從三維激光掃描到3D模型

三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現的一項技術，是繼GPS空間定位系統之后又一項測繪技術的突破。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據，為快速建立物體的三維影像模型提供了一種全新的技術手段。



一、三維激光掃描技術

三維激光掃描技術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、體等各種圖件數據，越密集的點云創建的模型越精確（這個過程稱做三維重建）。



三維激光掃描儀技術特點（天寶為例）：

1.數據獲取自動化，一鍵式操作

三維激光掃描儀高度智能化，無需人工干預，三維激光掃描儀自動發射的激光即可測得目標物表面點的三維坐標信息，無需復雜操作，實現一鍵自動掃描。

2.“快”（ 100萬點每秒）

“快”是掃描儀誕生產生的概念，在常規測量手段里，一個點的測量需要花在2-5秒左右，在復雜的場景里，可能要花幾分鐘的時間對一點的坐標進行測量。

三維激光掃描儀的誕生改變了這一現狀，現在三維激光掃描儀最大速度已經達到100萬點每秒，這是三維激光掃描儀對物體詳細描述的基本保證，古文體，工廠管道，隧道，地形等復雜的領域無法測量已經成為過去式。

3.數據獲取全要素，高密度、高精度（誤差為毫米級）

三維激光掃描以水平和豎直方向同時全方位快速的獲取高精度，高分辨率的海量的點位數據?，F場所有肉眼能見的物體（玻璃、水、鏡面反射物體除外）都可以掃描得到。



4.數據是三維矢量，簡單直觀

三維激光掃描儀每次測量的數據不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時還有物體反射率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現的感覺。



5.非接觸測量方式，保證作業安全

采用非接觸目標的方法，人員無需接觸被測物體，即可直接采集物體表面的三維數據，降低了測量風險。能有效避免異形建筑，危險場景（高空，電廠，輻射）的測量危險，為測量提供安全。

6.數字化兼容性好

通過直接獲取數字信號采集的數據，所以具有全數字特征，方便進行后期處理和輸出，與Revit、AutoCAD、SketchUp、ArchiCad、Bentley、Tekla等軟件有很好的共享性。



二、三維激光掃描數據處理

在三維激光掃描的過程中，點云數據的獲取常常會受到物體遮擋、光照不均勻等因素的影響，容易造成復雜形狀物體的區域掃描盲點，形成孔洞。同時由于掃描測量范圍有限，對于大尺寸物體或者大范圍場景，不能一次性進行完整測量，必須多次掃描測量，因此掃描結果往往是多塊具有不同坐標系統且存在噪聲的點云數據，不能夠完全滿足人們對數字化模型真實度和實時性的要求，所以需要對三維點云數據進行去噪、簡化、配準以及補洞等預處理。



通過數據預處理，可以有效剔除點云中的噪聲和外點，在保持幾何特征的基礎上實現點云數據簡化，并將不同角度掃描的點云統一到同一坐標系下，為后續的曲面構建及三維實體模型生成提供穩健的數據基礎。



三、點云數據三維重建

點云建模需要利用三維實景建模軟件ContextCapture，ContextCapture可以更好地評估點云并生成更精確的三維模型。

ContextCapture可以對點云進行增強、分割、分類，并與工程模型相結合。利用ContextCapture的高級三維建模、橫截面切割、斷裂線和地形提取功能，能快速高效地對竣工條件進行建模并支持設計流程。

（點云數據與實景影像融合成果）

基于點云數據，ContextCapture還可以從生成非常龐大的可縮放地形模型。通過與原始數據源同步，可縮放地形模型可實時更新到最新。這樣做的價值在于，擁有所有數據的全局、最新和綜合表示，并用于使用各種顯示模式和執行分析，以及生成動畫和可視化效果。

（激光掃描車與實景影像融合成果）

ContextCapture軟件詳情：實景建模ContextCapture產品詳情及五大應用

四、點云數據應用

通過點云數據建立的實景模型，在文物數字化保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域有廣泛的應用。



a. 測繪工程領域：大壩和電站基礎地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監測、大壩的變形監測、隧道地下工程結構、測量礦山及體積計算。

b. 結構測量方面：橋梁改擴建工程、橋梁結構測量、結構檢測、監測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業企業內部設備的測量、管道、線路測量、各類機械制造安裝。



c. 建筑、古跡測量方面：建筑物內部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護測量、文物修復，古建筑測量、資料保存等古跡保護，遺址測繪，贗品成像，現場虛擬模型，現場保護性影像記錄。

d.采礦業：在露天礦及金屬礦井下作業，以及一些危險區域人員不方便到達的區域。例如：塌陷區域、溶洞、懸崖邊等進行三維掃描。



目前，市面上使用面較廣的三維激光掃描儀是天寶的Trimble X7 3D激光掃描儀和Trimble SX10 掃描全站儀。

Trimble X7 3D激光掃描儀

Trimble X7專為測量，建筑，工業和法證應用而設計。掃描儀具有Trimble X-Drive技術，測量級自動整平和智能校準系統。集成了簡化的工作流程，使用Trimble Registration Assist能在現場自動注冊點云數據。

Trimble X7還包括高性能相機，可創建集成到項目中的全景圖像。這樣就可以導出完全注冊的，有照片顏色的點云。這種組合使掃描和圖像可以被捕獲，完全注冊在一起，完善，控制并導出各種已建立的數據格式。

Trimble X7激光掃描儀系統旨在使所有掃描人員都能快速輕松地捕獲精確的3D掃描數據，以生成高質量的可交付成果。



產品特點

1.簡單

a. 可靠的外業工作流程適合所有用戶；

b. 直觀的Trimble Perspective軟件，用于操作、管理、查看和 驗證掃描數據 ；

c. 用Trimble VISION 技術快速捕獲影像；

d. 緊湊輕便，便于運輸和移動。

2.智能

a. 突破性創新，用于可靠的數據采集 ；

b. 全新的Trimble X-Drive偏轉系統，可實現自動校準，確保每次掃描的精準度，不再花費時間停工返廠校準；

c. 獨特的Trimble Registration Assist ，用于自動配準、精細化處理和產生報告，您可以滿懷信心和信任地離開工地；

d. 高精度自動整平。

Trimble SX10 掃描全站儀

Trimble SX10影像掃描儀為測繪、工程設計和掃描專業人員提供世界上最具創新的解決方案，重新定義了日常測繪設備的功能。

Trimble SX10將改變您的工作方式。這種新的通用解決方案能采集高密度 3D 掃描數據、增強型 Trimble VISION 影像數據和高精度全站儀數據的任意組合數據，讓您可以準確地捕獲所需的內容，節約每一項工作的時間和資金。

借助 Trimble 全新閃電 3DM，SX10 既能在單臺儀器上捕獲高精度全站儀測量結果， 同時又能實現真正的高速 3D 掃描，從而提供前所未有的高精度和測量性能。



產品特點

a. 將測繪、影像和高速3D掃描集成到一個創新解決方案中；

b. Trimble高精度的閃電3DM技術提供的掃描范圍最遠可達600m，并且具有業內最小的光斑—在100m處只有14mm；

c. 利用Trimble閃電掃描技術每秒最多可以掃描26,600點，只需12分鐘就能完成一次完整的全景掃描；

d. 經改進的Trimble VISION技術可以方便快捷地捕獲高分辨率的現場圖像；

e. 完全集成熟悉的Trimble Access和Trimble Business Center軟件的工作流程。



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