TLS 地面三维激光扫描仪

Trimble 地面三维激光扫描系统

随着数字地球和数字城市的发展，三维数据获取工具和手段的不断进步，促进三维空间数据获取朝集成化、实时化、动态化、 数字化和智能化的方向发展，现实世界的立体信息快速地转换为计算机可以处理的数据将成为可能。三维激光扫描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”,它采用非接触式高速激光测量方式，完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据。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。

地面三维激光扫描系统

地面三维激光扫描仪按照常用测距原理分为两种：1、时间漂移原理（Time-of-Fly）。 大多数的扫描仪测距都是采用这种原理，这种原理测距范围可以达到几百米，甚至扫描范围达到千米也是可能，但是在大范围内的扫描测距精度相对较低。2、相位测量原理（Phase measurement）。主要用来进行中等距离的扫描测量， 扫描范围通常限制在100m内，但它的精度可以达到毫米。

地面三维激光扫描系统一般由三部分组成：激光扫描仪、控制器（计算机）、电源供应系统；激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统, 同时集成CCD 和仪器内部控制和校正系统。激光三维扫描仪通过向物体表面发射激光束，以激光定位原理精确测量物体表面点的坐标；每个扫描点云的测量都是基于三角测量原理进行的，并且根据激光扫描仪的传感器驱动进行三维方向的自动步进测量，三角测量原理：通过激光发射器发出的激光束经过反光镜（三角形的第一个角点）发射到目标上，形成反光点（三角形的第二个角点），然后CCD（三角形的第三个角点）接受目标上的反光点，最后，基于两个角度及一个三角底边计算出目标的景深距离（Y坐标），再经过激光束移动的反光点的位移角度差及Y坐标等计算出Z、X坐标。每扫描一个点云后，CCD将点云信息转化成数字电信号并直接传送给计算机系统进行计算，同时CCD根据扫描点的反射强度进行颜色匹配。扫描仪采用自动的、实时的、自适应的激光束聚焦技术，以保证每个扫描点云的测距精度及位置精度足够高。

 

Trimble 地面三维激光扫描系统

Trimble 地面三维激光扫描系统致力于为客户提供最为完整的解决方案。其精密的硬件构造，强大的软件应用体系，由测量员自己设计的Trimble 3D扫描解决方案完全符合您所熟悉的从外业到内业的工作流程。通过整合后的Mensi三维激光扫描技术得到Trimble在测量领域最先进的理念，研发出具有和测量员一样思维方式的代表性产品 Trimble GX。

精密的硬件构造源于法国著名厂商Mensi公司，将激光技术发展到三维测量领域的先驱，总部在法国巴黎创建于1987年，是国际上最早研发并应用三维激光扫描技术的机构之一，它传承了欧洲在光机电技术独具优势的特点，使CCD技术、激光技术、精密机械传感技术等得到高质量的整合，在精度、速度、距离上取得完美结合，特别是在针对大型物体及空间结构等的三维视景获取方面一路领先，分别研发了中距三维激光扫描技术MENSI S10/S25、Trimble FX及远距三维激光扫描技术Trmble GS100/GS200、GX200。

Trimble三维激光扫描仪技术特点与优势

1、一个测量工作流程：将3D扫描仪作为您的工作工具使用简单快捷，它非常容易学习，可以立即提高您的生产力，为您创造新的商机以及良好的投资回报

2、自动聚焦和超级分辨率：同步变化视距的激光自动聚焦功能，可以改善实测精度及改善不同测距的散焦效应；同时在短距离获取最多、最精确的详细信息

3、由于有精密的自动传感工艺做支持，所以保证了对目标实体的立体结构及表面机构的三维集群数据做自动立体采集。其获取的点云数据都是由直接的点坐标数据所构成，减少了传统手段中人工计算或推导所带来的误差。

