三维激光扫描仪应用于变形监测
• • • • • • • 优势： １、高效率 ２、数据精细 ３、与近景摄影测量相比 ４、方便建立模型 缺点： １、目前价格高
监测对象例子
• 多发滑坡崩塌事故的某露天矿的高 陡边坡需要变形监测。 • 采用三维激光扫描仪监测变形，需 要解决的难题是：如何布设测站和 控制标靶和目标球；如何统一各次 扫描的坐标系统；如何提取变形信 息；变形监测误差的估算；如何显 示变形数据等。
• 同时测量每个激光脉冲与仪器固有坐标系X 轴的夹角α，XOY面的夹角θ，可以由公式1 算出被测物体表面点的三维坐标。通常用 仪器内部坐标系统。根据扫描点的激光反 射强度,给反射点匹配颜色。扫描点绘制在 屏幕上，组成密集的点云。
仪器坐标系
坐标计算公式
• Ｘ=Ｓｃｏｓθｃｏｓα • Ｙ=Ｓｃｏｓθｓｉｎα • Ｚ=Ｓｓｉｎθ
Cyrax扫描仪的控制和操作
• 根据扫描图派生2D线画图 观察扫描仪所在位置 多幅扫描图的整体拼接 采用平面或球面建模自动实施整体纠正 对扫描点自动实施干扰检查并进行可视化 的目标设计 根据格网点生成等高线 按照影像数据文件格式存储瞬时图 根据点云生成剖面图、平面图和断面图
Cyrax扫描仪的控制和操作
间接输出的格式
•
PDS，通过DGN（从MicroStation 或COE 接入）转换 PDMS，通过DGN（从MicroStation 或 COE接入或直接输入）转换 AutoPLANT，通过AutoCAD DXF转换
本节结束
• 思考题
• 控制标靶和目标球既是拼合各次扫描点云的基准 点，还是网格坐标与仪器内部坐标转换的媒介， 它们的位置要保持稳定，不能安装在变形体上。 但扫描仪的视角有限（４０˚Χ４０˚），无法一次 扫描变形体和稳固地点的控制标靶和目标球。因 此这是一对矛盾。解决这个问题的方法是：在稳 固地点和变形体上安装多个控制标靶和目标球， 增加扫描站数。仪器由稳固地点逐步扫描至变形 体，根据稳固地点的控制标靶和目标球中心坐标 修正变形体上的目标球中心坐标。
Cyrax扫描仪的控制和操作
• 建模、可视化、查询和浏览工具 对云点图、感光图、VDB、网点图、渲染 图及3D模型可以实行“飞行旋转”、摇晃 和缩放以及自由旋转。 建立交互式的可视窗口
Cyrax扫描仪的控制和操作
• 测量和标注点云和模型的相关数据： 斜距 平距 高差 体积 表面积 坐标参考系统 由激光返回信号的强度生成彩色影像 在对象上添加颜色和材料 采用最合适的施工方式动态展现施工各个阶段3D模型 用户可设置质量检查方式 自动生成平面和柱面的切面 平面、柱面和球面的区域扩展 由3D模型派生2D图
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AutoCAD DXF格式，版本12到2000 AutoCAD DWG格式，版本12 MicroStation 数据格式（通过MicroStation 或COE接入） ASCⅡ格式点位数据流 Cyclone软件交换格式COE BMP JPEG IGES* PDS* PDMS* AutoP测量前仪器的准备和仪器连线方法； 扫描软件的启动；扫描软件的操作方法； 粗扫和精扫以及标靶扫描等。
Cyclone软件的使用方法
• 演示
Cyrax扫描仪的控制和操作
• 计算机屏上获取和显示视频图象 遥控测量 用矩形框选择需要扫描的区域 水平扫描和垂直扫描的密度可以分开设定 完全的“飞行旋转”，缩放和摇动，扫描影像的任意旋转， 哪怕在扫描的过程中也能作到。 自动管理扫描顺序图 诊断信息 计算机辅助获取目标 自动连接扫描影像
其他三维激光扫描仪的原理和结构
• Vivid910 • Optech • 天宝（法国Mensi）
本节课结束
• 课后要求
讲座3
三维激光扫描仪的操作方法
复习
• 三维激光扫描仪的原理和结构 • 坐标计算公式
本节课的内容
• 重要概念：点云、标靶、拼合等 • 三维激光扫描仪的使用方法
点云
• 笔记本中的点云图
Cyrax2500三维激光扫描仪产品参 数3
• 视野 垂直方向 最大40°角 水平方向 最大40°角 三角基座 360°水平旋转 +105°/-90°垂直方向旋转 空间体积 19900m3 /扫描（精度小于6mm） 占据体积（最大）1592003 /扫描（距离小于100m） 扫描光 双镜，随机通道 由外壳和玻璃罩保护 视频目标 480×480彩色 电力 供电 AC 90-240VAC; 50-60Hz DC 12V 功率 100W 电池 密封的铅酸电池 电池容量 20°C以下供电4小时
Cyra三维激光扫描系统主要应用领 域
• 1、地面景观形体测量； 2、桥梁改扩建工程、桥梁结构测量； 3、大坝和电站工程基础地形测量； 4、地下工程结构测量； 5、高陡边坡地形测量及工程量计算； 6、公路测量； 7、矿山测量及体积计算； 8、电影特殊效果中的三维景观制作； 9、古文物、建筑测量和资料保存； 10、电厂、化工厂等大型工业企业内部设备的测量； 11、管道、线路测量； 12、大比例尺GIS系统和数据库数据更新； 13、虚拟模型的验证
