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拓普康體積測繪GLS-2000 三維激光掃描儀
拓普康體積測繪GLS-2000 三維激光掃描儀
一、 拓普康 GLS-2000 型三維激光掃描儀產(chǎn)品介紹三維激光掃描技術(shù)是上世紀九十年代中期開始出現(xiàn)的一項高新
技術(shù),是繼 GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術(shù)新突破。它通過高速激光掃描測量的方法,大面積高分辨率地快速獲取被測對象表面的三維坐標數(shù)據(jù)??梢钥焖佟⒋罅康牟杉臻g點位信息,為快速建立物體的三維數(shù)字模型提供了一種全新的技術(shù)手段。由于其具有快速性,不接觸性,穿透性,實時、動態(tài)、主動性,高密度、***,數(shù)字化、自動化等特性,其應用推廣會像 GPS 一樣引起測量技術(shù)的又一次革命。三維激光掃描技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新技術(shù),在國內(nèi)越來越引起研究領(lǐng)域的關(guān)注。它是利用激光測距的原理,通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息,可快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。由于三維激光掃描系統(tǒng)可以密集地大量獲取目標對象的數(shù)點,因此相對于傳統(tǒng)的單點測量,三維激光掃描技術(shù)也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術(shù)突破。該技術(shù)在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律*****、災害評估、船舶設(shè)計、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域也有了很多的嘗試、應用和探索。作為******為***的測繪與視光設(shè)備生產(chǎn)廠家,拓普康隆重推出GLS-2000 型三維激光掃描儀。該款掃描儀在原有拓普康 3D 激光掃描儀的基礎(chǔ)上,進行了多項重大技術(shù)革新。其便捷性、高集成性、高精度等特點滿足了全部三維掃描作業(yè)人員對于三維激光掃描儀的期望,利用拓普康多年測繪工程領(lǐng)域的實踐經(jīng)驗,GLS-2000 型三維激光掃描儀成為******測量型中距離三維激光掃描儀。目前***市場已有 300 家以上測繪企業(yè)使用 GLS-2000 型三維激光掃描儀進行三維掃描工作,GLS-2000 在 3D 領(lǐng)域中的***已得到了***用戶的***認可。
二、 GLS-2000 型三維激光掃描儀硬件特點
1. 0 130 米0 /350 米0 /500 。 米可選測程,中距離三維激光掃描易如反掌。GLS-2000 型三維激光掃描儀可根據(jù)固件進行測程調(diào)整,三種可選測程適用多種工作環(huán)境,減少試用成本,更快更遠,使命必達!
2. 提供 m 3.5mm 測距精度,滿足多種測量行業(yè)需求GLS-2000 型三維激光掃描儀提供多種掃描模式,可根據(jù)不同現(xiàn)場環(huán)境進行多類型掃描工作,150 米處平均 3.5mm 測距精度滿足絕大部分測量工作,相比較其他工業(yè)型掃描儀,GLS-2000 三維激光掃描儀在點云質(zhì)量、精度上均優(yōu)于對手,實現(xiàn)了將三維掃描走向***的過程。
3. 全視場掃描能力,可實現(xiàn) 360 ° *270 °全圓掃描
4. 高速掃描能力,5 25 秒快速掃描模式
掃描精度 全圓掃描時間
25mm@10m 0.4min
12.5mm@10m 1.8min
6.3mm@10m 6.9min
5. 同軸廣角雙相機快速獲取 360 °全景影像170 8.9廣角相機( 500 萬像素) 長焦相機( 500 萬像素)GLS-2000 三維激光掃描儀內(nèi)置兩臺 500 百萬像素相機,可在 1 分鐘快速獲取 360°全景影像,廣角相機拍攝全景地物,同軸長焦相機拍攝細節(jié)特征,為您提供更詳細的紋理信息。
6. 一鍵式數(shù)據(jù)采集功能,*作業(yè)人員一分鐘掌握使用方法拓普康 GLS-2000 型三維激光掃描儀,內(nèi)置全彩色顯示屏,可實現(xiàn)單人一鍵式采集工作,******自動量測儀器高功能,測***可達3mm,避免因量高誤差產(chǎn)生數(shù)據(jù)拼接高程誤差;主機控制面板界面簡單明了,觸摸屏掃描功能可在一分鐘內(nèi)學會并掌握,無需作業(yè)人員具備相應技術(shù)基礎(chǔ)。
P001
1.457
三、 GLS-2000 型三維激光掃描儀技術(shù)特點
1. 全站儀導線測量掃描方式,測量行業(yè)使用易如反掌;GLS-2000 型三維激光掃描儀將傳統(tǒng)導線測量模式引入都三維掃描
工作中,作業(yè)人員若具備全站儀測站基礎(chǔ),僅需在掃描過程中通過測站后視法對后視棱鏡/標靶進行觀測,GLS-2000 將自動對棱鏡/標靶板進行掃描照準,從而實現(xiàn)***定向,簡化后期數(shù)據(jù)拼接過程,實現(xiàn)進準數(shù)據(jù)合成;
2. 改進的“Precise Scan Technology Ⅱ"去噪技術(shù),有效解決針對低反射率物體噪聲明顯的問題,對于傳統(tǒng)三維激光掃描儀工作復雜地區(qū)(諸如煤礦、化工廠),***提升成果點云質(zhì)量,為用戶后期數(shù)據(jù)應用提供更為準確的數(shù)據(jù)保障!
