三维激光扫描系统

一、系统简介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高新技术，是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。

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。

可以快速、大量的采集空间点位信息，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。

近些年来，三维激光扫描仪已经从固定朝移动方向发展，最具代表性的就是车载三维激光扫描仪，车载三维激光扫描仪是将三维激光扫描设备、卫星定位模块、惯性测量装置、里程计、360°全景相机、总成控制模块和高性能板卡计算机集成并封装于汽车的刚性平台之上，在汽车移动过程中，快速获取高精度定位定姿数据、高密度三维点云和高清连续全景影像数据，通过统一的地理参考和摄影测量解析处理，实现无控制的空间地理信息采集与建库。

汽车、三维激光扫描仪、数据处理软件，这三部分共同组成了车载三维激光扫描系统。

图1.车载三维激光扫描系统图2.系统工作原理图二、发展状况随着地理空间信息服务产业的快速发展，地理空间数据的需求也越来越旺盛。

地理空间数据的生产，成为世界经济增长的一大热点。

目前世界上最大的两家导航数据生产商NavTech和Tele Atlas均将车载三维激光扫描系统作为其数据采集与更新的主要手段，并将该技术视为公司的核心技术。

我国在车载三维激光扫描系统测图领域的研究起步较早，现已在多传感器集成、系统误差检校、直接地理参考技术、交通地理信息系统等方面取得突破性的进展，其中最具代表性的有李德仁院士主持、立得空间信息技术有限公司研制的LD2000-RM车载道路测量系统和刘先林院长主持、首都师范大学研制的SSW车载测图系统。

三、国内的应用经过多年的发展和应用，车载三维激光扫描系统已在我国基础测绘、应急保障测绘、街景导航地图测绘、三维数字城市建设、矿山测绘、公路GIS与公路路产管理、电力GIS数据采集与可视化管理、铁路GIS与铁路资产管理、公安GIS数据采集等项目中得到广泛应用。

LASER MEASUREMENT SYSTEMS®Preliminary DatasheetRIEGL VZ-1000®三维激光扫描成像系统拥有RIEGL 独一无二的全波形回波技术(waveform digitization)和实时全波形数字化处理和分析技术(on-line waveform analysis)，每秒可发射高达300,000点的纤细激光束，提供高达0.0005°的角分辨率。

这种高精度高速激光测距及可同时探测到多重乃至无穷多重目标的细节信息技术优势，是传统单次回波反映单一物体技术所无法比拟的。

除此以外，基于RIEGL 独特的多棱镜快速旋转扫描技术，它能够产生完全线性、均匀分布、单一方向、完全平行的扫描激光点云线。

的高质量制作水准和密封等级使它能够在恶劣的环境条件下完成高难度的测量分析任务。

具有轻便、坚固耐用等显著优点，其安装和操作也极其简单：通过自带的控制面板即可设置参数，控制扫描，无需携带笔记本电脑，并可使用iPhone 或PDA 进行远距离的遥控操作，将全部数据都储存在设备附带的存储卡中。

