学文网三维扫描篇1
关键词：三维激光扫描；点云扫描线；接压缩算法；实例
1 引言
三维激光扫描测量系统，也称为三维激光成***系统，主要由三维激光扫描仪和系统软件组成，其工作目标就是快速、方便、准确地获取近距离静态物体的空间三维模型，以便对模型进行进一步的分析和数据处理。激光扫描仪（laserscanner，LS）所获得的数据是由离散的矢量距离点构成的点云（pointscloud）。每一个像素所包含的是一个距离值和两个角度值。
然而三维激光扫描获得的数据，其数据量很大。其次采用点云数据建立物体模型，存在模型分辨率的问题。模型的多分辨率表示是指对于同一模型，存在着由简到繁、由粗到精的集中表示。三维激光扫描的采样精度很高，一般可以达到毫米至厘米的精度。一般的激光扫描数据都会有数十万到上百万个点，对于如此海量数据，一般微型计算机无论在硬件还是软件上都无法满足处理速度和处理能力的要求。因此对数据按一定准则进行压缩是非常有必要的。
2 基于扫描线数据压缩算法
激光扫描仪是一种高度自动化的电子仪器，仪器开始工作之后一般不需要协作目标和操作人员，按照事先设定的视域范围进行扫描。在一个自下而上或者自上而下的扫描过程中，扫描点都位于同一个扫描面内，也就是说扫描点在垂直扫描面的平面（XOY面）上的投影点基本上都是共线的。
***5 界限值与压缩后的点数对应关系
由***5可知基于扫描共线的方法进行数据压缩，该方法计算量小，模型简单。但是没有考虑扫描线和扫描线之间的关系。在特征丰富的区域，压缩过程往往会将一些特征点删除。此外，考虑点云数据在空间上是不规则分布的，正对扫描仪，激光容易到达并反射的区域数据多，反之则数据量少。用扫描线方法进行压缩的时候，虽然保证了压缩之后仍然保留一些重要的几何特征。但是，也会造成本来数据量少的区域压缩之后点更稀疏，甚至一大片区域没有点，显然这种情况也是必须考虑和避免的。
三维扫描篇2
摘要：三维；激光；测量；
中***分类号：C35 文献标识码： A
一、引言
地形测量的方法来由传统的平板白纸测***、经纬仪测***等发展到现在的全站仪配合绘草***、全站仪配合测***精灵或笔记本电脑进行野外数字化成***的方法，使地形测量由原始手工绘***测量向一体化发展，在技术和精度上都有很大的提高。
三维激光扫描技术是一项迅速发展的高新技术，它的出现为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。三维激光扫描技术主要采用激光测距原理，瞬时测得空间三维坐标值。其巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即可直接获得高精度的扫描点云数据，这样一来可以高效地对真实世界进行三维建模和虚拟重现。目前此项技术已广泛应用于变形监测、工程测量、地形测量、城市规划、智能交通、防震减灾等领域。
二、三维激光扫描系统
1.三维激光扫描仪按照扫描平台的不同可以分为： （1） 机载型激光扫描系统；（2）地面型激光扫描系统，还可根据测量方式细分为移动式激光扫描系统和固定式激光扫描系统；（3） 手持型激光扫描系统。地面型三维激光扫描系统一般由三维激光扫描仪、数码相机、扫描仪旋转平台、软件控制平台、电源及其他附件组成。
1.1地面三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪的诞生为代表，是继GPS （Global Position System）技术以来测绘领域的又一次技术***，该技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，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冈。
地面型三维激光扫描技术是伴随空间点阵扫描技术和激光无反射棱镜长距离快速测距技术发展而产生的一项新的测绘技术。它是一种非接触式主动测量系统，可进行大面积高密度空间三维数据的采集。
1.2地面型三维激光扫描系统工作原理： 三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号， 经物体表面漫反射后， 沿几乎相同的路径反向传回到接收器， 可以计算目标点P 与扫描仪中心的距离 。精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。
x = S？ c o sθc o sα
y = S ？c o sθs i nα
z = S？s i nθ
从定位原理来讲，地面三维激光扫描技术和传统的全站仪测量技术是相同的，采用激光三角法，以仪器自身中心为坐标原点（O），通过测距（S）和测角（θ，α）解算目标相对于原点的三维坐标P（x，y，z），然后再通过坐标系的平移和旋转来得到不同坐标系统下的地理坐标。所不同的是，地面三维激光扫描技术具有全自动高密度的面数据获取能力，数据量极大且数据信息极为丰富。
三维激光扫描仪的测量原理 ：三维激光扫描仪是在激光的相干性、方向性、单色性和高亮度等特性的基础上，在同时注重操作简便和测量速度上，从而保证了测量的综合精度，而其测量的原理是主要分为有测距、扫描、测角、定向这四个方面。
三维激光扫描仪的测距原理：由于激光测距是激光扫描技术十分重要的组成部分，对于激光扫描的定位以及获取空间三维信息是具有十分重要的作用。现阶段的测距方法主要是有：相位法、三角法、脉冲法。测距方法都有其优缺点，而主要是集中在测程和精度的关系上，脉冲测量的距离最长，可是精度会随距离的增加而降低。相位法用于中程测量，具有比较高的测量精度，可它是通过两个间接测量才能够得到距离值，三角测量测程最短，可是精度最高，适用于近距离、室内的测量。
三维激光扫描仪的测角原理：区别于常规仪器的度盘测角方式，激光扫描仪是通过改变激光光路而获得扫描角度。把两个步进电机与扫描棱镜安装在一起，进而分别实现水平和垂直方向扫描。步进电机也是一种将电脉冲信号转换为角位移的控制微电机，它能够实现对激光扫描仪的精确定位。
三维激光扫描仪的扫描原理对于三维激光扫描仪是透过内置的伺服驱动马达系统的精密控制的多面扫描棱镜的转动，决定着激光束的出射方向，能够让脉冲激光束能够沿着横轴方向与纵轴方向进行快速的扫描。扫描的控制装置为：摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜。对于摆动扫描镜是一个平面反射镜，是由电机的驱动来进行往返振荡，这种测距方式就是一种间接测距的方式，通过检测发射和接收信号之间的相位差，从而获得被测目标的距离。测距精度较高，主要应用在精密测量和医学研究，精度可达到毫米级。
三维激光扫描仪的定向原理：三维激光扫描仪扫描的点云数据都在其自定义的扫描坐标系中，但是数据的后处理要求是大地坐标系下的数据，这就需要将扫描坐标系下的数据转换到大地坐标系下，这个过程就称为三维激光扫描仪的定向。
三、在地形测量中注意事项
进行三维激光扫描测站的选择，应注意该选在视野相对开阔的地方，四周遮挡物较少，这样扫描范围广，减少测站的设置，提高工作效率，加快工作进程。 其次测站的选择离观测对象不宜过近，以免仰角太大，影响成像的效果。 在扫描过程中，人员尽量减少在仪器前的走动，以免影响扫描结果，增加数据的采集。 各测站间一定要有3个以上重合点，且要有相应的编号，便于数据的拼接建模。
.三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够全天候的对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。该技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，作业时间短，使用成本低，且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前在工程、环境检测和城市建设方面如断面三维测绘、绘制大比例尺地形***、灾害评估、3D城市模型的建立、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等均有成功的应用实例。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域。
四、地形测量的过程控制和质量检查
在对勘察区进行测量以前，要对所有的资料进行正确地分析和验证，并确保仪器设备的可靠性和有效性。测量过程中的各作业环节和工期的质量控制，要严格按照测量规范的要求执行，生产计划部门要保障本测区技术方案的执行和有效性。同时，质量检验部门要认真检查、监督本测区的测量过程和最终结果。
在进行选点并埋设标石过程中，要检查控制网分布的合理性、点位选址的通视情况，确定埋石满足技术要求，并保证埋石可以长久保存；观测数据和起算数据要确保正确并有效，平差的过程和结果要满足技术要求的规定；成形后的***件，其***面要整洁，记录数据要准确。
结束语：
目前在我国建设和土地规划的过程中大多情况下都使用的是地形测量技术，目前地形的测量技术运用了大量的高科技的先进设备和技术，这有效的提升了对地形测量的精准性，为后期工作提供了科学的参考依据，虽然目前地形测量工作中还存在着一些问题，但随着现代化数字技术的广泛应用及各种相关的技术规范的不断完善、测量人员专业水平和工作态度的提高，测量技术和测量水平将不断的提高，有效的保证了地形测量工作的优质、高效。
参考文献：
[1]梅文胜，周燕芳，周俊.基于地面三维激光扫描的精细地形测绘[J].测绘通报，2010（1）：53～56
[2]魏卫红. 现代测绘技术的发展及应用[J]. 今日科苑. 2009（13） .
