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3D激光扫描仪主要应用及测距精度的分析《资讯》

发布时间:2020-08-17 13:37:47 阅读: 来源:货代厂家

2018-06-10 09:27:38来源:贤集网 赵媛

近年来,全球的自然灾害频频发生,洪水、飓风、地震等轮番上阵,好像要考验一下进入21世纪的人类智慧与能力有没有提升。既然天有不测风云,人类就用高新科学技术接招,比方说,老天用泥石流掩埋了小镇,人类就不能只用镐头对付了,那样救灾效率太慢,被老天讥笑。那么,我们可用先进的3D激光扫描仪扫一扫,描一描,排查一下这个泥石流的概况。对症下药制定出最优的救灾方案。老天爷能不慨叹人类的新科技涨姿势了?当然对于3D激光扫描仪可能很多人并不是太了解,那么今天贤集网小编就来为大家具体讲解一下3D激光扫描仪的相关知识,包括3D激光扫描仪主要应用及测距精度的分析。一起来看看吧!

3D激光扫描仪主要应用

一、地质勘查

遇到滑坡、悬崖、深谷等人力难以企及的地方,怎么办?3D扫描仪就大大派上用场了。

看,滑坡的地貌、海拔高度、倾斜度全都清晰地呈现出来了。

二、建筑设计

3D扫描又叫实景复制技术,能将现实场景按照1:1比例复制到电脑中。然后,我们在电脑中进行设计、建模,当电脑中的设计适合现实场景时,我们才将它付诸实际施工,保证它的可行性与可靠性。

三、文物修复

文物经过几世纪、几十世经的风霜雨雪,发生变形、腐朽、毁坏等状况。3D激光扫描收集损坏了的文物的实体数据,然后输出到计算机,重构其三维模型,还原文物的本来面貌。

四、工业工程

1、工业检测。3D激光扫描可以穿透阴角、曲面、孔位等,获得传统检测方法难以获取的数据。并将得到的三维数据与三维图纸进行比对,判断其是否出现偏差,并给出修正方案。

2、工业制造中的逆向工程。一件产品如果没有原始设计图,却需要委托另一工厂制造同样的产品,或者功能相近、又不完全一样的产品,怎么办?3D扫描仪大显身手了。3D扫描仪能对一个产品进行逆向分析、研究,演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素,然后将这些数据用于新品的建模、制作。也就是,3D扫描仪应用于新品开发、产品改型设计、产品仿制等领域。

五、容积计量

在这方面,最典型的例子就是油罐的容积计算。油罐有矩形、球形等,但它们都是不规则的,略微鼓胀和变形,且罐内有多样装置,用传统的测量方法容易出现偏差。3D激光扫描仪能对物体进行三维重建,能够测量内置各种装置的罐体,得出准确的容积值。

?3D激光扫描仪测距精度的分析

一、3D激光扫描仪的技术要点及误差

1、3D激光扫描仪的原理

三维激光扫描是基于长距离的镭射扫描,通过激光发射器发射一束集束激光,系统记录它从接触到一个表面到返回的时间,扫描仪通过两个镜子计算光束的水平、垂直角度,得到精确的X、Y、Z轴距,该点就被3D 可视化软件记录下来。3D激光扫描仪获取点的效率极高,每秒几万甚至几十万个点的测量效率,能够一次性高精度、高像素地收集上百万个点。

3D激光扫描仪扫描获取的点带有坐标、色彩及物体反射率等信息,坐标系统为测量仪器坐标系,其主要有测距、测角和辅助系统组成。其坐标系定义为: 坐标原点O 为激光发射器的发射处,Z轴沿扫描面竖直向上,Y 轴为水平面内激光发射方向,X 轴为垂直于YOZ 平面向右,构成右手坐标系统。测量原理如图1 所示,则p 点的三维空间坐标,如下图所示。

2、3D激光扫描仪测量误差

式( 1) 中,S、θ、Φ 为变量,对上式进行全微分可得

根据误差传播定律可得

由式( 3)可以看出,x、y、z 受变量S、θ、Φ 的影响,产生的误差为扫描仪系统误差。其中S 主要产生的影响为激光光斑大小; θ、Φ 产生的误差影响为点云间隔的影响,导致扫描仪点云分辨率变化。

二、3D激光扫描仪分辨率

1、分辨率是影像清晰度或浓度的度量标准,表示影像平面精细程度的概念,通常表示是以横向和纵向点的数量来衡量,即水平点数× 垂直点数。在一个固定的平面内,分辨率越高意味着点数越多,图像越精细,因此在实际的测量任务中,根据需要选择相应的分辨率。分辨率设置与测量目标距离的远近、测量目的等有关。不同的测量任务,仪器参数的设置也有一定的差异。在测量时分辨率设置是主要设置的参数,分辨率越高扫描越精细,花费时间就越长。

2、点云分辨率可以反应扫描物细节能力,包括平面分辨率、强度分辨率、距离分辨率。点云分辨率的大小由扫描间隔和光斑大小决定,扫描间隔和光斑大小都与测量距离有关系,在扫描分辨率设置一定时,距离越远,光斑越大,扫描间隔也越大。

3、平面分辨率表示被测量物体表面能够被识别的最小特征尺寸,由横向和竖向分辨率组成。横向分辨率是激光信号到目标物在水平面内沿Y 轴方向的距离L,在水平面上扫过一个角度α,在X 轴方向上的产生的微小增量ΔX; 竖向分辨率表示在竖直平面内扫描仪扫描一个β 角,在Z 轴方向上产生的增量ΔZ。激光与水平面之间的夹角为α,投影与Y 轴之间的夹角为β,水平和竖直方向的分辨率计算如下:

