三维激光扫描技术在土木工程领域的应用(2)

王晓咩

伽咿年步月７．，－０日

三维激光扫描技术在土木工程领域的应用

第一章绪论

１．１本文的研究背景及研究对象

１．１．１引言

从数字地球和数字城市等一系列的概念提出伊始，各种各样的三维数据获取工具和手段就不断涌现，推动着三维空间数据获取向着集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展，如何将现实世界的立体信息快速的转换为计算机可以处理的数据已经离人们越来越近。三维激光扫描系统即是在近几年迅速发展起来的一项高新技术，与传统的激光测距技术——点对点的距离测量不同，无合作目标的激光扫描技术的发展，为人们在空间信息的获取方面提供全新的技术手段，从传统的人工单点数据获取，变为连续自动的获取数据，并提高了观测的精度、速度。三维激光扫描系统（３ＤＬａｓｅｒＳｃａｎｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ）的应用非常广泛，它可以深入到复杂的现场及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则的、标准的或不标准的实景或者实体的三维数据完整的采集到电脑中，从而快速重构出目标的三维模型，并能提取出三维空间的线、面、体等各种制图数据，同时，对所采集的三维点云数据还可以进行多种后处理操作，如测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等。

与传统的技术手段相比，该系统大致有以下优点：ｌ、小型化且使用方便。其大小与全站仪接近，只需具有与扫描大小相似的空间，即可架设进行外业数据采集工作。２、扫描速度快。常规地面扫描仪的扫描点采集速度可达每秒钟数千点以上，某些先进的扫描仪采集速度更可高达每秒数十万点。３、扫描精度高，一般可达毫米级。４、无需可见光照明。三维激光扫描仪依靠主动发射脉冲激光束的方法进行点云数据测量，可以实现全天候作业。５、特别适合于对复杂对象进行细节测量。正因为该系统具有上述优点，因此也被应用到众多领域如：工业测量领域的汽车、飞机、造船工业的试验、制造、组装过程中的测量定位；模具快速制造、产品仿制、玩具设计、三维动画、艺术品的制作等逆向工程方面；土木建筑工程领域的历史建筑保护、建筑物和构筑物的三维建模等；及建立数字地面模型、建筑物变形监测、防洪减灾结构监测、海岸地形测绘、生成三维城市景观模型和虚拟现实等国民经济建设的各个方面。目前，部分发达国家已经比较成熟的将三维激光扫描技术应用于机载激光测

三维激光扫描技术在土木工程领域的应用

高和城市三维影像模型建立等方面，而国内在理论及实际应用方面却尚处于初步研究阶段。２００４年，南京某国家重点试验室开始应用日本东京大学情报科学研究院研究的三维激光扫描系统进行考古地质方面的研究，２００６年我校建筑与城市规划学院引进一套ＬｅｉｃａＨＤＳ三维激光扫描系统开展在历史建筑保护领域的研究，２００７年我系引进一台ＦＡＲＯ的地面激光扫描仪应用于土木工程领域的理论研究。本课题即结合该ＦＡＲＯ系统，针对三维激光扫描技术在土木工程领域的基础理论及应用方面而展开，同时设计开发出一套数据后处理软件进行数据模拟试验。

１．１．２三维激光扫描系统及背景概述

实物的数字化是通过特定的测量和测量方法获取物体表面离散点的几何坐标数据。虽然测绘领域的三维激光扫描系统仅仅只有十几年的发展历程，但工业界通过各种三维工业测量系统来获取和研究空间物体表面三维信息却已有数十年的历史了，并取得了巨大的成果和进步。三维工业测量系统是在制造业和机械安装检测行业中，利用各种测量仪器包括电子经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、扫描仪、专业相机等组合，在计算机的控制下，对工件和产品进行精密三维坐标测量的复杂系统。根据测量数据的获取方式不同总体上可分为接触式和非接触式两类。

接触式测量设备的主要代表是三坐标测量机（ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅＭｅａｓｕｒｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ，ＣＭＭ），它是传统的通用坐标精密测量设备，在制造业乃至世界范围内得到了很广泛的应用，并已经成为３Ｄ检测工业标准设备。该设备主要是通过探头在被检测物体上移动的方式获取工件特征点的三维坐标。在逆向工程应用的初期，ＣＭＭ是数据采集的主要手段，它的优点是测量精度高（三维空间精度可达１．２ｕ叫，成本低，适应性强，可对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量，缺点是测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量，数据需进行测头半径补偿，且受到直线型导轨运动的限制，测量范围有限，一般不超过２米。此外，采用非接触式测量方法的还有基于机器人的柔性坐标测量系统，该系统是以机器人本体为运动平台，配合精密测头，实现空间测量。它是将ＣＭＭ的直线导轨形式转化为灵活的关节运动形式，因而具有很好的运动效率和紧凑的安装空间，缺点是受到运动形式的影响，测量精度和测量范围受到了很大的限制。瑞士制造的全自动工业测量系统一ＳＰＡＣＥ，自动化程度高，在经纬仪的制动、微动螺旋、望远镜调焦等部件均是自动部件，望远镜内装有一个影像采集的微型ＣＣＤ摄影机，能进行数字图像处理，该系统每小时可测５００个点的三维坐标，点位精度小于Ｏ．】ｎｉｌ／１。

三维激光扫描技术在土木工程领域的应用

非接触式测量方法是利用某种与物体表面发生相互作用的的物理现象来获取三维信息，根据测量原理的不同可以分为：反射式和投射式两类，在反射式中根据采用媒介的不同又可分为：光学测量、超声波测量、电磁测量等方式，其中较为成熟的是光学测量，包括三角形法、激光扫描、结构光法、莫尔条纹、摄影视觉图像处理等方法。如图１．１所示。

其中，透射式测量方法主要以ＩＣＴ（ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＣｏｍｐｕｔｅｒＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ）测量机为代表，ＩＣＴ是医学ＣＴ技术向工业界的拓宽和延展，观测结果为一系列的断面图像切片和数据，主要用于在不破坏工件的前提下对工件的内部结构进行测量。

使用反射式测量方法的三维工业测量系统主要有：经纬仪工业测量系统、近景数字摄影测量系统、激光跟踪测量系统等，本文研究的主要对象一地面三维激光扫描系统也属于这一范畴。以上各系统的原理及特点归纳总结如下：

１）经纬仪工业测量系统以空间交会三角测量原理为基础，采用多经纬仪组

合，结合精密定向技术，理论上可实现１０ｕｍ／ｍ的精度，且便于携带，

但测量效率低，需人工瞄准，工作强度大，测量结果易受到人为因素影响。代表设备有美国制造的解析工业测量系统＿ＡＩＭＳＲＴ。

２）近景数字摄影测量系统采用类似于经纬仪系统的空间交会三角测量模

型，不同的是它采用高性能数字成像器作为传感元件，结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体的自动识别、瞄准和测量。优点是测量过程实现了自动化，消除人为误差，有效提高了测量的精度，施测周期短，

测量效率大大提高。我国近景数字摄影测量系统一般精度较低，但也得到较多的应用并卓有成效，如北京市测绘设计研究院将其用于测绘大飞机外型；武汉测绘科技大学将其用于葛洲坝船闸变形监测、龙口及上下游水面流速动态测量等。

３）激光跟踪测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上

的极坐标测量系统。该系统是基于空间极坐标测量原理，给定点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角Ｈ和垂直角Ｖ，以及反射镜到跟踪

头的距离Ｓ来计算，它具有快速、动态、精度高等优点，在航空航天、< …… 此处隐藏：2854字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……