三维扫描篇3
【关键词】激光 扫描 装置
1 前言
在现代检测领域的很多场合，我们需要快速、准确、有效地获取空间三维信息。传统测量技术主要是单点精确测量，可以很方便的测量出工件的几何参数，但是用来建模就很困难。理论上，我们可以对一个物体测量许多个点，然后根据这些点的参数来建立物体的三维模型。为了准确描述目标结构的完整属性，需要大量的测量点采集，少则几万个，多则几百万以上，如果用传统的测量方法，工作量太大，效率太低。
传统的检测方法和技术很难快速准确地获取各种大型、复杂、不规则被测物体或实景的三维数据信息。利用三维激光扫描技术，可以迅速地获取将被测物体的多维数据信息，进而可以快速复现被测物体的三维实体模型。同时，还可以对激光扫描中获取的三维点云数据进行有限元分析、仿真分析、任务模拟等后续的处理工作，也可以作为UG、CAD、有限元等各种正向工程工具对称应用的工具。三维激光扫描技术应用广泛，但是成本也较高。本文介绍一种简易的三维激光扫描实验装置，利用一些简单的元器件即可组装，完成基本的扫描任务，可较好地应用于课堂教学。
2 实验装置的工作原理
由激光发射器将红外光照射到被扫描物体上，利用改进后的摄像头（只能吸收红外光）对物体进行拍摄。摄像头采集的信息经软件处理后生成点云，再将点云模拟成物体的具体形状，实现三维扫描功能。
3 元器件的选用
3.1 激光发射器的选用
激光发射器的作用是产生激光并将其照射到被扫描物体上。激光照射到物体表面一般有两种类型，点状和线状。线型光照射到被测物体反射后得到的是一个扫描截面的数据，所以采用线型光可以加快扫描速度，精度也较高。虽然线型光的光亮强度会随着距离的增加而衰减，但是当被扫描的物体距离较近时，完全可以满足要求。
对于激光发射器的选择，主要考虑发射波长和功率。本装置建议选用波长为850nm的红外激光发射器，与后续的红外滤光片相配套（见“摄像头的选用”）。为了能够缩短摄像机曝光速率进而从画面上过滤到环境光的干扰，一般选择较高的激光器功率。选择较高功率的激光器还可以增加扫描距离。但是，选择激光发射器时还应考虑安全问题，功率越大，存在的安全隐患也越大。所以，本装置不宜选取功率较大的激光发射器，建议选择功率小于100MW的激光器，并时刻注意在使用时不能用眼睛直视。
3.2 摄像头的选用
摄像头的作用是采集***像信息。如果摄像头只能采集物体表面被照射的光线而不采集其他光线，这样成像的效果最好，可大大减小环境干扰。一般市面常见的USB VGA摄像头（像素越高越好）即可满足要求，但是需要对其做一改进。为了能够使摄像头只采集物体表面上的光线，需要移除摄像头镜片中的红外截止滤光片，自行安装一个红外滤光片。
红外滤光片允许红外光透过而对可见光截止，它的透光波长范围要与前面所选的红外激光发射器波长相对应。如果不移除红外截止滤光片，则只能够感受到很微弱的红外信号。
3.3 伺服电机的选择
为了能够扫描物体的全部或某一特定轮廓形状，需要激光发射器与摄像头一起相对被扫描物体做旋转运动。实现这一运动有两种方式，即手动与自动两种方式。手动形式最简单的方法就是手持物体或激光器使其旋转，另外一种方法就是将激光器安装在专用支架上，然后手动旋转调整。自动形式则需要采用步进电机，通过步进电机控制工作台，带动激光器或者物体做精确的旋转运动，可以相对转动某一指定的角度。
本实验装置中选用的摄像头帧率是30fps，扫描速度不快，对步进电机无太高要求，只要能够直接控制定位到指定角度，驱动相对容易即可。普通的标准舵机虽然精度相对较低，但是考虑到本装置的成本与使用场合，可满足要求。
4 ***像的处理和渲染
利用专门软件对摄像头采集的***像信息进行处理，生成点云，从而建立被扫描物体的三维模型。由于采用了红外激光器，在加装滤光片后，背景光干扰被有效的去除。画面上除了激光光斑外，几乎看不到别的内容。红外激光在摄像头中将以偏紫色的色彩显示。一般情况下，可自行编写软件来查看3D点云，也可以利用开源的MeshLab、Matlab、Blender等工具查看点云。对于一般的实验装置，可以选择david-laserscanner或者blender软件，这两款软件使用方便、功能强大。
5 结语
现在市面上有很多三维激光扫描装置，功能强大并且精度很高，但是价格不菲。文中介绍的扫描实验装置结构简单，只要明白了工作原理，完全可以自己组装，能够实现基本的扫描功能，价格低廉，非常适用于课堂教学和学生的课外知识拓展。但是本实验装置也存在一些问题，比如扫描精度有待提高，如何将多次扫描的点云对接起来等。相对于几千元甚至数万元的激光扫描仪，该实验装置具有非常高的性价比。
参考文献
[1]杨蘅，刘求龙.三维激光扫描仪的工程应用[J].红外，2009（08）：24-27.
[2]范海英.三维激光扫描系统的应用研究[J].辽宁科技学院学报，2009（02）： 34-35.
[3]赵晓明，洪波.三维激光扫描仪应用技术研究[J].价值工程，2010 （09）：236.
[4]李兆遥严勇.三维激光扫描在工程测量中的应用研究[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2009（01）：48-52.