去噪技術(shù),有效解決針對低反射率物體噪聲明顯的問題,對于傳統(tǒng)三維激光掃描儀工作復雜地區(qū)(諸如煤礦、化工廠),***提升成果點云質(zhì)量,為用戶后期數(shù)據(jù)應用提供更為準確的數(shù)據(jù)保障!
3. 業(yè)內(nèi)范圍液態(tài)雙軸補償器,提供±6′自動補償范圍,***照準自動補償范圍,***照準 4 ″精度,保證數(shù)據(jù)精度滿足作業(yè)需求!
4. 業(yè)內(nèi)***脈沖式掃描儀反射信號選擇法,可選擇***/***次回波信號,有效減少因柵欄、樹木遮擋產(chǎn)生的點云噪聲;***次回波信號,有效減少因柵欄、樹木遮擋產(chǎn)生的點云噪聲;
四、 GLS-2000 型三維激光掃描儀參數(shù)列表
型號 拓普康 GLS-2000
掃描方式 脈沖式(時間飛行法)
相機分辨率(像素) 雙相機(長焦/廣角),500 萬像素
單點精度 3.5mm
角度精度
水平 6″
垂直 6″
雙軸補償功能
分辨率 1″
精度 6″
范圍 +/-4′
顯示屏 3.5 英寸 VGA 彩色觸摸液晶顯示屏
掃描距離(m)
90% ref 350-500
18% ref 210-350
掃描速度(點/秒) 120,000
激光等級 1M/3R
掃描視場角
水平 360°
垂直 270°
靶標捕捉 2~200m/3″@50m
波長 1064nm/635nm
激光對中 有,自動量測
工作溫度 -5℃~40℃
存儲溫度 -20℃~60℃
存儲容量 64GB,SD 存儲卡
防塵防水等級 IP-54
工作時長(h) 大于 2.5 小時
電池型號 BDC70(5240mAh 拓普康全站儀通用)
重量 10kg(含電池和基座)
后處理軟件 ScanMaster v3.0
五、 拓普康 GLS-2000 型三維激光掃描儀項目案例
案例 1—— 建筑物翻新設(shè)計(BIM 一體化設(shè)計案例)
使用拓普康 GLS-2000 型三維激光掃描儀,可執(zhí)行 BIM 一體化設(shè)計。
通過使用拓普康 ScanMaster 軟件將所掃描的舊式建筑進行快速后期
處理,獲得真彩色***三維激光點云數(shù)據(jù);接下來將數(shù)據(jù)無縫鏈接
進入 Autodesk Revit 三維設(shè)計軟件中,利用 Autodesk 強大的三維空間
處理能力,進行虛擬化建筑翻新工作,原始建筑物的快速矢量化可為
設(shè)計翻新提供準確,直觀的可視化信息,同時利用設(shè)計圖紙上的矢量
信息又可快速建成三維模式,與所掃描的空間坐標完整疊合,從而為
后期規(guī)劃、施工提供強有力的信息保障。
針對原始建筑物進行快速三維掃描,掃描方式如下:
使用 Topcon ScanMaster 數(shù)據(jù)后處理軟件進行數(shù)據(jù)自動拼接,影像渲
染,點云數(shù)據(jù)輸出等工作:
將點云數(shù)據(jù)直接導入至 Autodesk Revit 三維設(shè)計軟件中:
提取感興趣點、線、面,進行二維矢量化工作,并構(gòu)建三維數(shù)字模型;
在 Autodesk Revit 軟件中進行三維可視化翻新設(shè)計,導入前期設(shè)計好
的陽光房設(shè)計圖;
使用三維激光點云數(shù)據(jù)與翻新設(shè)計模型進行效果顯示,分析;
總結(jié):
建筑信息模型(Building Information Modeling)是以建筑工程項目的
各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ),進行建筑模型的建立,通過數(shù)字
信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。它具有可視化,協(xié)調(diào)性,模
擬性,優(yōu)化性和可出圖性五大特點。在 BIM 的設(shè)計與施工過程中,三
維激光掃描儀可成為快速數(shù)據(jù)獲取的有效手段,通過使用拓普康 GLS-