4、由于激光束是准平行光，因此避免了通常光学照相测绘中固有的光学变形误差，而且更加拓宽了纵深信息的立体采集，这对实景及实体的空间形态及结构属性更加完整，采集的三维数据更加具有实效性及确定性。

5、MENSI技术是国际同类中被认为精度最高的，同时其精密的硬件传感工艺使被扫描物体的点云分布达到了很好的均匀及密集，这将有利于特性分析及数据逆向还原。

6、独特的实时倾斜补偿，双轴补偿器分辨率高达0.3″，通过主动改正仪器的未整平误差，保证高精度的测量数据。

7、Trimble扫描的三维信息可以通过其开放的接口格式被其他专业软件所调用。

8、内嵌摄像机技术，实时的一体化具有5.5倍缩放功能的彩色摄像机，可以协助扫描工作同步监测、遥控、选位、拍照，立体编辑等，有利于现场目标选择、优化及对复杂空间及不友好环境下的操作。也可以提供一个现场的全景照片，以便和扫描图形本身进行对比，以及在处理数据时进行叠加、修正、调整、编辑、贴图等。

9、同步现场操作的摄像校准功能，有利于现场发现问题并现场解决问题，减少后处理工作的不确定性及返工。

10、适合外业工作，Trimlbe三维激光扫描技术对目标环境及工作环境的依赖性很小，可以灵活机动的在户内外各种环境中实施操作。即使在艰苦的外业环境中，也能达到最高点性能和精度。

11、快速的目标获取：Trimble GX 使用你创新的目标获取方式，自动识别目标，同时与GPS和全站仪技术相互配合，您可使用工作时最为恰当的工具，确保你获得最高的生产效率。

12、OVERSCAN技术：当您考虑的主要因素是距离而不是信息的详细程度时，可以使用OVERSCAN技术，能够获取最远350米处的数据，这样在进行较大目标的扫描时，可以减少架站次数，节省您的测量时间，该技术非常适合远距离体积/表面积的计算。

13、强大的数据处理软件，可直接导入、处理主流品牌的原始扫描数据。

强大的软件应用体系

一、外业软件 控制Trimble 3D扫描仪的外业软件PointScape / PocketScape分别运行在笔记本电脑或Pocket PC上。它们都提供先进的扫描功能

测量工作流程:

• 电子整平  •     双轴补偿 •      大气改正 •      测站架设以及后方交会

取景工具:

• 矩形取景

• 摄像机缩放控制

• 球型目标、平面目标和单点测量

扫描选项:

• 预设置或者定制扫描设置

• 返回密度或彩色点云

• 预估扫描时间和分辨率控制

另外，PointScape 提供以下先进功能:

• 现场录像

• 自动全景

• 自动扫描成像

• 快速的交互式录像、全景或者图像取景

• 多边形取景

• 多扫描取景

• 自动的平面目标和球形目标配准

• 实时的，甚至在扫描时的3D 显示、拖动和缩放

• 显示扫描位置

• 真彩色或者点云密度图形显示

• 模拟的表面底色和环境光线

• 观测值和反向计算

  二、Trimble 数据处理软件：Trimble® RealWorks Survey™ 软件具有三大模块：配准、officeSurvey、建模。是那些应用先进的3D激光扫描仪丰富点云数据的测量员和工程师们所使用的一套整合软件中的一部分。并综合了一系列精确的工具和工程测量、建筑、产权以及其他应用的特点，使得测量员和工程师们能够生成大量的2D和3D结果，直接输出或者传输到AutoCAD和MicroStation中。直观形象的界面和工作流程，独特的Step by Step操作方式，非常容易学习使用。

典型功能软件功能介绍：

1、先进的检测工具：使用强大的RealWorks Survey工具，用户可以完成多种检测工作:面与

面检测、面与模型检测以及面与曲线检测。用户可以使用定制的彩条生成并且显示检测图形。也可以从一个CAD设计文件中以.dxf 或者.dwg的格式输入轮廓曲线和几何草图，以.dxf 或者.dgn格式输出图形文件。