三维扫描篇4
【关键词】三维激光扫描；虚拟现实；技术；发展
虚拟现实有很多种定义，一种比较有概括性的定义是：虚拟现实是一种非常强大的高端人机接口，包括通过视觉、听觉、嗅觉和味觉等多种感觉通道的实时模拟和实时交互。虚拟现实有三个关键特征，包括：实时的交互性（Interaction），实时指计算机能探测到用户的输入并同时修改虚拟世界；交互性有助于产生沉浸感（Immersion），即让用户感觉到置身于屏幕所显示的情节中；要实现虚拟现实的交互性和沉浸感，以及要在实际应用中更好地解决问题，在很大程度上取决于研究者和设计者的想象力（Imagination）。因此，交互性、沉浸感和想象力够成了虚拟现实的基本特征，也就是“3I”特性。虚拟现实技术在发展的过程中，还有一些障碍，其中一大障碍来源于繁琐的三维建模。
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的一次技术***。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.三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。由于其具有快速性，不接触性，穿透性，实时、动态、主动性，高密度、高精度，数字化、自动化等特性，其应用推广很有可能会像GPS一样引起测量技术的又一次***。
1.应用三维激光扫描技术的虚拟现实技术与传统虚拟现实技术的不同
传统虚拟现实技术中的视景生成办法比较简单，如***1所示。
***1流程仅解决了视景定性分析及模拟过程，但足以在可视化环境中实现虚拟现实应用的功能仿真，至于仿真结果的可逆行工作则受到局限，因为缺少对真实现实的精确测绘及全面的实测数据，因此很难解决视景仿真的精确定量分析、逆向还原及用于定量分析真实目标结构特性，说的更确切点，三维激光扫描技术真正解决了面向目标的三维可视化重建及逆向工程的双性职能，这必将为虚拟现实技术的更广泛应用开辟全新的应用领域，同时，也是对传统虚拟现实技术瓶颈的突破及扩展。具体流程如***2所示。
2.三维激光扫描技术将拓展虚拟现实技术的应用内涵
从应用角度考虑，由于采用了三维激光扫描测绘技术与虚拟现实技术的完美结合，进而使正向工程更加精确及数据可操作化，同时也在逆向工程及快速还原应用中增加了***性的跨越。
三维激光扫描测绘技术是通过激光脉冲发射到真实视景中，经过激光发射及逐点测绘，将对象坐标系统及物体的结构形态直接生成到电脑中，然后经过点云处理及三维实体建模，最终重建出真实视景世界，它的技术特点是：所有采集的真实世界都是由精确数据做保证的，同时又可以结合***形***象技术再现实景。
***3是采用三维激光扫描技术重建的模型及视景环境，他们都是从相应的VR用例资料中截取的，从***中我们看不出与传统虚拟现实应用的区别，因为他们都具有虚拟现实应用的沉浸感、人机交互操作能力、过程仿真能力等，但由于采集实景的技术及三维重建的手段不同，进而应用深度及广度具有很大区别。
3.由三维激光扫描测绘技术重建的虚拟现实的优势
由三维激光扫描测绘技术重建的虚拟现实内容都是基于精确数据做支撑的，它除了具备传统虚拟现实内容的所有功能及要素外，其本质区别还在于：
——所有虚拟实体或实景模型都可以进行各种的测绘、分析、计量等，而传统虚拟现实技术是很难做到的。
——所有视景内容都是真实世界内容的高精度复制，任何计量数据或测绘数据都可以达到从0.005mm到1.5mm的精度值。
——所有虚拟实体及实景都可以直接应用于各种数据分析、模拟、逆向工程、快速还原、立体编辑、二维制***还原等。
——所有虚拟实体及实景都可以直接进行对真实物体的复制、校验、修复、检测、加工、测试、仿真工程，并且直接被目前国际流行的各种应用软件所调用，如：有限元分析、流体力学分析、CAD、三维设计、模具加工、工艺检测、设备维护、产品翻新、仿制仿研、计量测绘、形变分析等等。
4.三维激光扫描技术与虚拟现实技术的结合应用前景
充分利用现代信息技术的成果来加速、高效、低成本、高质量、更精准的实现不同应用领域的相关任务，这是目前国际上虚拟现实应用的重要特征。如果说传统虚拟现实技术还仅仅是初期信息工具描述现实活动的新生事物，那么三维激光扫描技术的引入将使虚拟现实技术变得更精准，更贴近人们的具体期望。
现今人们更关注的是如何改进业务流程，并持续地构建富有创新性的产品及概念，提高效益及数据整合手段，加快产品进步、提升质量及改进改造的时间。要实现这些，必须最大限度地使用研发及制造领域的活力之源，即：数字化及获取数据的手段。以便让这些数据在企业中处于最佳的使用效率，以实现工作成效的最大化。
参考文献
[1]郭葆锋，肖大威，孙季丰.数码城市三维景观虚拟现实技术[J].四川建筑科学研究，2007（6）：374.
[2]李晖，吴禄慎.三维激光扫描技术在虚拟现实中的应用[J].南昌大学学报（工科版），2007（10）：289.
三维扫描篇5
关键词：三维激光扫描 点云 数据处理 三维建模
中***分类号：P258 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）01-0085-02
1 概述
三维激光扫描技术又称作高清晰测量（High Definition Surveying，简称HDS），它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面点的三维坐标信息、反射率、纹理等信息，将被测实体和场景的三维数据完整地采集到电脑中，进而快速复建出被测目标三维模型及线、面、体等***件数据。
项目位于内蒙古敖仑花铜钼矿露天采场，面积约1平方公里，扫描区域如***1。作业要求：全野外三维点云数据采集、填挖方量计算、1：2000地形***、建立三维模型、生成三维视频。
2 三维激光扫描系统的原理
脉冲式三维激光扫描仪工作原理是激光器发射出单点的激光，通过记录激光的回波信号，计算激光的飞行时间，来计算目标点与扫描仪之间的距离。这样连续地对空间以一定的取样密度进行扫描测量，就能得到被测物体的密集的三维彩色散点数据，称作点云。三维激光扫描仪通过脉冲测距法获得测距观测值S，精密时钟编码器同步测量每个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。三维激光扫描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，由此可得点云坐标（XS，YS，ZS）的计算公式，如***2、3所示。
3 仪器介绍
本项目点云采集三维激光扫描仪，***4。
此仪器是当今最先进的三维激光扫描系统之一，它是一种高速脉冲式扫描仪，特点如下：
（1）完全的视场角：扫描视场角为水平360°，垂直270°，可获取顶部，垂直方向、水平方向和水平方向以下区域的数据；（2）测量级精度的双轴补偿器：可架设在已知点上进行导线测量、可输入点坐标来放样、精度1”，补偿范围+/-5’；（3）基于标准反射率表面工作距离：300m-90%反射率；134m-18%反射率；（4）高速扫描：扫描速度可达50000点/秒；发射的光斑大小为50m处恒定3mm，大大提高了扫描的速度和精度。（5）测量级精度如表1。
4 Scanstation2外业三维数据扫描
三维点云数据采集，关键步骤如下：
4.1 外业踏勘