2000 三維激光掃描儀,結(jié)合拓普康與歐特克深層次的二三維綜合解
決方案合作,可為用戶提供***的三維數(shù)字化應用方向,同時由于我
國屬于 BIM 的起步階段,城市建筑建設(shè)正逐漸向 BIM 工程領(lǐng)域靠近,
目前上海市已經(jīng)出臺了《上海推進 BIM 技術(shù)應用指導意見》,為促進
這一市場發(fā)展提供了***政策支持。
案例 2—— 文物保護數(shù)字化信息留存
TOPCON 古建筑三維測量與維護 —— *故居
一、 引言
古建筑蔓延了歷史文脈,是人類文明的載體。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,古建筑的
價值逐漸受到人們的高度重視。對于古建筑,必須采取積極的手段進行保護與利用。
保護與利用的過程需要對古建筑進行維護、整理與修復,同時也需要保護或恢復歷
史街區(qū)的空間格局與尺度。重大歷史建筑在修復前都需要進行***的測量,以取得
較完備的科學記錄檔案,為古建筑的規(guī)劃保護和修復提供***手資料,同時也是研
究古建筑史和建筑理論的重要資料。
二、 現(xiàn)狀與問題
2.1 現(xiàn)狀分析
目前階段,認識古建筑和研究古建筑的普遍途徑是手工測繪以及普通測量。我
國傳統(tǒng)的古建筑測繪方法一般為人工實量法。由于這一方法費時費工、效率不高,
難以保證觀測結(jié)果的精度,而且成本高也不安全,人們越來越體會到使用這一方法
的不便性。近年來隨著空間定位技術(shù)、計算機技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應用,古建筑
測繪技術(shù)已進入數(shù)字化時代,已發(fā)展成為以 3S 集成為特征的新技術(shù)應用。
2.2 存在問題
為了減小測量誤差,提高測量結(jié)果的精度,需要了解誤差的主要來源及產(chǎn)生的
原因,以便采取相應的措施。古建筑測繪中存在的問題主要有:
1. 建筑物現(xiàn)狀問題:由于長期承受荷載、基礎(chǔ)的不均勻沉降、材質(zhì)的不同還有外界自然因
素的影響等,構(gòu)件發(fā)生不同程度的收縮、彎曲等多種變形以及其他部位的損壞。
2. 總尺寸與分尺寸不統(tǒng)一,即各個組成部分分別測出的尺寸之和與整體測出的尺寸不符。
相對于這兩大問題,解決的方法和應當遵循的原則如下:
1. 對結(jié)構(gòu)有重大影響的變形及破壞應按照原有狀態(tài)測繪,選擇若干個同類構(gòu)件進行測量
和比較,找出其中量的數(shù)值作為這類構(gòu)件的統(tǒng)一尺寸;
2. 對結(jié)構(gòu)沒有重大影響的變形及損壞應依照現(xiàn)狀測繪,以真實地表達古建筑的存在狀態(tài),
保持其歷史感和時間感;
3. 次要尺寸服從主要尺寸,分尺寸服從于總尺寸,少數(shù)服從多數(shù);
4. 后換構(gòu)件應服從于原始構(gòu)件。應找出建筑物各個部分的原始構(gòu)件加以測量。從而定出統(tǒng)
一尺寸。而不能以某一構(gòu)件的某個尺寸數(shù)量***多,或某個構(gòu)件保存得***完好,來決定統(tǒng)
一尺寸。
2.3 三維激光掃描技術(shù)在古建筑維護的發(fā)展與前景
三維激光掃描技術(shù)是自 20 世紀 90 年代起興起的***測量技術(shù),它集成了多種
高新技術(shù)的***空間信息數(shù)據(jù)獲取的手段與工具,這一技術(shù)在國際上處于***水平,
而在國內(nèi)尚處于起步階段。中國作為古建筑和文物資源大國,為三維技術(shù)在古建筑
上的應用提供了廣闊的應用空間。根據(jù)文物部門統(tǒng)計,我國目前被列入保護范圍的
古建筑有近 30 萬處,古建筑的保護、搶救及修復的工作量非常大,而傳統(tǒng)的建筑測
繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠遠不能滿足古建筑保護的實際需要。而目前,使
用三維激光掃描儀進行古建筑維護工作已初見成效。
三、 測量原理與方法
在古建筑研究的活動中,用戶需要關(guān)于研究對象的完整性數(shù)據(jù)。三維激光掃描
技術(shù)是一項通過高密度的掃描點來記錄和表達被測古建筑形狀的技術(shù),三維點云是
***原始的測量數(shù)據(jù),被測建筑物的幾何空間信息都被包含其中。如何利用點云,如
何在點云的基礎(chǔ)上通過軟件來提取空間信息,決定了三維激光掃描技術(shù)在古建筑保
護及維護***的應用方式和成果形式。從對點云的應用方式來看,可分為檔案記
錄型應用、尺寸量測型應用、三維可視化型應用和逆向重建應用。從***終的提交成
果形式可分為二維圖件形式(各種平、立、剖面圖,等值線圖)和三維圖件形式(三
維高密度點云數(shù)據(jù)、三維 CAD 模型、三角圖片格網(wǎng)等)。利用三維激光掃描技術(shù)進行
古建的保護,目前主要集中在檔案記錄、三維可視化及虛擬三維重建幾個方面。
3.1 檔案記錄
使用三維激光掃描技術(shù)進行古建筑建檔,主要是以記錄完整掃描的點云數(shù)據(jù)為
主。采用具有三維坐標和真實色彩信息的點云數(shù)據(jù)記錄建筑物,既能快速完成測量
任務(wù),并確保多角度測站合并后無掃描死角,又能保證在測量時不必攀爬古建筑物,
確保了建筑物不受損害和測量者的安全。
由于三維激光掃描技術(shù)是以較高的密度連續(xù)采集等間隔的點,而且每個點具有
三維坐標、點所處被測古建筑表面材質(zhì)反射強度和顏色信息,因此我們可以直接通
過將這些記錄被測古建筑的點在同一窗口內(nèi)顯示的方法來瀏覽和觀察被測古建筑的
外觀和內(nèi)部特征。由于三維激光掃描儀采集數(shù)據(jù)快速,被測古建筑可在***的時間
間隔內(nèi)被多次測量,方便用戶分析其變形情況,并在關(guān)鍵部位標注符號,標明該部
位的實時狀態(tài)。
3.3 虛擬三維重建
被測古建筑的點云集合可以看做是立體模型。點云模型可以構(gòu)建三維數(shù)字模型,
以作虛擬現(xiàn)實和模擬修復等應用,亦可制成各類工程圖、結(jié)構(gòu)圖、切面圖等。自此
實現(xiàn)室內(nèi)外空間***模型的*一體化和模型建構(gòu)的*可逆操作,有助于古建研
究以及其他***利用其在各自領(lǐng)域作更深的拓展研究。***的古建筑模型信息可以
幫助研究人員更加深入地探究古建筑的結(jié)構(gòu)、藝術(shù)價值、營造方法。
四、 古建筑測量實例 —— *故居
4.1 數(shù)據(jù)采集方案
經(jīng)過現(xiàn)場勘察分析,我們共布置了 3 個測站,并將測站和測站使用標靶連接點
方法進行了拼接。測站、標靶分布如下圖所示:
圖 1 數(shù)據(jù)采集方案示意圖
掃描時,逐一在相應測站對相應的區(qū)域和標靶進行了掃描。在測站一,進行了
360°的故居內(nèi)部的全景掃描。掃描間隔為 1 厘米,掃描距離為 10 米;在測站二,在
故居的外部約 15 米處進行了掃描;在測站三,在故居的左側(cè)進行了掃描。由于 GLS-
2000 內(nèi)置了高清晰的彩色數(shù)碼相機,影像數(shù)據(jù)可在掃描時與點云數(shù)據(jù)同步取得。
4.2 掃描參數(shù)設(shè)置
統(tǒng)計各測站數(shù)據(jù)庫的大小與掃描參數(shù)如下表所示:
表 1 點云數(shù)據(jù)大小和掃描儀參數(shù)設(shè)置
測站名 掃描距離 掃描間隔 掃描用時
點云文件大
小
測站一 10 米 1 厘米 1.8 分鐘 31.3MB
測站二 10 米 1 厘米 2 分鐘 34.63MB
測站三 10 米 1 厘米 1.5 分鐘 24.33MB
外業(yè)測量根據(jù)上段所述 3 個測站按順序進行了測量。本項目采用了 GLS-2000 特
*故居
