射到棱镜后，黑暗环境下可以看到棱镜反回的光，可用于确认是否照准棱镜，在无棱镜测距过程中，还可以明确待测点的具置。
6.三维激光扫描仪
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是二十世纪九十年代开始出现的一种新技术，三维激光扫描仪的构造主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也有集成CCD 和控制系统以及校正系统。三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，快速获取大面积高分辨率被测对象表面的三维坐标数据。运用采集的空间点位信息，构建物体的三维立体模型，它突破了传统的单点测量方法，具有高效率、高精度的独特优势。
在建筑物的立面测量领域，三维激光扫描测量技术克服了传统建筑立面测量的局限性，对建筑物进行无接触扫描，同时将获得的点云信息快速转换成计算机可以处理的数据的高效测量方式。解决了建筑物立面数据采集时所带来的精度损失、效率损失等问题，尤其是解决了高层建筑物立面元素无法量测的问题。
三维激光扫描技术采用非接触式测量方法可以对高层建筑物的变形纠偏进行监控，利用高密度点云所形成的三维模型监控高层建筑物整体结构，并从整体到细部监控高层建筑物各层面上的形变与扭曲程度。
三、合理有效配置激光定位仪器
各种激光定位仪器有不同的功能和使用要求，价位也不同。建设单位在合理配置仪器时不仅要充分考虑工程项目所需的功能，还需综合考虑仪器的性价比。激光全站仪功能齐全，可以实现自动测量，观测速度快，数据处理精度高，但价格较高，在大中型施工项目中使用。激光扫平仪精度高，观测速度快，可以自动提供一个激光水平面或竖直面，作为装饰施工的基准，是建筑装饰项目的必备工具。激光垂准仪、激光水准仪和激光经纬仪不仅价格合理，而且使用方便，一般也是建筑施工项目的必备激光定位仪器。
四、结语
激光技术、计算机与精密自动导向技术的发展，带动了现代测绘仪器的更新变革， 推动着建筑工程测量及相关其它工程领域的前进， 也必将产生巨大的经济效益和社会效益。同时， 测量及其相关技术的研究和发展， 又为测绘定位新仪器和新技术指明了方向。
文献参考：三维激光扫描仪篇10
关键词：二维激光扫描仪；轮廓监测；人数统计
中图分类号：TD171.178
1.引言
人数统计系统所要实现的目标，是在一定时间内对经过某个地点的人口的数量进行现场记录，为事后的分析和预测提供直接的数据支持。人数统计系统的应用范围十分广泛，机场、车站、港口、商场、景区、住宅小区等许多行业和单位都有着类似的需求。从数据的应用效果来说，对特定场所（区域）内的人口总数和流动方向进行统计有着重要的意义：
1.1 经济意义
在通过人流量统计，可以清晰反映每个进出口、每个楼层上下口、每个区域主要通道的客流量，而这些数据能够提供一个量化分析结果，为招商、运营部门提供谈判、决策的依据。避免传统的依靠猜测、估计的做法，使管理更加科学。具体的应用形式举例：招商部门在招商谈判过程中有实际的数据作为谈判的依据，向租户提供客流的数据；分析人流状态、黄金时段，根据客流状况灵活合理安排各部门人员的工作；判断商业组合搭配是否合理、找出店铺规划盲点等。
1.2 安全意义
在景区、车站等人流容易聚集的场所，某一区域如果滞留的人数过多，会造成较大的安全隐患，利用人数统计系统，可以通过人流动态的变化，了解人流动线、通道设计，控制楼层、区域拥挤或者堵塞的情形。可对目标场地内的客流量控制做出一个精确的保安方案，严防由于客流量过多造成意外发生。
2 技术背景