首先，要进行现场踏勘、制作扫描规划草***，规划的内容包括：外业操作人员、扫描区域和时间、站点设置、标靶位置等。其次，科学设站，在保证仪器发挥最大功效的同时，应避免重复扫描，另外，后期如进行标靶拼接，一定要设计好下一站标靶的位置以确保两站标靶通视，如进行点云拼接，设站要尽量采集到较多的特征点。最后，标靶设置要规范，标靶摆设要稳固，尽量不要共线，同时标靶的位置最好设置在两站公共空间的最大距离处，以保证拼接精度。
4.2 外业扫描
外业点云数据扫描，主要步骤如下：（1）连接扫描仪和电脑，设置IP地址；（2）添加数据库，确定数据存储位置；（3）添加扫描仪，设置扫描仪参数，主要包括：照片曝光率、扫描范围、点云间隔密度等；（4）选择扫描数据存储的位置并连接扫描仪；（5）三维点云数据及标靶扫描。
5 点云数据处理
在Cyclone系统软件内进行，步骤如下：
5.1 剔除噪音点
在扫描过程中，由于受扫描系统本身的系统误差，如数据采集时激光雷达旋转引起的抖动、在扫描过程中杂散光和被测物体表面粗糙程度、波纹、表面材质等因素及外界环境影响，会产生不属于扫描实体本身的冗余数据，称为噪音点，如***5，6，为了保证数据计算及模型的精度，在数据拼接之前需进行噪音点剔除。
5.2 点云拼接
每站扫描的数据都是***的自由坐标系统，坐标系原点为扫描仪镜头，其X方向为扫描仪开机时的镜头朝向。因此为了统一坐标系，需将各站数据进行拼接处理。拼接的思路是先将每天各测站的数据拼接成一个整体，然后将各天的数据进行拼接。
（1）点云拼接原理：外业扫描时用全站仪测得标靶的真实三维坐标，各测站扫描时均两两包含三个以上不共线同名标靶，利用各测站间的同名点将各测站数据拼接在一起。
（2）点云拼接方法：共有四种方法：在已知点上设测站扫描（即坐标拼接）、使用标靶将数据转换到统一坐标系中（即标靶拼接）、用点云匹配的方法将点云转换到统一坐标系中（即特征点云拼接）、综合使用上述三种方法。
第一种方法属于直接法地理坐标转换。与传统的测量方法一样，首先进行控制测量，获得控制点坐标，扫描时在已知点上设站，扫描相当于碎部测量。第二和第三种方法属于间接法的地理坐标转换。首先用至少三个公共点来将相邻测站的点云进行拼接，公共点可以是专用标靶或特征点（如窗户的边角、房角等）。
5.3 点云建模
建模的过程是在Cyclone软件下利用海量点云进行精确计算、拟合几何物体的形状，精确表现扫描物体。矿区扫描点云数据如***7。
点云经过剔除噪音点、拼接、构建TIN三角网，生成Mesh三维模型。如***8所示。
5.4 成果输出
（1）地形***制作：在Cyclone下利用Mesh三维模型自动生成等高线如***9，将点云与等高线导出，在CAD中制作1：2000地形***。
（2）填挖方量计算：项目采用了两种计算方法，一是利用点云数据构建三角网，用方格网法计算；二是在Mesh模型中选定参考面，设置取样间隔，计算土方量，如***10所示。
在Cyclone系统里，应用Mesh三维模型计算时，取样间隔的数值可以设置成0.01至1米之间，均可保证土方量计算又快又准，但如采用传统的方格网法计算，取样间隔即使设置到1米，也是相当费时费力的。
6 结语
本项目采用世界先进的三维激光扫描系统采集三维点云数据，在Cyclone系统里进行数据处理、模型制作，采用两种方法计算土方量，通过与传统测量方法相比，得出以下结论：
（1）数据采集速度快，ScanStation2的扫描速度是50000点/秒，短时间就可完成大区域面积内三维点云数据的采集，既节约成本又提高了工作效率；（2）激光三维扫描，不需要接触被测物体，且是根据物体的反射率和材质来采集数据信息，可进行全天候扫描；（3）点云数据完整精确，在软件下可进行多视角、三维可视化漫游浏览，方便、直观；（4）三维激光扫描仪获取的点云数据信息量丰富，既包含被测物体X，Y，Z坐标信息，还包括RGB颜色及反射率信息，后期对矢量数据可进行深挖掘及研究应用，一举多得；（5）应用三维点云数据可以提取任何线性特征，可以出任意比例的二维***，也可以在***上量取任何想要得到的信息，在保证高精度的同时还大大提高了生产效率，这是目前现有的方法中所不能比拟的。
参考文献
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三维扫描篇6
关键词：三维激光扫描技术；数据处理；精度控制
中***分类号：TP31 文献标识码：A
三维激光技术是一门新型的热门高效的技术，它是继GPS技术后又一项测绘技术的诞生。其在数据处理方法和获取方法以及服务能力水平上都进入了新的发展阶段。
一、三维激光扫描系统的分类
我国目前把三维激光扫描技术分为两类；机载型，地面型。在测量方式上还细化成移动式激光扫描系统，手持式机关扫描系统。在当前，地面型固定式三维激光扫描系统是目前最重要的扫描装置。其一般有三维激光扫描仪，数码相机，扫描仪旋转平台，软件控制平台，电源以及其它的相关的附件组成。
二、地面型三维激光扫描系统的工作原理
三维激光扫描仪的发射器在进行工作时会项目表发射一个激光脉冲信号，这个信号在接触到物体表面是被反射回来，顺着相同的路线反向的传回到接收器中，在这之中产生的数据就是三维激光扫描仪的工作目的。当脉冲在到达目标点时精密的时钟控制编码器同步测量每个脉冲横向扫描的观测值和纵向扫描的观测值。
三、三维扫描仪的点云数据处理
在三维激光采集数据时采集的是点云数据，一般包括有下列各个步骤；
（一）噪声去除。噪声去除就是指将点云数据中的错误的数据，通过扫描的过程，把它给去除掉。由于某些原因的影响，会导致这一现象的发生。比如说移动的车辆和行人还有树木，也同样会被扫描仪所采集到，这些都是要在后续的工作中删除带掉的。
（二）多视对齐。多视对齐是说被测量的物体的形状多大或者比较复杂，那么在扫描时就不能一次性的测出所有的数据，这样的情况需要我们从不同的位置，去进行多视角的多次扫描，多视对齐的实质就在于此。
（三）数据精简。点云数据的精简是指在海量的云技术数据中，在不影响曲面重构和保持着一定精度的情况下需要将数据进行精简，而我们比较常用的精简模式有平均精简，按距离精简两种。如若想真实的反映扫描目标，那就需要准确的将需要扫描的数据用曲面表示出来，这项过程就是曲面重构。
（四）曲面重构。我们比较常见的曲面的表示种类中有；细分曲面，暗含的函数表示，明确的函数表示，三角形网络，参数曲面，曲化的面片等。着里我主要说说参数曲面重构和细分曲面重构；参数曲面重构是对对几何形状进行的描述这项理论起源于60世纪，它的主要思想是用一组基函数做为分权因子，在通过一组初始的控制向量的线性组合获得形体的连续表示，我们一般都采用的参数曲面有Bezier曲面，***条曲面和NURBS曲面等。细分曲面重构主要针对复杂的物体表面模型重建和曲面的拼合问题，是从初始的多面体控制网络开始的，应用某种细分规则，对新生成的每个网络的定点进行相继归集的计算，网格顶点生成是原始网格的几个相邻顶点的加权平均，通过不断的细分，逐渐将控制网格磨光。在无穷多次细分后，最终将控制网格将收敛于一张光滑曲面，而这就是重建曲面。
四、三维激光扫描仪的精度分析