操作模式：●无需笔记本即可单机获取数据，并利用内置用户界面进行基本配置及输入命令。

●通过有线或无线网络端口，在笔记本上经由RiSCAN PRO 进行远程遥控操作。

●将命令提示整合到移动激光扫描系统中。

●提供连接后处理软件接口。

使用界面：●整合人机交互界面(HMI)，在设备上进行单机操作。

●使用320x 240像素、3.5寸高分辨率TFT 彩色液晶显示屏，防刮防反射并配备多语言菜单。

●防水抗污键盘，按钮设计便于控制。

●通过扩音器可获取声音信号。

RIEGL VZ-1000VZ-1000VZ-1000长距离、高精度、快速度、轻巧便携的三维激光扫描成像系统 ●超高速数据采集●广阔的扫描视场角，可控性强●能够识别多重目标●在恶劣环境下卓越的测量能力●标配高精度数码相机安装底盘●集成倾角传感器和激光铅锤●内置GPS 天线●多种端口(LAN,WLAN,USB 2.0)●设备本身具备内部数据存储能力●超长距离，高达１４００米●建筑和正射影像测量●建立考古和文化遗产档案●隧道测量●土木工程应用及工程监测●城市三维建模●数字城市建模和车载激光扫描成像系统●地形和矿产测量系统构成软件包用于扫描仪的操作和数据处理数据存档：以目录树结构存储为XML 文件格式核查，智能视图和特征抽取拼接方式：提供包括全球坐标系拼接在内的全自动和半自动四种拼接方式高精度、低畸变的专业单反数码相机(4,256×2,832pixel)(4,288x 2,848pixel)　●自动生成高分辨率的贴图纹理网格●自动生成三维正射影像、数字高程图和等高曲线图●实时定位、距离、面积和体积的测量将扫描仪、软件和数码相机结合，能够实现Ø 200 mm308 m m3Preliminary Datasheet扫描仪通讯和数据接口●LAN 10/100/1000MBit/s 接口位于旋转头里●LAN 10/100MBit/s 接口位于底部●WLAN 接口位于顶部天线处●USB 2.0用于外部驱动存储（闪存●USB 2.0用于连接数码相机●GPS 天线连接器●两个用于额外电源供给的接口●GPS 脉冲同步接口（1PPS 扫描数据存储●内置32G 闪存存储●外部有USB 2.0存储驱动接口（可接/RIEGL VZ -1000®2)Laser PRR (Peak) 70 kHz100 kHz 150 kHz 300 kHz2)Effective Measurement Rate 29 000 meas./sec.42 000 meas./sec.62 000 meas./sec.122 000 meas./sec.3)Max. Measurement Range 4)for natural targets ρ ≥ 90%1200 m 1000 m 800 m 450 m for natural targets ρ ≥ 20%560 m470 m380 m270 m5)Max. Number of Targets per Pulse practically unlimited 6) 8)Accuracy 8 mm 7) 8)Precision 5 mmCLASS 1 LASER PRODUCT1)with online waveform processing4)limited by PRR 2)rounded values, selectable by measurement program 5)details on request3)Typical values for average conditions. Maximum range is 6)Accuracy is the degree of conformity of a measured quantity to its actual (true) value.specified for flat targets with size in excess of the laser7)Precision, also called reproducibility or repeatability, is the degree to beam diameter, perpendicular angle of incidence, and for which further measurements show the same result.atmospheric visibility of 23 km. In bright sunlight, 8)One sigma @ 100 m range under RIEGL test conditions.the max. range is shorter than under an overcast sky.9)0.3 mrad correspond to 30 mm increase of beamwidth per 100 m of range.Minimum Range 1.5 mLaser Wavelength near infrared 9)Beam Divergence 0.3 mrad10) frame scan can be disabled, providing 2D operation11) selectable, minimum stepwidth increasing to 0.004° @ 70 kHz PRRLASER MEASUREMENT SYSTEMS®0100200400500800Target Reflectivity [%]M a x i m u m M e a s u r e m e n t R a n g e [m ]w e t i c e , b l a c k t a r p a p e rd r y s n o wc o n i f e r o u s t r e e sd r y a s p h a l td e c i d u o u s t r e e st e r r a c o t t ac l i f f s , s a nd , m a s o n r yw h i t e p l a s t e r w o r k , l i m e s t o n e30051015202530354045505560657075801400w h i t e m a r b l e9085standard clear atmosphere: visibility 23 km light haze: visibility 8 kmc o n s t r u c t i o n c o n c r e t e9001000110012001300600700150 kHz100 kHz70 kHzrange limited by PRR300 kHz技术参数物理参数激光产品分类一级安全激光制造依照IEC60825-1:2007The following clause applies for instruments delivered into the United States:Complies with 21CFR 1040.10and 1040.11except for deviations pursuant to Laser Notice No.50,dated Jul 26,2001.温度范围：0℃~40℃（使用）；-10℃~50℃（存放）保护等级：IP64，防尘，防雨水重量：9.8KG1)Range Performance 100°(+60°~-40°)旋转反射棱镜3线/秒~120线/秒0.0024°≤∆ϑ≤0.288°优于0.0005°(1.8arcsec)内置，专门用于扫描仪垂直位置的变化定位实时同步扫描数据的采集时间控制扫描仪同步旋转0°~360°旋转激光头0°/秒~60°/秒0.0024°≤∆φ≤0.5°优于0.0005°(1.8arcsec)扫描角度范围扫描机制原理扫描速度角度步频率∆ϑ（垂直），∆φ（水平）角度分辨率倾角传感器：内置同步计时器：同步扫描（可选）：11)11)10)假设具备以下条件：平面目标大于激光光束；入射角垂直于目标且亮度平均。

