“空地结合” 三维激光扫描系统助力图书馆建设
发布日期:2019年09月26日 10:39   发布者:北京富斯德科技有限公司   浏览次数:803

1、方案概况

        为满足数字化虚拟现实技术研究与应用的需求,促进建筑保护与设计的发展,受某大学建筑系委托,承担学校李文正图书馆三维激光扫描任务,具体包括:图书馆主体、台阶、门廊、古树及其它附属设施的三维激光扫描工作。

1.1 李文正图书馆概况

        李文正图书馆位置如图1-1。坐落在九龙湖校区的地理中心,庄重、典雅、充满现代气息。不仅要有丰富的文献资源,还应该是优良的学习场所和文化交流中心。新馆的建成和“985”二期工程的建设,图书馆的硬件和软件都有了显著的改善,服务水平有了较大的提高。

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图1-1图书馆位置图

        此外、馆藏文献以理工科、生物医学为主,兼及人文社科、管理学科等,形成了电子信息、土木建筑、生物医学等学科的馆藏特色。

1.2 RIEGL三维激光扫描技术

        相对于传统的皮尺加水准方式、实测法、近景摄影测量法等文物保护方式,三维激光扫描技术有如下优势:

        1.数据全面、生动

        以前对于文物资料的保存仅限于平面图纸加上影像资料,这种保存方法比较简单,不能真正的起到文物资料的全面收集。现在,三维激光扫描技术帮我们解决了这个难题,它可以全方位的对文物进行测量,不受距离和环境等客观条件的限制,并且经过精密的后处理加工,可以达到对文物的真实还原。

        2.精度高

        三维激光扫描技术在作业过程中人为干预比较少,尤其在数据采集阶段,极大的减少了人为因素产生的误差;在后处理阶段,各个部分都是人机交互的方式进行,精度从根本上容易控制。

        3.速度快

        对于RIEGL激光三维扫描技术来说,它的扫描作业方式非常快,360°全景扫描最快只需3秒,能够更快速的完成外业工作,将主要的工作量转至内业,相对于传统的实测方式或者近景摄影测量方式,它的工作量比较容易控制,且信息量丰富,其数据结构中不仅包含空间信息还带有纹理信息,因此相对而言,作业速度快了不少。

        4.直观性和现实性强

        直观性:带有RGB值的三维坐标显示和灰度值、反射强度值等的三维直接显示给了我们非常直观的身临其境般的感受

        现势性:快速的外业扫描和精确的内业建模和贴图给我们提供了这样的条件

2、方案工作内容与技术依据

2.1 工作内容

        对图书馆外四周及顶部的立面部分的三维激光扫描采集以及其拼接、配准,点云浏览。

2.2 作业技术依据

        2.2.1  GB 50026-93《工程测量规范》;

        2.2.2  GB 12897-91《国家一、二等水准测量规范》;

        2.2.3  GB/T 12979-91《近景摄影测量规范》;

        2.2.4  CH 1002-95 《测绘产品质量检查验收规定》;

        2.2.5  CJJ 8-99  《城市测量规范》。

2.3 投入设备

        2.3.1 RIEGL miniVUX-1UAV三维激光扫描仪

        1. 关于RIEGL miniVUX-1UAV激光器

        RIEGL miniVUX-1UAV采用的是波长为905nm的半导体激光器,激光安全等级为I级,完全不会对人眼或动物的眼睛造成伤害。该激光器输出的波形为连续波(continuous wave,CW),功耗很小。

        RIEGL miniVUX-1UAV的最大有效测量频率为每秒10万点。最大发射频率为激光器每秒可激发的最大频率,每一次激发可以理解为形成了1个激光点,而有效测量频率则代表激光雷达在激光器以最大发射频率工作时能够接收到的激光点数(其他点没有被接收到),是真正代表激光雷达测量能力的点。因此该10万个点是真正有效的、代表真实环境的点。

        2. 关于RIEGL miniVUX-1UAV旋转棱镜

        RIEGL miniVUX-1UAV采用旋转棱镜式(Rotating Polygon)扫描,当激光入射到连续旋转的多棱镜的表面上,经反射在地面上形成一条条连续的、平行的扫描线。如图2-1 RIEGL三维激光扫描仪棱镜工作原理

