光学测量原理与技术论文三维激光扫描技术与摄影测量技术学院:航空宇航学院专业:测试计量技术及仪器学号:SX1301116姓名：史璐指导老师:曾捷老师南京航空航天大学二O 一四年一月目录第一章：绪论31.1三维激光扫描技术31.2摄影测量技术41.3双目测量理论4第二章：国内夕卜发展状况52.1三维激光扫描技术国内外发展状况52.2摄影测量国内外发展状况6第三章：三维激光扫描系统分类及其特点103.1三维激光扫描系统的分类103.2三维激光扫描系统的特点103.3三维激光扫描技术的发展趋势11第四章：三维激光扫描技术和摄影测量技术的在变形监测中的应用134.1三维激光扫描技术在变形监测中的应用134.2摄像测量技术在机翼变形监测中的应用14第五章：总结17第一章：绪论11三维激光扫描技术三维激光扫描技术是基于测绘技术发展起来的,但测绘方法不同于传统测绘 技术，传统测绘技术是单点定位的高精度测量目标，它是对指定目标中的某一点位 进行精确而确定的三维坐标数据测量,进而得到一个单独的或一些离散的点坐标 数据,这类技术有如三坐标测量仪、经纬仪、全站仪、激光跟踪仪等，而三维激光 扫描仪则是对确定目标的整体或局部进行完整的三维坐标数据测量，这就意味着 激光测量单元必须进行从左到右，从上到下的全自动高精度步进测量（即扫描测 量），进而得到完整的、全面的、连续的、关联的全景点坐标数据这些密集而连续 的点数据也叫做点云，这也就使三维激光扫描测量技术发生了质的飞跃，这个飞跃 也意味着三维激光扫描测绘技术可以真实描述目标的整体结构及形态特性，并通 过扫描测量点云编织出的/外皮来逼近目标的完整原形及矢量化数据结构,这里统 称为目标的三维重建。三维激光扫描测绘技术的测量内容是高精度测量目标的整体三维结构及空 间三维特性，并为所有基于三维模型的技术应用而服务;传统三维测量技术的测量 内容是高精度测量目标的某一个或多个离散定位点的三坐标数据及该点三维特 性。前者可以重建目标模型及分析结构特性，并且进行全面的后处理测绘及测绘 目标结构的复杂几何内容。如:几何尺寸、长度、距离、体积、面积、重心、结 构形变，结构位移及变化关系、复制、分析各种结构特性等;而后者仅能测量定位 点数据并且测绘不同定位点间的简单几何尺寸，如:长度、距离、点位形变、点位 移等。三维激光扫描测量原理:每一个扫描云点的测量都是基于三角测量原理进行 的，并且根据激光扫描的传感驱动进行三维方向的自动步进测量。三角测量原理 的实现是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），然后通过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。1.2摄影测量技术摄影测量，就是利用对测量物体摄影所获得的像片来解求被摄物体的空间坐 标和绘制设计图的理论、技术的测量方法。即利用各种摄像机，获取三维物体的 二维图像（这就是实际空间坐标系和摄像机平面坐标之间的透视变换），通过多 个摄像机从不同方向拍摄的两幅或两幅以上的二维图像，利用交会原理，以及相 对定向与绝对定向等综合出物体的三维曲面轮廓。通过对摄影得到的光学图像进 行的各种几何参数和其他参数的测量，都可认为是摄影测量的范畴。此法对被测 物体上的采样点的非接触的三维数字化摄影测量的精度很高，而且很通用。摄影 测量是光学图像处理的最重要和最普遍的应用之一。1.3双目测量理论不管在三维激光扫描技术和摄像测量技术中，双目测量理论都相当重要，通 过双目测量理论将得到的图像转换为三维立体坐标。双目测量理论是从2个视点 观察同一物体得到不同视角下的感知图像，通过计算分析同一三维点不同图像中 对应图像点的视差来获取物体表面的三维形状信息。已知同一个点在2个摄像机 下的图像坐标和内、外参数（内参数包括摄像机的焦距、主点坐标以及各种畸变 参数；外参数是指左右两个摄像机坐标系之间的旋转矩阵T和平移矩阵R）,就 可以利用三角测量原理求得未知点在物方世界坐标系下的三维坐标。