有的一體化集成操作模式,并從連接點測量、測站/后視測量和導入坐標值測量
法等三種測量方法中, 選擇了連接點測量方法進行測試。連接點測量方法測量法簡
單、***且易操作,適用于測量范圍在 350 米之內(nèi)的區(qū)域。
外業(yè)測量過程中,待測對象和標靶是分開進行掃描和測量的。我們可以首先選
擇測量標靶的命令,照準標靶位置,記錄點位。之后,在同一個測站位置上,我們
選定測量區(qū)域,***測量距離與間距,掃描儀即可自動開始掃描。在內(nèi)業(yè)處理過程
中,將測站一、測站二及測站三的點云數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)及連接點數(shù)據(jù)(標靶)輸入
到 ScanMaster 軟件下,并將不同測站下的相同連接點(標靶)一一對應,就可將點
云數(shù)據(jù)拼接到同一坐標系下了。
拼接完成后的點云效果如下圖:
圖 3 局部浮雕精細點云效果
圖 4 整體建筑點云效果
圖 5 局部建筑點云效果
4.4 建模流程
三維模型建立的流程一般由特征線提取和模型構(gòu)建兩部分組成。
(1). 特征線提取
特征線提取可采用多種方法。如自動提取剖面、等高線,根據(jù)點云自動擬合線段、圓柱、圓錐、多邊形等基本幾何形狀等。本項目成果包括單線結(jié)構(gòu)圖,提取時采用了先繪制三維結(jié)構(gòu)線,再統(tǒng)一投影到同一二維平面的方法,以保證結(jié)構(gòu)線的平面精度。本項目提取所采用的使用的軟件為 Topcon 公司自行研制開發(fā)的 ScanMaster軟件及 AutoDesk 公司的AutoCAD 軟件。
(2). 三維模型和虛擬現(xiàn)實的創(chuàng)建
基于線劃圖的三維模型創(chuàng)建方法的主要思想是由線成面。將 CAD 線劃圖導入
3DMax 軟件中?;邳c云每個方向構(gòu)件的線劃圖間都具有準確的位置關(guān)系,將前后
左右上下六個立面圖一同導入后,可合成***建筑結(jié)構(gòu)圖。
圖 11 整體線框圖
在這個***線框圖上,可根據(jù)建筑的結(jié)構(gòu),逐一搭建實體模型,比如 3DMax
里的基礎(chǔ)幾何模型 BOX,PLANE 等。
圖 12 在線框結(jié)構(gòu)上搭建實體模型
逐步細化模型直至整體建筑模型大體形態(tài)基本成型。
圖 13 實體模型基本結(jié)構(gòu)
之后將基礎(chǔ)模型進行紋理貼圖,并對整個場景的燈光進行設(shè)置。
圖 14 貼圖后的模型
在 3DMAX 里面將模型貼圖整理完成,并且檢查無誤后。將整個場景導入三維虛
擬平臺,進行平臺測試。在平臺中添加天空、景深效果,以及對一些材質(zhì)做細化處
理(如反射等)以求更好的表現(xiàn)效果。然后進行 UI(用戶界面)設(shè)計,添加天氣系
統(tǒng)等,使虛擬現(xiàn)實場景具備漫游設(shè)置、測量距離等功能。
圖 15 加入燈光和天空效果的虛擬現(xiàn)實截屏
結(jié)束語
使用三維激光掃描儀比較常規(guī)測量儀器對建筑物進行測量與成圖工
作,它更具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數(shù)字特
征等特點,可以***降***,節(jié)約時間,而且使用方便,能夠?qū)?/p>
現(xiàn)與設(shè)計圖紙進行分析比較,以確定其形變誤差大小等。三維激光掃
描測量技術(shù)已經(jīng)在測繪領(lǐng)域有***的應用。激光掃描技術(shù)在高大建筑
物數(shù)字高程模型的***的實時獲取方面已經(jīng)表現(xiàn)出強大的優(yōu)勢,成
為攝影測量與遙感技術(shù)的一個重要補充?,F(xiàn)在在大型建筑的變形監(jiān)測
工程、環(huán)境檢測和城市建設(shè)方面等均有成功的應用實例。
拓普康體積測繪GLS-2000 三維激光掃描儀