三维激光扫描技术在3D点云模型中的原理及应用

发表时间:2023-05-25 16:51

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项技术,是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术的突破。它通过高速激光扫描测量的方法,大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据,为快速建立物体的三维影像模型提供了一种全新的技术手段。

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三维激光扫描技术

三维激光扫描技术利用激光测距的原理,通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息,可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据,越密集的点云创建的模型越精确(这个过程称做三维重建)。

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三维激光扫描仪技术特点(天宝为例):

1.数据获取自动化,一键式操作

三维激光扫描仪高度智能化,无需人工干预,三维激光扫描仪自动发射的激光即可测得目标物表面点的三维坐标信息,无需复杂操作,实现一键自动扫描。

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2.“快”(100万点每秒)

“快”是扫描仪诞生产生的概念,在常规测量手段里,一个点的测量需要花在2-5秒左右,在复杂的场景里,可能要花几分钟的时间对一点的坐标进行测量。

三维激光扫描仪的诞生改变了这一现状,现在三维激光扫描仪最大速度已经达到100万点每秒,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。

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3.数据获取全要素,高密度、高精度(误差为毫米级)

三维激光扫描以水平和竖直方向同时全方位快速的获取高精度,高分辨率的海量的点位数据。现场所有肉眼能见的物体(玻璃、水、镜面反射物体除外)都可以扫描得到。

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4.数据是三维矢量,简单直观

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,同时还有物体反射率的信息,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。

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5.非接触测量方式,保证作业安全

采用非接触目标的方法,人员无需接触被测物体,即可直接采集物体表面的三维数据,降低了测量风险。能有效避免异形建筑,危险场景(高空,电厂,辐射)的测量危险,为测量提供安全。

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6.数字化兼容性好

通过直接获取数字信号采集的数据,所以具有全数字特征,方便进行后期处理和输出,与Revit、AutoCAD、SketchUp、ArchiCad、Bentley、Tekla等软件有很好的共享性。

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三维激光扫描数据处理

在三维激光扫描的过程中,点云数据的获取常常会受到物体遮挡、光照不均匀等因素的影响,容易造成复杂形状物体的区域扫描盲点,形成孔洞。同时由于扫描测量范围有限,对于大尺寸物体或者大范围场景,不能一次性进行完整测量,必须多次扫描测量,因此扫描结果往往是多块具有不同坐标系统且存在噪声的点云数据,不能够完全满足人们对数字化模型真实度和实时性的要求,所以需要对三维点云数据进行去噪、简化、配准以及补洞等预处理。

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通过数据预处理,可以有效剔除点云中的噪声和外点,在保持几何特征的基础上实现点云数据简化,并将不同角度扫描的点云统一到同一坐标系下,为后续的曲面构建及三维实体模型生成提供稳健的数据基础。

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点云数据三维重建

点云建模需要利用三维实景建模软件ContextCapture,ContextCapture可以更好地评估点云并生成更精确的三维模型。

ContextCapture可以对点云进行增强、分割、分类,并与工程模型相结合。利用ContextCapture的高级三维建模、横截面切割、断裂线和地形提取功能,能快速高效地对竣工条件进行建模并支持设计流程。


点云数据与实景影像融合成果

基于点云数据,ContextCapture还可以从生成非常庞大的可缩放地形模型。通过与原始数据源同步,可缩放地形模型可实时更新到最新。这样做的价值在于,拥有所有数据的全局、最新和综合表示,并用于使用各种显示模式和执行分析,以及生成动画和可视化效果。


激光扫描车与实景影像融合成果


点云数据应用

通过点云数据建立的实景模型,在文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域有广泛的应用。

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a. 测绘工程领域:大坝和电站基础地形测量、公路测绘,铁路测绘,河道测绘,桥梁、建筑物地基等测绘、隧道的检测及变形监测、大坝的变形监测、隧道地下工程结构、测量矿山及体积计算。

b. 结构测量方面:桥梁改扩建工程、桥梁结构测量、结构检测、监测、几何尺寸测量、空间位置冲突测量、空间面积、体积测量、三维高保真建模、海上平台、测量造船厂、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量、管道、线路测量、各类机械制造安装。

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c. 建筑、古迹测量方面:建筑物内部及外观的测量保真、古迹(古建筑、雕像等)的保护测量、文物修复,古建筑测量、资料保存等古迹保护,遗址测绘,赝品成像,现场虚拟模型,现场保护性影像记录。

d.采矿业:在露天矿及金属矿井下作业,以及一些危险区域人员不方便到达的区域。例如:塌陷区域、溶洞、悬崖边等进行三维扫描。

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