三维激光扫描系统技术参数一．仪器精度:（1）点位精度：3 mm @ 50 m; 6 mm @ 100 m（2）距离精度：1.2 mm + 10 ppm（3）角度精度：8" / 8"（垂直/水平）（4）标靶获取精度:2 mm @ 50 m（5）双轴补偿器:实时机载液态传感器形式的双轴补偿，可选开/关，分辨率1’，补偿范围+/- 5’，补偿精度1.5"二．激光扫描:（6）激光类型:脉冲式,超高速WFD（波形数字化）增强技术,颜色及波长:1550 nm (不可见的) /658 nm (可见的),激光等级1级（符合IEC60825:2014标准)（7）扫描距离,范围:最小距离0.4 m最大范围270 m(34 %反射率)，范围噪音*0.4 mm rms @ 10 m,0.5 mm rms @ 50 m（8）扫描速率：1000000点/秒（9）激光光斑大小：前窗激光光斑直径≤3.5mm（10）数据储存容量：256 GB内置固态硬盘（SSD）或外接USB设备（11）数据传输：千兆以太网，集成WLAN USB 2.0设备（12）机载界面显示：触摸屏（触笔）控制，真彩色VGA图形显示（640 x 480像素)（13）激光对中器：激光安全等级：1级（IEC 60825:2014）对中精度：1.5 mm @ 1.5 m 激光光斑直径：2.5 mm @ 1.5 m可打开/关闭（14）激光发散角：<0.23mrad（15）视场角：水平：360°（max）垂直：270°（max）照准：无视差，可变焦（16）仪器可同时使用两块内置锂电池和一块外挂锂电池，支持热交换2块内电池内置电池> 5.5小时（2块电池）外挂电池> 7.5小时（常温下）以便适应长时间野外作业；外接电源：24 V直流电或100 - 240 V交流电，典型40w功耗；。

基于控制器的高速三维激光扫描系统设计与实现随着科技的不断发展，激光技术的应用越来越广泛，如在仓储、制造、医疗等行业都有着重要的作用。

其中，三维激光扫描系统可以快速地获取三维模型，广泛应用于制造业、文化遗产保护、室内设计等领域。

本文将介绍一种基于控制器的高速三维激光扫描系统设计与实现。

一、系统架构系统架构主要由三部分组成：控制器、激光扫描头和制动器。

其中，控制器作为整个系统的核心，主要负责数据处理、控制和传输等任务。

激光扫描头则用于发射激光束并接收反射回来的激光信号。

制动器则起到激光扫描头的定位作用，以确保扫描的精度和精度。

二、系统设计本系统采用的激光扫描头为TOF(Time-of-Flight)类型激光扫描头，其工作原理是计算反射回来的激光信号的往返时间，并通过ToF芯片进行数据转换，从而得到距离信息。

同时，由于ToF激光扫描头的工作频率高，能量密度大，因此可以实现高速扫描。

另外，为了确保扫描的精确性，本系统采用了高精度制动器来控制激光扫描头的运动轨迹。

在控制器的设计方面，本系统选择了基于FPGA(Field-Programmable Gate Array)芯片的控制器，该芯片具有可重构性、并行性、低功耗等特点，适用于高速数据处理和控制。