特性和功能2
• 3D画线 快速将扫描图转换为格网图 云点图可永久保存 用户界面：热键、工具条 64位双精度浮点数据 连续自动存贮 客户/服务器对象本底数据库 在线帮助 项目分层图 软件使用许可方式灵活 多种对象注释方式 测量点云和模型中点间斜距 数据管理 建立并管理图层 建立并管理对象注释 与环境配套的照明设施 公制或英制测量单位可选 输出ASCⅡ格式的数据流，BMP、JPEG格式的图形文件 输入ASCⅡ格式的数据流，Riegl，CGP格式的数据，通过COE输入MicroStation格式 数据。
二、徕卡Cyra三维激光扫描系统的 工作原理
•
Cyrax2500三维激光扫描仪向目标发射激光 脉冲，依次扫描被测区域，快速获得地面 景观的三维坐标和反射光强，利用 Cyclone3.0软件进行三维建模，生成地面 景观的三维图象和可量测点阵数据，并可 方便地转化为多种输出格式的图形产品。
结构和原理
• Cyrax三维激光扫描系统由三维激光扫描仪 和配套软件组成。仪器内部有一个激光器， 两个旋转轴异面且互相垂直的反光镜。反 光镜由步进电机带动旋转，而激光器发射 的窄束激光脉冲在反光镜作用下，沿纵向 和横向依次扫过被测区域。激光脉冲被物 体漫反射后，一部分能量被三维激光扫描 仪接收。测量每个激光脉冲从发出到返回 仪器所经过的时间，可以计算出仪器和物 体间的距离S 。
特性和功能1
• 通过选取线性矩形框来确定目标范围 任意选取水平方向和垂直方向的扫描密度 完全的“飞行旋转”，缩放和摇动，扫描影像的任意旋转，哪怕在扫 描的过程中也能做到。 给对象增加颜色和材料属性 影像存储/恢复 查看扫描仪的位置 智能化的3D模型输出 视频图象和扫描数据图象同时显示 3D标注可视化 客户许可证 扫描图象和影像的自动连接 多级undo/redo操作功能 扫描图自动排序 诊断信息 计算机辅助获取目标
Cyrax2500三维激光扫描仪产品参 数2
• 激光扫描系统 激光类型 脉冲；专用芯片。 颜色 绿色 安全性 2级（参照CFR1040） 对眼安全，但要避免直射和长时间照射眼睛 光斑大小 ≤6mm/0-50m范围 测距范围 最大 150m 推荐 1.5m-50m（5%-100%） 扫描率 每秒1行/每行小于1000个点 每秒2行/每行小于200个点 扫描密度 可选性 水平方向和垂直方向扫描可以分开选择 可以按一定间隔选取点对点的扫描方式 垂直方向 点与点间的最小间隔0.25mm（小于50米） 水平方向 点与点间的最小间隔0.25mm（小于50米） 行扫描 每行最多1000个点 列扫描 每列最多1000个点
• 可以创建下面的几何形状： 平面、柱面、顶点、直线、弯头、圆锥、 圆弧、球面、管状、锥形管、金属外型、 盒子、立方体、拐角、不规则多边形、椭 圆、圆、复线、正方形、矩形、目标中心 点。
仪器直接输入的格式
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ASCⅡ格式点位数据 Riegl 通过COE输入MicroStation格式数据 CGP
仪器直接输出的格式
讲座2
三维激光扫描仪的原理和结构
复习
• 三维激光扫描仪的概念 • 三维激光扫描仪的由来 • 三维激光扫描仪的技术应用和发展
本节课的内容
• 三维激光扫描仪的原理和结构 • 掌握：坐标计算的原理 • 了解：三维激光扫描仪的结构
Cyra三维激光扫描系统简介
• 徕卡Cyra三维激光扫描系统组成 1、Cyrax2500三维激光扫描仪 2、Cyclone3.0软件。 3、笔记本电脑 4、三脚架 5、电池和充电器 6、目标牌和电缆
已有监测手段的优缺点
• • • • １、技术的成熟性 ２、精度和可靠性 ３、成本 ４、效率等
新的变形监测设备和技术
• 三维激光扫描仪是目前国际上最先进的获 取物体三维点阵的设备。它可以将任何大 型的、复杂的实体或实景的三维数据完整 地采集到计算机中，进而快速建立目标的 三维模型并提取线、面、体等各种制图数 据，它所采集的三维激光点云数据经过处 理还可应用在许多场合。三维激光扫描技 术改变了传统的单点数据采集方式，可以 在很短时间内以很小的采样间隔，获取实 体表面各点坐标，实现“实景复制”
供扫描与建模的计算机平台
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PC系统 最低要求 推荐 处理器 200MHz/奔腾 500MHz/PⅡ RAM 64MB 256MB 硬盘 2GB 20GB 网卡 以太网 以太网 视频卡 SVGA 3D图形加速 操作系统 Windows NT4.0 Windows NT4.0 显示器 800×600；256色 1024×768；真彩色
变形监测方法
• 测站地点要选择在地面坚实、受变形影响 小，且离变形体近（<１５０m）的地方； • 布设专用标牌； • 初始扫描并内业处理； • 按照观测要求，实施各期扫描并内业处理； • 提交数据和结论。
提取变形信息