①水平方向:

ΔX = L·tanα ( 4)

②对公式( 4) 两边对α 进行微分:

dΔX = L·sec2αdα ( 5)

③竖直方向:

ΔZ = L·secα·tanβ ( 6)

④同理,两边对β 微分:

dΔZ = L·secα·sec2βdβ ( 7)

⑤因此,在单位面积内的点云数量

式中,dα、dβ 为已知数据,即扫描仪的最小角度分辨率,此试验中HS1200 扫描仪最小角度分辨率为0. 001°,所以在确定距离L 和角度α、β 时,即可计算该方向的扫描点数,如下图所示。

三、扫描仪距离研究

激光扫描仪扫描角度为360° ×100°( - 40° ~ 60°) ,利用三维激光扫描时,需要根据扫精度及目的选择扫描距离,扫描距离的远近同样也决定扫描的点云间隔,因此为保证扫描的点云密度满足后期数据处理的要求,需确定合适的距离得到最佳的点云数据。扫描距离的远近与仪器架设高度、建筑物的高度、3D激光扫描仪的角度分辨率以及扫描仪的视场角有关,不同类型的3D激光扫描仪由于具体参数不同,所以在对同一建筑物扫描时距离会有所不同。

建筑物高度、最小尺寸特征决定扫描仪扫描最近距离及最远距离。根据三维激光扫仪在扫描时的几何关系,可以得到如下关系式,几何关系如下图所示。

1、最近距离

HS1200 3D激光扫描仪的竖直面内的视场角为( - 40°~60°) ,所以α < 60°,β > - 40°,扫描的最近距离为:

根据上图几何关系,当H1 确定时,

当H2、h 确定时,

扫描的最近距离为L1、L2 中较大值。

( 2) 最远距离

在测量时,若被测物体较低,当3D激光扫描仪距离物体较远时,点云密度较小,难以完全反应物体表面的细节,因此根据后期数据处理时的要求,选择合适的距离,正好可以反应物体表面的细节特性,这时的距离即扫描时的最远距离。根据式8,当点云密度知道时,扫描仪距离物体的距离L 可以得到。

根据被测物体表面最小的特征尺寸,可以确定点云的合适密度n。点云合适密度计算公式为:

式中,n 为被识别的信任程度或称为点云密度的质量; m 为点云间隔; λ 为被测物体表面最小的特征尺寸。

四、扫描仪测距精度分析

1、本次试验是以桥梁作为对象进行扫描,根据需要布置7 个监测点,监测点布置如下图所示,对3D激光扫描仪的测距精度进行研究,仪全站仪作为辅助测量,对比分析两种测量手段,研究扫描仪与监测点之间的距离与点位中误差之间的关系。扫描结束对扫描的点云数据进行处理,提取监测点坐标。

2、根据扫描经验,HS1200 扫描仪在距离为20 m范围内时,靶标能清楚识别,所以在距离桥梁20 m的位置处架设扫描仪对档位进行研究。下图监测点布置如下:

3D激光扫描仪的广泛应用,对其精度要求也越来越高,检校仪器精度就尤为重要。HS1200 3D激光扫描仪标称精度5@ 100,设置扫描仪的基本参数,对测距精度简要分析。

3、根据上图所示监测点与扫描仪之间的几何关系,计算扫描仪到各点距离,分别为36 m、27 m、20 m、17m、20 m、27 m、38 m。

4、扫描仪分辨率设置基本参数:

垂直分辨率为0. 019 2°,水平分辨率0. 019 2°,时间13 min。

扫描三次,每次13 min。全站仪对监测点坐标值进行测量,同时3D激光扫描仪进行扫描,后期经过与处理软件处理,提取坐标如表1 所示。

5、根据中误差计算公式( 贝塞尔公式) :

式中,v 表示残差,n 为观测距离次数。

根据式13计算每个监测点点位中误差,结果如表2 所示。

由于3 与5 号、2 与6 号点距离相同,剔除中误差较大的点,得到扫描距离与点位中误差之间的关系如下图所示。

从表2 可以看出:

①在40 m范围内,点位中误差低于12 mm,在20 m 范围内,点位中误差低于6 mm。与3D激光扫描仪标称精度相比,本次实验测量的中误差在40 m度。

②扫描仪距离与中误差之间存在

y = 0. 000 01x2 - 0. 000 4x + 0. 008 7 函数关系。随着扫描距离增加中误差增大,测距精度降低。

五、结论

本次通过本次试验研究表明,3D扫描仪测量距离与点位精度之间存在二次多项式关系,扫描精度随着扫描距离的增大,测量精度降低。对于扫描仪测距精度的分析对以后的研究提供一定的借鉴。本次试验仍存在一定的缺陷: 扫描仪距离研究应该进行规律性的布设监测点进行研究,由于某些原因,距离设置方面存在一定的缺陷,且实验次数太少,存在偶然误差的影响。

上述是贤集网小编为大家介绍的3D激光扫描仪主要应用及测距精度的分析。大家都了解了吗?目前,随着科技进步和经济发展,3D激光扫描技术已经在众多领域成为了研究的热点,这是因为三维激光扫描在自动程度、劳动强度、外业作业时间、人员、数据获取速度等方面具有明显的优势,这是其它传统测量技术无法比拟的。现如今,作为国内领先的技术的设备,3D激光扫描仪可帮助有此类需求的客户解决难题,使三维激光扫描技术得到深入应用,更好、更广、更方便的解决各个领域工作。当然,在使用3D激光扫描仪的时候,希望大家能够遵守安全使用规则,不要间接造成3D激光扫描仪仪器损坏,使用完也要悉心保养,这样才能够延长其使用寿命!

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