目前主流的智能人数统计技术是通过图像分析手段从视频中分析出人数，是一个非常复杂的计算机视觉与人工智能问题。有两种主要解决方案：一是采用运动区域检测算法提取运动区域，根据这些运动区域进行统计，当运动区域和人的大小相似的时候，就可以认为有人通过。当多个人距离较近的时候，采用人体大小的先验知识，把一个运动区域分割为多个单人区域，从而对人数的估计；第二种是基于图像特征和神经元网络的算法，其基本原理是在图像中采集一些反应人体特点的比较粗糙的特征（如图像边缘密度等），然后通过神经元网络学习人数与图像特征之间的非线性关系。随着计算机视觉与人工智能技术的发展，新的更加可靠快速的人数统计算法与产品在不断出现。视频识别技术的优点是硬件成本低廉，算法成熟，是目前应用最为广泛的技术解决手段；但该方法受环境的影响较大，在光线环境复杂（或低光照）、人流量过大等情况下，统计精度会急剧下降。
另一种人数统计系统是基于RFID技术，主要应用在车站、景区等特殊场合。通过在门票火车票上印制RFID电子标签，当行人持票通过事先布设的感应天线时，系统会识别出电子信息并上报监控端。RFID技术的优点是识别精确、信息量大，不仅能统计出人口数量，同时能监控包括人员姓名在内的大量预设信息。但该技术必须要求流动人口持有电子标签，对一些开放性场合无法使用，同时在室外使用时，收天气等环境因素的影响也较大。
除上述方法外，还有利用红外感应、激光监测等方法来进行人数统计，但都由于统计成本或检测精度等问题而无法大面积应用。
3 二维激光扫描仪
二维激光扫描仪又被称作激光轮廓仪，是一种激光扫描技术，具有高频率、高精度的特点，可以对物体的轮廓、二维尺寸、二维位移进行精确和快速测量与检验的仪器，并且环境适应性强，应用十分广泛。
二维激光扫描仪的工作是基于光学三角测量原理。半导体激光发生器发出的光，经透镜形成一个平面光幕，并在物体上形成一条轮廓线，利用镜片收集被物体反射回来的光并将其投影到一个二维CMOS上，继而利用信号处理器分析处理目标物体剖面图形，轮廓线的长度用X轴计量，轮廓线的高低用Z轴计量。
理论上二维激光扫描仪可以测量任何类型的目标，具有高精度、高效率、受环境因素小等优点，实际应用中，二维激光扫描仪多被用在工业测量中用以检测精密仪器、部件，精度可达微米级。本文以室外应用的二维激光扫描仪为技术依据，这类二维激光扫描仪具有IP67的防护等级，可以适应室外较为复杂多变的自然环境，测量精度在毫米级。
4 检测范围
设二维激光扫描仪的扫描角度为2α，安装位置距地面高度为L。保证二维激光扫描仪扫描面与地面垂直，在同一高度安装2台扫描仪用以判断行人通过方向，两台扫描仪间距为20cm。为确保正确统计，必须保证所有行人都在扫描仪扫描范围之内，如图1所示。
图1 有效统计区域示意图
二维激光扫描仪应安装在商场、景点等场所的关键位置，如入口、电梯口、岔路口等。假设本系统能统计到的人类最高身高为x，扫描仪安装位置下方的道路宽度为2y，则扫描仪应安装的最低高度为：
L=y·arcctga+x
5 人数统计
设两台扫描仪编号为A，B。下面讨论行人有A向B方向行走时的人数统计过程。
当行人经过扫描仪A正下方时，A获取行人的轮廓，根据人类的形态，最大高度应为身高，而次高度为肩膀，且横向距离应在7.7cm以内（根据国家标准），垂直距离差应在30cm以内。如果检测得到的轮廓满足上述条件，且最大高度在120cm-210cm之内，则判断检测得行人通过，计数器+1，并记录该行人身高、肩宽、头高数据。当行人经过扫描仪B下方时，再次检测，并与扫描仪A检测得到的数据对比，如果误差在阈值范围之内，则判断行人有A走向B方向，检测完毕。
6 总结
本文提出了一种利用二维激光扫描仪通过人类头部高度检测行人，并统计人数和行进方向的方法。二维激光扫描仪具有精度高，可靠性高，受外部环境小的优点，可有效避免传统视频检测方法的不足，是现有技术的有效补充。
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