（一）三维激光扫描仪的测量误差分析。三维激光扫描系统的测量误差可分为两种；系统误差和偶然误差，系统误差可能会引起扫描点的坐标错误，可以通过公式的改正后世修正系统来解决。测试系统的偶然误差是一些随机性的错误的集中体现。在测量误差上的影响因素较多，主要可以分为三类，仪器误差，与目标物体反射有关的误差和外界环境条件。在仪器误差上又包括激光测距误差，扫描角度测量误差。与目标物体反射面有关的误差主要是目标物体表面粗糙的原因。外界环境因素主要包括温度和气压等因素。
（二）三维激光扫描仪精度控制。在了解到了相关的可能出现差错的原因后我们需要找到解决的对策来加以控制。在系统的测量误差上激光测距的影响相对比较重要，我们要防止在扫描仪脉冲计时的系统误差和测距技术中的不确定间隔的缺陷所引起的误差。需要运用一些好的技术处理相应发生的各种突变的误差，相对于激光测距误差综合体现为i测距中的固定误差和比例误差，我们可以用仪器检定确定测距误差的大小。在扫描角上引起的误差可以通过保证其水平和竖直的扫描角度，在转动中减少其振动，始终保持精确的角度。
（三）提高测量精度的方法。在相对一样的条件下，通过调整三维激光扫描系统的坐标设定，相应的减少坐标系来调整。从而达到减少坐标系误差的目的。通过减少坐标系堆叠的步数去相应的调整三维激光扫描系统的误差，相应的减少单个曲面片坐标系的堆叠的偏差来见减少误差，利用这些方法来加强三维激光扫描技术在测量上的精确度，使三维激光扫描仪的工作能够更加有效的开展。在这其中，数减少单个面片坐标系堆叠便宜误差的方法的控制效果最为明显。
五、三维激光扫描仪技术在将来的发展
比较现在的三维激光扫描技术的发展现状，我们知道在未来，这项技术会有更加广泛地发招空间以及明确的发展方向；通过自身的技术力量发展降低国内在三维激光扫描仪器的价格，提升我国的市场。规范三维激光扫描仪器的数据处理格式，制定相关的数据标准。通过与传统的手段相结合，来克服精度和测距上的矛盾，实现长距离高精度的测量标准。在不断提高技术的基础上，侧重于研究技术核心下的新的测量数据方式，以及测量操作方式，从而提高测量的初始精度，采取改善数据算法的方式来不断降低数据在计算上的误差。
结语
三维激光扫描技术的产生和发展是时代进步的体现，推动了我们身边许多的行业发展和进步。同时这项技术使测量技术领域在数据的提供上，有了更高的精准度。尽管现在的三维激光扫描技术的价格过高，在有些的数据处理和精度测量上存在着缺陷，但我相信随着这项技术的不断研究发展和各种各种的不断合理化与规范化，在不久的将来这项技术一定会在数据处理和精确度上有一个质的飞跃。
参考文献
三维扫描篇7
关键词：三维激光扫描技术；数字矿山；矿山测绘
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.22.083
0 引言
矿山测绘技术历史悠久，经过数十年的发展，矿山测绘及时已经具有一定的机械化水平，但矿山传统测绘技术无法满足目前测绘技术的需求，越来越多的新型测绘技术成为矿山测绘技术发展的前提，三位激光扫描技术成为众多测绘技术中非常重要的一种；数字化矿山建设是实现企业高效高产和安全开采的有效途径，三位激光扫描技术不仅可以建立完成的三维立体模型，还可以真实立体的展现矿山地质地形，是一种全新的技术手段，有利于推进矿山的发展。
1 三维激光扫描技术的原理
三维激光扫描仪主要是地面性的扫描仪，通过激光脉冲发射周期驱动，由接收透镜目标接收后向反射信号产生接收信号，最后通过电脑软件按照计算方法进行原始数据处理，从计算中对物体进行全方位扫描后进行整理。该仪器包括软件和硬件，软件主要是数据处理系统，硬件主要分为三维激光扫描仪、电源和支架，整个工程系统流程是方案的拟定和选择后通过行业数据处理再进行成果输出。
2 矿山测绘的分析
三维激光扫描技术通过扫描实物获取该物体的三维空间数据，在重建该物体的三维模型后成为三维激光扫描技术；该技术通过无接触被测目标标准，可以快速动态、实时自动化的获取目标的三维空间信息数据，比传统测绘技术在精准度和高分辨率方面有很大的提升；三维激光扫描技术主要通过获取测点信息，将散点的坐标组合成三维信息，不需要对实物表面进行处理，得到的数据真实可靠。三位激光扫描技术的使用不仅实现了矿山的精准化管理，工作人员还可以通过网络对矿山的实时信息进行查询，特别是对矿山三位模型进行实时的数据查询，对不同时段的数据模型进行分析，及时发展目标的结构变化和位置移动等情况，为矿山安全有指导作用。
矿山测量工作开展前期需要进行前期控制测量，准确控制测绘技术的精度和设置，三维激光扫描技术作为GPS技术的一种，是目前矿山测绘技术中高精度的新型测绘技术，矿山测量在控制测量中还包括矿山手机控制测量，要求在测量中从整体到局部、分级进行布网的原则，测量控制点采用水准测量和三角高程测量的方法，使用导线测量方法进行全球定位系统定位。建立完善的矿山信息系统是测绘技术开展的重要工作之一，矿山信息系统是根据计算机信息技术设立地理信息系统的存储、维护、统计和管理，在传统测绘技术中因为信息技术不完善，使用技术方法，对测量周期和工作量的增加有很大的挑战。因此需要建立完善的数据库，有助于矿山企业日后的参考使用。
3 矿山测绘中三维激光扫描技术的应用
三位激光扫描仪技术在使用中快捷方便、动态、数字化，测量数据有高精度的优点，一起可以通过架设三脚架采集数据，行业数据处理可以快速进行数据传输，并可以快速获取物体的三维数据，减少外部设站需要的时间，建立立体模型；与传统测量手段相比，三维激光扫描技术完善了测绘信息的表现形式，真实反映现实环境，对提高工作效率和降低劳动力强度有很大的帮助，因此被企业广泛应用。
在矿区测量中，建立矿区地表的三维模型可以全面扫描整个矿区的地形地貌，并将扫描得到的三维点云数据通过软件处理后方可得到该区域的三维实时立体模型，在对建立后的三维模型数据进行信息编辑后，实现矿山的数字化管理；三维激光扫描技术获取的云点信息较为完整，包括对巷道内详细信息内容的描述，矿山地理信息及其他附属设置的描述，通过软件处理后详细的反应出巷道内部的三维立体场景，方便井下作业人员了解巷道具体情况，了解人员活动轨迹。
在进行扫描前对巷道周边环境进行勘探，根据巷道特点确定三维激光测量仪一起的架设位置，并安放在合理的位置；在扫描过程中针对不同扫描目标要求，合理选择扫描的密度参数，三维激光扫描仪获取的数据可以与软件兼容，进行开采场地体积、断面等信息数据的采集和检核。在建立三维巷道模型的整个矿井下，可以配合井下人员的定位系统，实时掌握井下人员分布，对灾难应急救援有一定的帮助。三维激光扫描技术作为高速测量全站仪系统，具有稷山小和受周边环境营销较小的特点，主要采用主动式激光扫描原理完成测量，没完成驿站扫描仪速度非常快，每个点云数据的处理方式不同，三维激光扫描系统可以自动识别实物，在矿山测量中发挥重要的作用。
4 结束语
矿山空间三维信息的获得与传统测量技术相比有较强的实用性，由于三维激光技术采用非接触即可测量技术，特别是在地形复杂的山区可以全天候作业，更加实用于井下作业；三维激光测绘技术获取的是三维信息，可以直观立体的表现矿山的真是形态，用该技术测量的三维云点数据丰富全面，为数字矿山提供优质的数据基础。矿山测绘技术中采用三维激光测绘技术可以充分发挥该技术的优势，随着三维激光技术的发展，成为测绘领域普遍使用的新型测绘技术，有很广阔的未来发展空间。
参考文献：
[1]周文婷.浅谈二维激光扫描技术在地籍侧绘巾的应用科技[J].科技创新与应用，2015（06）.
[2]齐坤.浅谈三维激光扫描技术在矿山测绘中的应用[J].世界有色金属，2016（07）.