控制器的软件部分则主要由C语言和Verilog HDL编写而成。

三、系统实现系统实现的关键在于算法的设计和实现。

本系统采用了基于去噪和网格化的数据处理算法，通过滤波、积分、分割、匹配等步骤将原始扫描数据进行处理，最终得到三维点云数据。

算法实现过程中主要采用了C++编程语言。

同时，为了实现高速扫描，本系统采用了基于DSP芯片的数据传输方式，用于实现控制器和激光扫描头之间的快速数据传输。

同时，为了实现较长距离的扫描，本系统还采用了多台激光扫描头的联合扫描方式，以减小扫描盲区和遮挡等现象。

四、系统优化在系统优化方面，本文主要着重从三个方面进行了优化：数据采集、数据处理和数据显示。

三维激光扫描仪汇总三维激光扫描仪，也被称为三维激光扫描系统，是一种能够捕捉并测量物体表面形状和对象几何特征的高精度测量仪器。

它通过使用激光束来扫描物体，并通过分析激光点云数据来生成三维模型。

三维激光扫描仪广泛应用于工业制造、建筑设计、文化遗产保护、地质测量、医学等领域。

下面将对三维激光扫描仪的原理、类型和应用进行详细介绍。

一、原理三维激光扫描仪的原理基于激光测距技术。

它通常通过发射激光束并测量激光束返回的时间来计算物体表面的距离。

激光束由发射器产生并聚焦到一个点，然后被反射回扫描仪接收器。

接收器测量激光束返回的时间，并根据时间和光速的关系计算出物体表面的距离。

通过在多个角度对物体进行扫描，可以得到物体的各个点的三维坐标数据，从而构建一个完整的三维模型。

二、类型根据扫描技术的不同，三维激光扫描仪可以分为接触式扫描仪和非接触式扫描仪。

接触式扫描仪需要物体与扫描仪直接接触，以便获取物体表面的数据。

这种扫描仪通常使用机械臂来控制激光头的运动。

非接触式扫描仪则不需要物体接触，通过激光束直接扫描物体表面。

这种扫描仪可以分为两类：光干涉式扫描仪和光视差式扫描仪。

光干涉式扫描仪使用干涉原理来测量物体表面的形状，它可以达到非常高的测量精度。

光视差式扫描仪则通过比较激光束在不同位置的视差来推断物体表面的形状。

三、应用三维激光扫描仪在各个领域都有广泛的应用。

在工业制造中，它可以用来对产品进行质量控制和尺寸测量。

例如，在汽车制造中，三维激光扫描仪可以用来检测车身的平整度和尺寸偏差。

在建筑设计和土木工程中，三维激光扫描仪可以用来对建筑物进行测量和建模。

它还可以用来进行建筑物的实时监测和变形分析。

在文化遗产保护方面，三维激光扫描仪可以用来对古建筑、雕塑和艺术品进行数字化保护。

在地质测量中，它可以用来获取地表的几何信息和地貌变化。

在医学方面，三维激光扫描仪可以用来进行面部重建和医疗器械的量身定制。

总结起来，三维激光扫描仪是一种非常重要的测量仪器，它可以帮助我们捕捉和测量物体表面的形状和几何特征。

０．引言自上世纪六十年代第一台激光测距仪研制成功，三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期激光应用研究的又一项重大突破，它通过高速激光扫描测量，大面积、高分辨率获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速获取空间物体的三维数据信息提供了一种全新的技术手段。

根据权威专家预测，该项技术是即ＧＰＳ技术后的又一项测绘技术新突破，其应用推广将会引起测绘技术的又一次革命。

１．三维激光扫描技术工作原理扫描仪的发射器通过激光二极管发射近似红外波长的安全激光束，对所测对象进行立体面状扫描，借助设备获取不同对象对激光的反射时间差，从而测出激光与物体之间的距离，最后用编码器来测量镜头旋转角度与激光扫描仪的水平旋转角度，获取被测对象表面每个采样点空间立体坐标，得到被测对象的采样点（离散点）集合，称之为“距离影像”或“点云”。

所获取的由点云组成的影像与通常的扫描的栅格影像最大的区别就是具有矢量化的特性，点云之间具有可量测性。

２．设备分类按照空间位置分类，三维激光扫描设备可分为：１：机载类；２：地面类。

地面扫描设备按照扫描方式的区别细分为地面、车载和船载；以ＯＰＴＥＣＨ公司的三维激光扫描仪为例，地面类按照其功能分为ＩＬＲＩＳ—３６Ｄ、ＩＬＲＩＳ—３ＤＥＲ、ＩＬＲＩＳ—３ＤＭＣ、ＩＬＲＩＳ—３ＤＶＰ四种型号。

ＩＬＲＩＳ—３６Ｄ配备有一个马达驱动可旋转和仰俯机座，提供３６００的视场，可无缝扫描大面积的区域；ＩＬＲＩＳ—３ＤＥＲ距离增强型，使可视能力增加４０％；ＩＬＲＩＳ—３ＤＭＣ适合于车载和船载进行移动扫描；ＩＬＲＩＳ—３ＤＶＰ是基本型。

３．设备性能参数以徕卡ＨＤＳ６０００、ＴｒｉｍｂｌｅＧＸ３Ｄ、ＩＬＲＩＳ－３Ｄ三种扫描仪为例进行性能参数比较：①徕卡ＨＤＳ６０００扫描仪：扫描距离７９ｍ，速度５０００００／秒，单点测量精度３ｍｍ，距离精度０．１ｍｍ，标靶获取精度２ｍｍ，角度２５”。

②ＴｒｉｍｂｌｅＧＸ３Ｄ扫描仪：扫描距离２００ｍ，加长３５０ｍ，速度５０００／秒，单点测量精度１２ｍｍ＠１００ｍ，距离精度７ｍｍ＠１００ｍ，标靶获取精度小于１ｍｍ，角度（水平角１２”；垂直角１４”）。