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图2-1 RIEGL三维激光扫描仪棱镜工作原理



        该种方式具有需要的功率小、棱镜旋转的角速度不变使得激光点的密度均匀,尤其是沿飞机飞行的方向的线间距几乎完全相同的优点。如图2-1 RIEGL三维激光扫描仪点云。

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图2-2 RIEGL三维激光扫描仪点云


2.3.2 RIEGL VZ-400i三维激光扫描仪

        采样方式: 脉冲式

        测量精度:单点5mm,重复精度3mm

        测距范围:800m@80%反射率

        扫描视场:360°×100°

        数据采样率:1,200,000 points/second

        对人眼安全的一级安全激光

        触摸屏界面,方便操作

        RIEGL特色的回波数字化、实时波形处理以及多波束收发处理技术

        通过WI-FI和4G LTE进行网络连接

        MEMS IMU用于姿态估计

        One-touch一键操作

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2.3.3 技术优势

        1、全数字化回波

        Riegl公司在2004年首先突破技术瓶颈,研发出全数字化回波技术,并且推出了该技术相应的机载激光雷达系统,激光雷达已经开始由模拟信号时代进入数字化信号时代。

        在传统的多次回波(模拟信号技术)中,第一次回波的信号数量约占总反射信号的85%,第二次回波数量占8-10%,第三次回波数量占3-5%,第四次回波信号基本上非常少。由于第一次回波信号大多反映的是树的顶部和中上部,真正能够穿透植被和灌木丛到达地面的却是一部分的第三次回波(或一些第二次回波,对于植被覆盖度低的区域),因此对于植被覆盖度高的区域,如香港、南京、深圳等地,传统的模拟信号激光雷达也是“力不从心”。 miniVUX-1UAV激光雷达能够接收到5次回波,VZ-400i接收回波更是能够高达15次。因此仅仅百分之几的透射率也能够获取到植被覆盖度高区域的地面的地形图。

        2、多目标探测能力

        基于RIEGL的全数字化回波功能,RIEGL的设备可以记录每一次回波并准确的反应在点云中。这种能力促使了一种现象的产生,即:当RIEGL的设备发射了一束激光之后,确得到了很多个点(如树梢、树枝、树干、灌木丛、地面),使得点云中所包含的信息更全面,如图2-4。

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图2-4  RIEGL多回波目标探测

2.3.4 扫描作业

        RIEGL三维激光扫描仪使用无需标靶扫描,可同时获取GPS点位信息;可通过高清单反相机获取现场高清图像;内置双轴补偿器,扫描仪架设无需整平;扫描非常快速,本项目采用VZ-400i扫描仪内部设置PANORAMA 50 模式扫描,每站扫描30秒,共扫描25站,全部用时40分钟。RIEGL minivux-1uav无人机载扫描1个架次,扫描用时10分钟。

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图2-5  RIEGL minivux-1uav测量

 2.3.5 数据拼接去噪

        两站点云的拼接时,使用RISOLVE软件的拼接误差控制在3mm以下,点云的精度控制在了3mm。同时,软件自带算法可自动去除噪声点,保留主要观测物。如图2-6为RISOLVE软件点云拼接红色圆圈诠注部分为两站点云拼接误差。

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图2-6地面与无人机数据拼接

2.4 数据成果展示(部分)

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图2-7 RIEGL VZ-400i数据展示(上)和RIEGL minivux-1uav数据展示(下)

3、扫描成果质量说明

3.1观测方法与观测精度

        RIEGL三维激光扫描仪的扫描点密度的设置为按测站与扫描观测物实际距离计算长度,将点间距控制在甲方建立模型要求的1cm以内,可以根据具体观测物具体设置扫描点密度。

        本工程采用Riscan pro高精度自动拼接,拼接误差保证在3毫米内,并对观测物进行环绕闭合扫描,保证扫描精度,降低中误差。拼接完成后,将点云数据截出一条,放大看点云的重合度是否分层。如图3-1点云数据示意图

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图3-1点云数据示意图

        经过确认,点云数据提交完全,没有缺失。

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