三维扫描篇8
关键词：唐陵；雕塑；三维扫描；保护传承
检索：
中***分类号：J18 文献标志码：A 文章编号：1008-2832（2016）04-0091-03
唐十八陵作为中国古代鼎盛时期的遗存，自初建于公元635年唐高祖的唐献陵至公元888年唐僖宗的唐靖陵，跨越了253年的时期，不但见证了唐王朝***、发展、盛世和衰落的完整过程，还真实地反映了当时的***治、经济、文化、艺术的发展状况，是历史的见证和文化的载体。近些年，随着计算机应用及网络技术的普及和成熟，三维扫描技术也随之快速发展，不仅设备来越轻越精致便携，更重要的是扫描速度及数据精度都有很大提高，这些优势使得三维扫描技术从最初的医学、工业制造等方面逐渐扩展到文化遗产保护领域，为器物描述、文物复制、及全方位展览提供了新的契机。大唐文化是中国文化艺术史上的精神领袖，通过唐陵文化遗产的整体数字化研究，能够获取更全面更详实的资料，阐释其本始功能性和当代文化传承。
一、唐陵文化遗产保护的迫切性
文化遗产、文物古迹蕴含着整个社会的形态及其发展的脉络，是历史文化的活化石，是民族历史的积淀，也是艺术、历史文化的载体，具有极高的文化、历史和艺术价值，是不可再生的文化资源。唐陵雕塑是在中华本土产生和发展传统艺术形式，是集文化和艺术审美于一体的超卓的大型石刻，见证了唐代社会变迁，凸显了唐代恢弘博大的气势和深厚的历史文化底蕴。但是这组极具历史、艺术、文化及考古价值的古代雕刻的瑰宝，却长期遭受着自然风化和人为盗窃等双重破坏，大部分石刻保存现状令^堪忧，很多雕塑有贯穿性裂缝间隙，并且有的石刻表层细节漫漶不清；还有大部分唐陵雕塑歪斜、断裂、或者移动原位，例如唐景陵的仗马（如***1）已经翻倒在地，被周边的土堆掩埋，长期未得到妥善保护；又例如：献陵东南西北4门如今仅存6件石虎，保存最为完整的是南门现存的东侧石虎；位于西门的两只石虎被当地的农家住宅分隔开来，石虎腿部均已断开并且跟石座分离；北门现存西侧石虎同西门的石虎状况相似；东门的南侧石虎已被黄土掩盖，地面上可以看到只露出背部的北侧石虎。现代社会中，这些石雕在瘠薄的精神文化中艰难地呼吸着，积弱的传统文化正遭遇强势的物质文明冲击。基于这种种现状，唐陵文化遗产的保护显得尤为迫切。
二、唐陵雕塑塑保护中新技术的应用
（一）文物数字化现状
文物数字化是利用最新的数字化技术（如数字化扫描、摄影、数字化编辑、虚拟现实等）对文物信息进行数字化存储或重新构建三维数字模型，最终通过相关软件对其进行数字化还原。现阶段，文物的数字化应用主要使用：摄影测量和三维扫描。相对于传统保护，数字化保护具有精度高、投入成本低、易于长期保存和广泛传播及应用的优势，是文物保护的重要手段。三维扫描技术，可以根据需求，记录文物最真实、最全面的形态特征，通过计算机重构其三维数据，真实快速地再现文物原貌。数字摄影虽比较方便，但其缺点是只能记录平面的二维影像，不够精准、全面。20世纪末，计算机技术飞速发展，三维扫描技术越来越多的应用到文物的保护领域，因为这样使得文物的展示及检索更加数字化，也更有利于文物的研究、共享及传播。在国外，美国著名大学斯坦福大学就曾开展一个名叫“米开朗基罗”的项目一一专门针对十座世界著名的雕塑进行三维扫描的项目。国内在文化遗产数字化起步较晚，但也取得做了许多有效并有影响的成果，例如：北京大学开展了龙门石窟的数字化保护工作，根据场景的不同尺寸和对扫描模型精度的不同要求，选择不同类型的扫描仪实现了龙门石窟擂鼓台区外立面、洞窟、圆雕大日佛、洞窟中小佛像、饰物三维模型的建立。
（二）3D扫描仪Go！SCAN 50简介
GO！SCAN 50TM三维扫描仪（***2）是加拿大厂商Creaform的一款最新产品，其自身重量不到一千克，可以深入到狭小空间，也可装入随身携带的手提箱，不到两分钟即可启动并运行的傻瓜式操作等优势为我们带来了最简便的3D扫描体验，在提供快速而可靠的测量同时，还可以采集全彩3D数据。此款扫描仪具有较宽的视野，特别适用于快速、省力地扫描高度为30-300厘米的大中型物体，而唐陵雕塑本身体积较大，又都处于较偏远条件较差的地方，这一款扫描仪就为唐陵雕塑的扫描减少了很多麻烦。
（三）三维扫描技术中实物数字化流程
利用现有的三维扫描技术，可以对实物进行扫描并获得其点云数据，然后通过相关软件进行数据拼接、修补等后期处理从而获得实物的三维立体模型。除此之外，后期还可以利用***形处理技术，对三维模型的表面进行贴***处理，从而使得数字化模型更加形象逼真。在三维扫描技术中实物数字化具体的操作流程为：扫描物体、数据采集、数据拼接、后期处理、表面贴***以及最终的实物数字化模型六个步骤。利用三维建模阮籍与数字互动技术，可以对文物的三维数据做全面、生动的展示，从而增加参观者的参与感，营造良好的人机互动氛围和自然显示效果，非遗可以应用，唐陵亦如此。这样的数字化信息不仅可以永久保存，还可应用到数字博物馆的数字化展示中，通过互联网相关应用以3D的方式呈现给观者，一些世界名胜、雕塑、古董将在互联网上以3D的形式来让用户体验，这种体验的真实震撼程度要远超现在的2D环境。
基于三维扫描获得的文物三维数据为更加深入的研究文物、复制文物提供了可行性，为建立专门的文物的数字化博物馆、文物的3维展示以及文化遗产的保护提供了新思路。
三、三维扫描技术在唐陵雕塑中的应用实践
（一）前期实验分析
为确保唐陵雕塑扫描工作的顺利进行，去现场扫描之前对以下两方面进行了实验分析。
1.材质实验分析
唐陵雕塑的材质是石头，为了确认三维扫描仪对石头材质物体的识别度，首先选择同样材质的物体进行扫描实验。如***3所示，选定的被扫描物体是校园内的“纪念林”石碑，通过***4所示的扫描结果可以很清楚的看到，石碑的石头质感被完美还原，不仅如此，“纪念林”三个人工雕刻的字以及石碑表面的纹理也清晰再现，印迹明确。由此得知：三维扫描仪对于与唐陵雕塑的石头材质可以完美识别，完整再现。
2.光线实验分析
扫描环境主要分为室内和室外，首先选择在室内环境下对维纳斯石膏像进行扫描实验。扫描时，外界天气情况为晴天，室内的光线主要来源于一扇长280cm高250cm的窗户，维纳斯石膏像高度约为120cm（***5），扫描完成一共用时约60分钟，扫描结果如***6所示，面部五官以及腿部褶皱的痕迹都可以很清晰很完整的再现。由此得知：日间天气晴朗时，室内扫描可以完成。
其次，还需在室外环境下进行扫描实验。GO！SCAN 50TM的扫描光源是白光，当将物体置于太阳光下时，扫描仪的CCD感光片处于被太阳光直射的状态，便会曝光过度，而扫描仪是通过部件的几何形状及颜色来混合定位的，曝光过度的情况下对部件的几何形状及大部分相似底纹将无法识别。实验时，为了便于遮光，选定的扫描物体是一个长约30cm宽约25cm高约40cm的小企鹅玩偶。由两名同学分别抓住遮光布的两角，为企鹅玩偶营造一个如***7所示的不被太阳光直射的避光环境。扫描时，室外光线条件下正常曝光数据值为：ISO-400，曝光时间1/250s，f/8；遮光布内光线条件下正常曝光数据值为：ISO-400，曝光时间1/250s，f/4，即在感光度与曝光时间相同的情况下，光圈值需要降低三级，此时的光照条件下，三维扫描仪的激光才不会被太阳光干扰。如***8的扫描结果所示，企鹅的色彩可以真实还原，整体的造型非常精准而生动。
（二）唐建陵翁仲扫描过程