从检测图形中，可以直接提取出多种成果:

• 水平和竖直横断面                             

• 3D 点 / 3D 多义线

• 容积 / 表面积计算

• 用等值线表示的被检测表面之间的偏差

• 使用检测颜色彩画网格

2、多面正射投影

在连续正面上生成系列的正投影图多面正射投影变换工具允许您在一个建筑物的连续正

面上生成多面正投影图排列。您可以创建或

者输入一个图画，然后根据沿着Z轴的正面

墙壁伸出隔断，以定义一个连续的投影平面。

正投影图的解析率是由用户自己定义的。您

可以选择预览每个正投影图，然后一个个的创

建他们或者一次性完成。最后的结果可以输出

到一个DXF文件中，每一个正投影图作为一个geo-TIFF文件输出。这个独特的RealWorks Survey工具显示了正投影图生产率的极大改进。

3、生成等值线

生成等值线的灵活方式为了保证达到最佳的吻合以及生成真正的等值线，等值线的生成是根据被测量的点(不管有多少测量点)决定。由于不需要预采样，因此工作流程的速度得到了极大的提高。利用这个强大的工具，您能够生产标准的3D地形图，以最高的等级充分传达信息。等值线可以使用2D 或 3D视图打印出来，或者输出到AutoCAD 和 MicroStation中。您可以选择使用RealWorks整合的打印界面直接打印或者输出到AutoCAD 或MicroStation，这个选项在成果输出的多个阶段都可以选择。

4、轮廓曲线/横断面

用于检查和监测的轮廓曲线是用户可定义的，EasyProfile™是独特的轮廓曲线生成工具在RealWorks Survey中，当生成轮廓曲线和横断面时，可以使用约束条件。例如：巷道分析数据可以精确地沿着巷道中心线进行。当使用约束条件时，可以自动生成三种视图：

• 3D 视图显示轮廓曲线和数据

• 轮廓曲线深度视图，轮廓曲线的深度值是在2D平面中生成并且由一条2D多义线组成。

• 横断面视图，显示与每个横断面符合的2D 多义线。

根据这三种数据设置，用户可以生成完整的巷道或高速公路检查报告。RealWorks Survey包括EasyLine™，这个工具是用来从一个点云中生成连续的单平面多义线：EasyLine使用一个预定位的轮廓曲线(符合点云的一个横断面)来跟踪点云。内部生成或输入的轮廓曲线可以使用Profile Matcher工具相对于点云交互定位。当激活EasyProfile时，EasyProfile使用匹配的剖面在两个方向上跟踪点云。要素线将根据引导轮廓曲线中的中断点自动延伸。这使得从3D 数据中完全自动生成2D图画更近了一步。EasyProfile自动延伸轨迹线、旁边的人行道、街道剖面、道路中央栅栏以及几乎所有其他的线型物体。

5、土方和表面积计算超级快速的计算速度

随时跟进建筑和采矿的进展。不管点云的密度如何RealWorks Survey都可生成基于一个高精度网格的体积或土方计算。表面面积和体积要素被整合在RealWorks Survey的结果中，这个结果可以直接显示在屏幕上。土方计算包括填和挖土方数据，包括扫描平面和用户设计平面之间的土方量或者两个扫描平面之间的土方量，用户可以定义网格密度。扫描平面可以用一个点云或者一个三角格网表示。最后的计算结果可以分段输出，比如根据用户定义的间距自动生成多义线。无论什么时候，用户都可以选择直接打印输出、输出为Word 和Excel 文件以及将数据输出到

AutoCAD 和 MicroStation。

以上这些独特有强大的性能使Trimble 三维扫描仪可以适应每次测量作业的特殊要求，其通用性保证您的投资永远有效。

三、地面三维激光扫描仪的发展与应用

地面三维激光扫描仪的工程应用由于三维激光扫描仪可大面积、高密度地采集空间三 维数据, 目前在以下的领域已经得到广泛的应用

1. 地面景观形体测量可为三维数字化设计、三维测量及逆向工程、快速模具制造等相关技术方面提供服务, 能够快速、高精度地完成复杂的古建筑结构测量、大型景观三维数字设计与模板制作。

