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【Dicloud】方案：三维激光扫描技术在土方测量中的应用方案

详细介绍

1.三维激光扫描系统综述

1)已有商业3D扫描系统

1996年，仅有一家厂商开始将3D扫描系统用于商业，到1999年激增到40多家，目前世界范围内主要扫描系统或服务商有Azimuth、NEC、RIEGL（瑞格）、fous（法如）、思拓力、徕卡、天宝等。国内也有几家激光扫描仪器生产商，主要是面对是逆向工程应用。本方案主要针对RIEGL VZ 1000扫描仪展开阐述。

2)三维激光扫描系统组成

(1)技术特点

RIEGL VZ 1000三维激光测量系统采用非接触式快速获取数据的脉冲扫描机制原理，最高扫描速度为300 000点/s，该激光扫描测量系统最小的角分辨率为0.0005°（1.8″），在10m的距离内，激光点密度可达0.1mm，该仪器最远扫描距离为1.4km，可在47s内实现360°( 水平) ( 30°-130°) ( 垂直) 全景粗略扫描，配合数码全景照相机，可以获取扫描点云的纹理信息"该仪器具有独特的多回波功能，配合内业处理软件，可以基本实现植被和非地面点地物的自动去除，在有植被覆盖及非地面点地物较多区域的测量数据的获取方面，该功能具有明显优势。

(2)系统组成及原理

RIEGL VZ 1000三维激光测量系统的主要部件包括: 激光扫描仪、外置数码全景照相机、专用便携电池和控制器( 便携式计算机) 等。

三维激光扫描测量技术的主要特点是集成了激光测距系统和激光测角系统，其工作原理是通过仪器内部的激光脉冲二极管发射激光脉冲，射向被测物体表面并产生反射，该反射脉冲由扫描仪内的探测装置接收并记录，可以得到同一激光束发射和接收时刻的时间差T，由此可以计算出扫描点P到仪器中心的斜距S，同时也可以获取此激光束的水平方向角度和垂直方向角度，由以上数据即可自动计算出扫描点的相对位置。

扫描点三维坐标的计算原理即极坐标法。三维激光扫描仪有着自身测量坐标系统，如图1所示，其坐标原点为扫描仪的激光脉冲发射中心，Z轴为仪器的竖轴，Y轴为扫描默认起始方位，X轴与Y，Z轴垂直并构成空间直角坐标系( 右手坐标系) ，通过这种关系根据点空间直角坐标的计算原理即可计算出以仪器中心为坐标原点的扫描点P的三维坐标 ( x，y，z)，即：

式中:S为测距，利用激光发射和接收之间的时间延迟T来计算，其计算公式为:

式中: C为光速。

图1 扫描仪的坐标系统

3)三维激光扫描系统参数

地面激光扫描(TLS)系统的技术参数指标主要有：单站扫描范围、单站扫描精度、反射点间距、单站扫描速率为、单站水平扫描范围及最小分辨率、单站竖直扫描范围及最小分辨率，如表1。

表1RIEGL VZ 1000扫描仪技术参数

产品型号	RIEGL VZ-1000
扫描方式	脉冲式
作业距离	标称1400米(90%反射率)
扫描精度(单次扫描)	5mm∕100M
激光安全等级	一级安全激光
扫描速度	300000点∕秒
扫描视场范围	100°×360°（垂直×水平）
角度分辨率	0.0005°
相机	外置专业单反相机1300万像素
倾斜传感器	双轴倾斜传感器(倾斜范围±10°，精度±0.008°)
防尘防水等级	IP64
数据存储	内嵌32GByte闪存∕电脑
重量	9.8kg

4)三维激光扫描系统精度

三维激光测量误差的来源较多，大致可有三类：仪器误差、与目标物体反射面有关的误差、外界环境条件。仪器误差源于仪器本身的性能缺陷，包括激光测距的误差、扫描角度测量的误差；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等因素。精度是指量测值与真值的符合程度，精度决定系统的质量。其精度表达可分为测距精度（Rang accuracy）、高程精度（Elevation/depth accuracy）和平面精度（Horizontal accuracy）。如表2。

表2 RIEGL VZ 1000扫描仪系统精度参数

扫描参数	垂直扫描（线扫描）	水平扫描（面扫描）
扫描角度范围	100°（+60°~-40°）	0°~360°
扫描机制原理	旋转反射棱镜	旋转激光头
扫描速度	3线/秒~120线/秒	0°/秒~60°/秒
角度步频率（垂直）（水平）	0.0024°《= 《=0.288°	0.0024°《= 《=0.5°
角度分辨率	优于0.0005°（1.8arcsec）	优于0.0005°（1.8arcsec）
倾斜传感器	内置，专门专门用于扫描仪垂直位置的变化定位
内置同步计时器	实时同步扫描仪垂直位置的变化定位
同步扫描（可选）	控制扫描仪同步旋转

2.三维地面激光扫描技术在红岛土石方量计算中的应用实例

1)扫描概述

扫描时间：2013年5月30日。

扫描站数：18站。

单站扫描时间：2分55秒。

单站扫描点数：1,407,003个。

总扫描点数：25,326,054个。

扫描人员和设备：RIEGL LM-ZS420i三维激光扫描仪一台;笔记本电脑一台;

RTK GPS一套、人员两人。

图1

2)作业流程

(1)扫描数据的获取

根据测区的地形状况，本次外业作业共架设18站扫描站，确保无盲区并将现场完整扫描下来。每个扫描站均使用专业的高精度反射标靶，来进行精确定向。同时利用高精度GPS精确获取测站点和反射标靶的坐标，这样可使用扫描点和当地坐标进行精确匹配如图2。所有扫描站通过绝对坐标的定位，精确地拼接到一起，如下图3：

图2

图3（上图中红线为测区边界线）

(2)原始数据处理

扫描点云的数据量比较大，将测区范围线外围的多余数据进行删除，通过Riegl扫描仪配套的RiSCANPRO软件自动剔除测区范围内的噪点，保留可用的测区扫描点云:如图4，其中包括测量点数为：1,770,665个。将测区扫描点和全站仪所测的测区内的检测点进行比对，可以看出精度吻合程度很高，如图5，6;全站仪和扫描点云的通过对比得出比对结果，详见附表1.