前期实验结束之后，总结经验，找到应对方法，就到唐建陵进行第一次雕塑的三维扫描实践选定的扫描对象为唐建陵中一个已被半埋在地下的翁仲（***9）。在室外进行扫描，最关键的问题就在于给唐陵雕塑创造一个光线较暗的环境。考虑到外出携带问题，选择了可以任意截断和连接的PVC管，截成长为1米的短管，中间和顶端分别用直接接口和自制的三通接口连接，现场使用时根据雕塑自身高度、体积来连接搭建一个合适的遮光棚。为了保证支架的稳固性，选定的PVC管直径为5cm，管壁厚度为0.4cm。被扫描唐陵雕塑的尺寸大约为：长60cm宽30cm高70cm，因此支架搭建的尺寸相应为：长100cm宽100cm高200cm，除此之外，还有长5米宽2.8米的遮光布两块。围绕雕塑把支架连接搭建完成之后（***10），将两块遮光布呈十字状盖在支架上，其中雕塑正面是半遮盖状态以提供必要的照明光线，这样就建立了一个简易的遮光棚（***11）。
遮光棚搭建好后，其次要解决的是电源的连接问题，针对不同情况，有两种解决方案：（1）唐陵雕塑附近有村民时，请求提供帮助，准备0.75平方的纯铜线100米就近连接；（2）周边没有居民或者相距太远，需准备14000毫安的飞利浦移动电源两个，以此来提供扫描仪的持续用电。而被扫描的这个翁仲旁有一户人家，在扫描前跟村民沟通，说明情况，并给予一定费用，才得以连接电源。
一切工作准备就绪，便开始扫描。扫描过程中，要实时关注电脑上所呈现的扫描效果，以便于及时发现漏洞并修补。但因为雕塑本身曲面太多，扫描中依旧会留下一些漏洞（***12），因此在最终扫描完成后，将扫描数据导入到Geamagic软件中进行后期修补，修补舌如***13所示。
修补完成后，将数据导入到3Dmax软件中进行网格构架（***14）和贴透明材质（***15）两种不同效果的制作、输出，最终，这些不同的展示效果都将被采集到唐陵数据库中，以便于唐陵雕塑的研究与展示。
（三）实践过程中的利弊体验及问题解决方案
优势：（1）轻便快捷：一个人不间断扫描唐建陵持剑翁仲雕塑大约用时90分钟，扫描仪的轻便为我们后期对体积更大唐陵雕塑的扫描减轻了很大负担；（2）实时观测：可以通过电脑随时看到扫描漏洞，更精确的扫描物体的每+细节，即使没有立即发现漏洞，也可以回到已扫描完但需修补的区域重新定位，再次扫描修补；（3）高精度：扫描完成后的数字化信息精确完整，为最终输入到唐陵数据库做展示提供了新的途径。
需克服的难点：（1）扫描时间：扫描过程中扫描仪不能移动过快，需保持1分钟扫描10cm距离的速度，因此扫描一个长约60cm宽约30cm高约220cm的石刻可能会需要3-4个小时左右的时间；（2）也正因为唐陵雕塑体积庞大，有的雕塑位于斜坡或者高田之上，需要借助很高的梯子爬高来进行扫描，此时需要注意的是扫描设备及人身的安全问题；（3）扫描完成后的修补、调整以及再创作对于个人来说是一个全新的领域，了解较少，后期软件处理方面需要多学习、勤练习。
三维扫描篇9
关键词：三维激光扫描仪；航道；地形测量
中***分类号：U612 文献标识码：A 文章编号：1006―7973（2016）08-0040-03
1916年，著名的物理学家爱因斯坦首先发现了激光的原理；1960年代，红宝石激光器和半导体激光器相继诞生；1964按照我国著名科学家钱学森的建议将“光受激辐射”改称“激光”，确定了激光在我国的标准称呼。由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，从而引起了测绘仪器行业科研人员的广泛关注，激光技术在1980年代开始运用在距离测量方面。随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展，激光测量技术逐步由点对点的激光测距发展为采用非接触主动测量方式快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描测量技术。1990年代起，因为三维激光扫描系统在各项性能快速提升及价格逐步下降和应用需求的推动下，三维激光扫描技术在测绘领域成为研究的热点，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一。近几年，我国的中海达等一些测绘仪器公司也开始具备设计和生产中高端三维激光扫描测量系统的能力，也生产出性能接近国外知名品牌的三维激光扫描仪，价格却只有进口产品的2/3，硬件性价比突出。但是在配套数据处理软件的研发上还没能迎头赶上，暂时只能使用价格昂贵的外国软件。
1 三维激光扫描测量技术的原理和工作流程
三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technology）是用三维激光扫描仪获取目标物表面各点的空间坐标（即：点云（Point Clouds）），然后由获得的测量数据构造出目标物的三维模型的一种全自动测量技术。三维激光扫描的工作过程主要包括：
（1）数据采集；数据采集是模型重建的前提，数据预处理为模型重建提供可靠精选的点云数据，降低模型重建的复杂度，提高模型重构的精确度和速度。
（2）数据预处理；数据预处理阶段涉及的内容有点云数据的滤波、点云数据的平滑、点云数据的缩减、点云数据的分割、不同站点扫描数据的配准及拼接等。
（3）几何模型重建；模型重建阶段涉及的内容有三维模型的重建、模型重建后的平滑、残缺数据的处理、模型简化和纹理映射等。
（4）模型可视化；成果输出。
概括起来，实际上就是数据的外业采集和内业处理两大部分。
2 三维激光扫描测量技术在航道地形测量中的运用
2.1 测区概况
一般航道地形测量的范围是河流两岸水沫线以上到河槽岸顶的长条带状地形，地表或多或少地分布有青草、蔬菜、玉米、竹、树等植被。本次测量的河段正符合了这样的特征，在测量前，已经用GPS-RTK进行了***根点的布设。
2.2 外业仪器简介
数据的采集是通过三维激光扫描仪进行三维激光扫描，获取测区地形的三维数字模型。在本项目中，采用徕卡HDS8800三维激光扫描仪进行外业数据采集。这款仪器是瑞士徕卡公司出品的一款高端三维激光扫描仪，此款仪器集便捷性、易用性及高效性于一体，独特的超长扫描距离使其可以广泛用于地形、矿山、滑坡监测等领域；仪器内置有7000万像素的高分辨率相机，扫描同时可拍摄高分辨率全景照片，并将其渲染到扫描数据上，所以点云数据为真彩色点云数据（格式：X，Y，Z，R，G，B），而无需其它相机拍照以及校准。完整的***像细节使内业的数据分析更轻松、更高效。
2.3 内业软件简介
本项目使用HDS8800配套的专业数据处理软件徕卡Cyclone进行数据处理。
徕卡Cyclone软件是三维激光扫描领域内的主流软件系统，该软件是HDS扫描仪的配套软件。用户使用该软件可以高效率地控制徕卡测量系统的多种HDS扫描仪。使用该软件用户可在工程测量、制***、及各种改建工程中处理海量点云数据。软件的主要特点包括：
（1）可对扫描仪的采样密度、内置照相机曝光和分辨率等参数进行设置，并控制扫描仪完成点云数据采集；
（2）实现点云拼接、分块处理和海量数据管理功能；
（3）自动构网和生成等高线，可输出二维或三维***，线画***，点云***，三维模型，可输出DXF，PTX，PTS，TXT等多种数据格式；
（4）结合徕卡公司的Cyclone软件的点云和TruView网络浏览工具，可实现真彩色点云数据的网络共享。
2.4 外业数据采集
仪器设置在之前已经布设好的***根点上对和对岸进行三维激光扫描， HDS8800仅仅只用了约30分钟就完成了360度一圈的高密度扫描，这样的数据采集速度往往会让第一次接触三维激光扫描仪的人感到很震撼。本项目需要真用到的范围是河对岸1.5公里长的约60米宽的水边区域。
2.5 点云数据的处理