2. 复杂工业设备的测量与建模很多工厂管线林立, 纵横交错, 形状各异, 用摄影测量方法难以找到同名点, 效率低下, 其他传统的方法更是无能为力。而利用激光扫描仪进行分段扫描, 获得在各站上复杂工业设备的三维点云数据, 再将不同站上的点云数据通过数据预处理以及粗差剔除, 各测站通过架设已知点的坐标将自动完成点云拼接、应用相应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型, 为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考, 极大提高了工作效率。

3. 建筑与文物保护在以前也是以摄影测量为主, 但现在更愿意用激光扫描仪来完成。测量任何的建筑物和场景，获得高精度保真模型。这样做成的电子文献, 易于保存, 能详细了解表面, 随时方便地得到等值线、断面、剖面等。当建筑和文物遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据。

4. 城市三维可视化模型的建立在街道上对建筑物的内外部进行三维激光扫描, 扫描的点云数据经过数据预处理、剔除粗差、拼接和合并, 运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据( 必要时结合航片) 。地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型; 地物数据经提取和目标识别处理, 可实现城市三维模型的建立; 也适用于GIS 数据库更新、旅游向导和虚拟现实制作等。

5. 带状地形测图测量和矿山测量这项工作以前主要用地面摄影测量、全站仪和GPS RTK 为主来完成。现在同样可以用扫描仪来快速高效地完成。即分段扫描野外的局部带状地形区域, 在具有一定重复扫描区域内, 拼接、合并三维测量数据, 生成带状影像图, 各测站架设已知点将自动拼接、合并三维测量数据，并直接输出成国家或城市坐标系中, 用地形和地物的三维点云数据建立模型, 生成带状地形图, 主要用于线路两旁( 铁路、公路、河流两岸等) 的局部不规则带状地形图测量。同样可以用于矿山的地形、体积、塌陷规模等测量工作。

6. 森林和农业资源调查应用激光扫描仪对森林里的树木进行扫描, 可以较准确地获得用传统方法只能估计得到或者只能近似测量才能得到的表征木质的重要参数( 曲直度、可砍伐性等) , 可以非常准确地了解某时刻的森林现状。不同时间测量结果比较还可以了解森林动态变化。另外还可以得到其他信息, 如通过测量树的分支结构来确定土质, 估计二氧化碳的含量; 测量资料还能得到数字地面模型等。

7. 变形监测传统的变形测量方式( GPS/ 全站仪+ 棱镜测量/ 近景摄影测量等) 进行变形监测时, 需要在变形体上布设监测点, 而且点数有限, 从这些点的两期测量的坐标之差获得变形, 精度很高。但从有限的点数所得到的信息也有限, 不足以完全体现整个变形体的实际情况。而地面激光扫描仪可以以均匀的精度高密度地测量, 测量的数据可以获得更多的信息, 所以试图将地面激光扫描仪用于变形监测, 主要在以下两个方面: ① 远程地面激光扫描仪用于滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷等危险和难以到达地方的变形监测和方量计算, 可有效监控其变化范围及量级, 应用于防灾减灾。② 中程地面激光扫描仪多用于大坝、船闸、桥梁等的变形测量。

Trimble三维激光扫描产品和技术在各种各样的应用中证明了其价值：土木测量和基础设施、建筑、城市地形测量、采矿和采石等等，实际上有很多需要在短时间内要求采集到大量数据的工作，Trimble三维扫描仪是满足这种作业需求的理性工具，携手Trimble在3D扫描领域合作，您将给测绘一个更为广泛的定义，也可以得到更多跨入新的行业机会，比如工业测量、文物保护、解决纠纷等等。