因为是一次性扫描完成数据采集工作，所以内业没有拼***的工作内容。野外地形的点云数据采集完成后，即利用Cyclone软件将点云数据导想公司出品的便携式***形工作站进行进行去噪、抽稀提纯处理，也就是把在扫描测量时，因人、飞鸟、车船等移动物从扫描视场中经过而产生的无效数据、测程超出测区的产生的冗余数据等噪声数据过滤掉。Cyclone软件提供了多种过滤模式：距离过滤、角度过滤、离散点过滤、边缘过滤、面过滤等。抽稀提纯则是更精确的去噪过程，在软件中参考HDS8800扫描仪内置相机所拍摄的照片把最能真实反映地形地貌的特征点抽取出来。经过这一步骤，数据包的体积已经从开始的几个吉字节变成了几十兆字节。和用传统全站仪测量法得到的地形数据差不多了，可以导出为南方CASS成***软件使用的DAT格式文件进行地形***的编绘，从而得到该测区的地表数字地形***、和等高线等成果。其实，Cyclone软件本身也有生成DEM的功能，但因为界面是英文的，使用起来不如南方CASS方便。
经过CASS编绘后，如***4，将扫描数据生成的地形***成果与几年前用全站仪按传统测量方式获得的地形***成果进行叠加比对，发现二者在平面位置以及高程上都吻合的很好。
3 总结与展望
比较三维激光扫描仪和传统的全站仪跑镜测量的作业模式、工作强度和成果精度。利用三维激光扫描技术测绘地形***，不需要照准合作目标，可以自动、连续、快速地获取目标物表面密集采样点数据，从而提高了测量的效率，使相关外业测绘流程大大简化，外业人员的劳动强度大大减少，外业工作时间大大缩短，大部分时间转为内业在软件中对扫描数据的处理，内业处理的自动化程度也显著提高。扫描仪获取数据的成***精度可以达到1：1000（植被影响小的情况下可以符合1：500）的地形***的要求。在三维激光扫描仪在航道地形测量中的应用实践中，也发现了一些问题：
（1）这种测绘方法对地形地物描述细致，但也造成了采集的数据包体积过于臃肿，对进行数据处理的计算机的硬件配置要求比较高；
（2）目前有一个比较致命的缺陷：容易受地表植被影响，与全站仪相比测量成果的高程精度相对低一些，甚至不能正确反映测点的实地高程；
（3）硬件价格已逐步“平民化”，但软件价格还很昂贵。这也限制了三维激光扫描测量技术的普及和应用。
三维激光扫描技术作为测绘界的最新技术，在国内的应用还处于起步阶段。还需要逐步的摸索，需要总结工程解决方案并形成一定的标准和规范；随着三维激光扫描技术的不断发展和商业化的成熟，这个新技术的应用领域和范围也必定会不断扩大，有着广阔的应用前景。
参考文献：
[1]张会霞，等.三维激光扫描数据处理理论及应用[M]，电子工业出版社，2012
[2]陈家璧，等.激光原理及应用（第3版）[M]，电子工业出版社，2013
[3]谢宏全，等.地面三维激光扫描技术与应用[M]，武汉大学出版社，2016
三维扫描篇10
【关键词】 地面三维激光扫描 文物测绘 关键技术
文物是古代人民的劳动结晶，通过研究文物可以获得较为丰富的研究成果，对于了解古代人民的生活劳动方式具有重要意义。对文物进行测绘是其他文物工作开展的基础，随着现代技术的发展，空间扫描成像技术及计算机数据处理技术已经被广泛应用到文物测绘工作中，且在不断向集成化、数字化、精细化等方向发展。地面三维激光扫描技术可以利用计算机相关技术对文物的三维空间属性进行测绘，不仅消除了传统接触式测绘方式对文物的损害，还能够更加精确地将文物面貌、属性等信息真实准确的反映出来，是一种非常具有实用价值的文物测绘技术。
1 地面三维激光扫描技术概述
1.1 基本实现原理
地面三维激光扫描技术是一种集光、电、计算机数据处理等多种技术为一体的高精度空间测量技术，该技术通过发射多束激光对扫描对象进行空间照射，配合使用脉冲测距法获取激光测量过程中的多种返回数据如被测单位的距离值、每束激光的横纵向扫描角度观察值、每一接收点所接收到的激光反射强度等，进而利用性能强大的计算机对所获得的数据进行处理和建模等操作，最终获得被扫描对象的试题信息。
1.2 实现流程
相较于传统的文物测绘技术而言，该技术可以在不接触文物的前提下完成数据的采集和处理，且所采集到的数据精度更高更丰富，配合高性能计算机的使用可以即时的完成测绘任务，特别是在某些测绘难度较高的环境中，该技术更能够发挥其性能特点。
其中，准备工作主要用于确定被扫描文物的空间分布、形态以及对扫描点位置的选取、扫描精度的确定等进行分析和确认，进而制定相关的扫描方案并根据扫描方案选取相应的仪器和设备。
在准备工作完成后即可启动相关设备和软件对被测绘文物进行数据扫描获得“点云”数据，这些“点云”数据是一系列三维坐标及颜色属性的集合，无法直接使用，而是需要通过相关的数据处理算法和建模方法等将这些数据转化为文物的三维立体影像。经过上述过程后，一次文物测绘工作就基本完成了。
2 文物测绘中的关键技术分析
2.1 点云数据的预处理
三维激光扫描设备在对文物测绘过程中会生成大量的数据信息，这些数据信息既包含有用的文物信息，还包含无用的干扰信息等，为提升后续操作的精度需要对这些点云数据进行预处理，如去噪、平滑、简化等。其中去噪和平滑主要是对点云数据中的误差进行校正或消除，简化主要是对数据信息进行筛选和压缩。
2.2 点云数据的分割
只有按照某种规则分割后的点云数据才能够进入处理阶段，目前常用的分割方法有两种，基于边的区域分割方法可以按照文物的边点属性对采集到的数据进行检测，然后按照所检测到的边点信息对点云数据进行连接或拟合；基于面的区域分割方法则是首先对需要使用的网格大小和位置等进行分类，然后在利用该分类对采集到的点运输局进行聚类等操作，最后形成多个数据域。
2.3 点云数据的三维建模
三维建模是利用测绘信息构成文物三维模型的核心环节，该过程的实现主要有两种：三角网格面模型重建技术和样条曲面模型重建技术。鉴于前者所建立的模型具有更好的边界适应性和构造灵活性，故得到了非常广泛的应用。
3 地面三维激光扫描技术在文物测绘中的应用
当文物的三维扫描模型被建立后可用用于进行以下几方面研究。
3.1 三维信息存留
文物具有稀缺性和唯一性，对文物进行信息存留是文物保护的一项重点工作，后续的文物修复、文物研究等工作的开展都要以此为基础。
传统的文物信息存留工作中需要综合应用多种信息存储手段对文物的多种属性信息分别记录，如应用常规测绘技术对文物的形态尺寸等进行记录、应用影像技术对文物的外观纹理等信息进行记录等。这种信息存留方式不仅实现复杂，而且可应用性不高。
而地面三维激光扫描技术可以对文物信息进行高精度数据采集，然后依照采集后“点云”的数据属性进行后期处理，最终获得结构完整的、数据精度高的文物三维信息，这些信息基本包含了被测绘文物所有特征信息。
3.2 文物的虚拟修复
多数文物在被发现时或在保存过程中容易出现残缺等问题，地面三维激光扫描技术可以为文物构建逼真的三维空间模型。利用该模型，相关文物专家可以依照模型结构和数学分析手段等对文物在计算机端进行修复，这种修复方式可以在不损坏文物的前提下为文物修复专家提供多种修复效果供其选择和分析，对于文物保护具有非常实用的价值。
以敦煌莫高窟为例，在莫高窟的多个***像采集点使用三维激光扫描仪对其进行扫描获得点云数据，对这些点云数据进行噪声消除等处理去除数据采集过程中出现的曲面变形、***像噪声等，然后按照设定的模型对点云数据进行三角化处理、模型对齐和拼接化处理等实现三维模型的建立。与此同时对照片中的颜色进行校正后在模型中添加颜色信息、纹理信息、材质信息等构成最终的三维扫描模型。该模型可用于指导相关文物专家开展文物跟踪、保护以及修复等工作。
3.3 文物的监测
经过测绘后的文物会生成存留信息，利用该信息可以对文物进行检测与管理。对已经完成测绘工作的文物等一方面可以利用存留信息对文物保护效果进行跟踪和评估，进而根据评估效果确定和完善文物保护方案等；另一方面，利用存留信息可以对文物的状态进行分析，便于及时发现和修复文物可能发生的潜在问题等。
参考文献：
[1]张学文.地面三维激光点云处理关键技术与实现[D].北京：北京建筑工程学院，2008（1）.