第二章：国内外发展状况21三维激光扫描技术国内外发展状况目前,随着科技的不断发展，三维激光扫描技术越来越成熟，地面三维激光扫 描系统因其便捷性、高效性、稳定性等优点，在古建筑物和文物保护、城镇规划、 交通方面以及变形监测领域等已有广泛的应用。1999年来自斯坦福大学和华盛顿大学的30人小组利用三维激光扫描测量系 统对米开朗琪罗的大一巨雕像进行了测量，拍摄了 7000幅彩色数码照片,最终建 立了包含20亿个多边形和7000彩色数码照片的大卫模型。2002年，美国拍德尤 大学(Purdue university)对印第安纳州的两座桥梁进行了扫描测量，建立两座桥梁 的复杂三维模型。2005年到2006年,西安四维航测遥感中心与秦兵马俑博物馆合作完成了秦 始皇兵马俑二号坑的扫描、数据拼接及三维建模。2006年,希腊vassiliosPAGOUNIS等使用徕卡HDS25OO激光扫描仪来获取道路十字路口的行车道和 路边空间几何数据，用于道路安全分析和交通事故模拟。2008年,瑞典Khaled Nabbout将地面移动式三维激光扫描系统应用于城镇规划中测量道路、铁路和隧 道。国内外学者对地面三维激光扫描系统在变形监测方面的应用都进行了相应 的研究和试验。美国佛罗里达州运输部对佛罗里达州I10出口的30号桥梁加载 外力,并利用ILRIS-3D激光扫描仪监测其变形,从而分析该桥梁的承受能力，并在 所需外界条件、需要人员、测量时间、测量总点数、测量精度、成果输出等方面 与传统监测手段相比较,认为三维激光扫描技术应用在变形监测方面是可行的。 2003年，加拿大的Technical university of British Columbia使用三维激光扫描仪对 华盛顿Cascade山区发生的大规模的泥石流进行了测量，对此次坍塌的土方量和 地形的变化情况进行了分析。2004年，斯洛伐克学者应用三维激光扫描仪对 Gabcikovo水电站船闸进行蓄水前后的变形监测，取得了符合理想精度的结果和 良好的经济效益。同年,Hsiao等人提出了将地面三维激光扫描仪与全站仪或者 GPS相结合的方法来获取和配准地形的点云数据，然后将数据转换到二维平面与 现有的电子地形图比较。2005年罗德安等分析了三维激光影像扫描技术在变形 监测领域内应用的可行性、技术优势和存在的问题,认为基于三维激光扫描技术 的整体形变监测是可行的。2006年张国辉在将三维激光扫描仪对某露天矿的高 陡边坡进行变形监测时，提出了两种变形监测方案，一是在变形体表面放置球形标 志，通过比较各时段扫掐数据中相同球心的坐标变化来提取变形信息;二是根据点 云数据建变形体的数字高程模型，统一坐标系统后用基于模型求差的方法分析变 形。2006年,Tsakiri等人在实验中将标志放置在变形体上，利用三维激光扫描仪对 变化前后的标志进行扫描,验证了仪器可检测士 0.5mm的变形量。2007年赵群等 对国家体育馆内大跨度的钢架滑移过程应用三维激光扫描技术进行了变形监测 及分析。同年，英国的Gethin ROBERTS等使用三维激光扫描仪监测建筑物变形， 分析得到在3-53m的距离范围内用三维激光扫描仪和全站仪观测混凝土梁的变 形量，其精度是一致的。香港Andrew Wang等在监测边坡不稳实验中，使用三维激 光扫描仪快速记录坡身表面运动和裂缝，实验表明这一方式比传统测量方式（如 GPS）更优越，而且获取的表面运动数据和布设在表面的倾角传感器获得的数据能 很好的吻合。2.2摄影测量国内外发展状况自1839年摄影技术发明以后便用于测量，这可以说是摄影测量的开始。至 1900年为止，所用的方法还只是交会摄影测量，即是将摄影机安置在一条基线 的两端进行摄影，然后量测像点在像片上的位置，求其方向线再作交会计算，以 求其大地位置和高程。至二十世纪初，发明了立体观测方法后，德国人普夫锐士 （Pulfrich）制成了立体坐标量测仪，欧瑞（Orel）又发明了自动立体测图仪，于是 形成了地面立体摄影测量。但是，地面上进行摄影，存在着视界不广，前景遮蔽 后景，精度不均匀等不可克服的缺点。于是，很自然地人们就在解决空中摄影方 面进行了巨大的努力。第一次世界大战中，航空技术有了迅速发展，同时由于军 事上的需要，促使航空摄影测量有了很大发展。其发展大致分为三个阶段：模拟 摄影测量，解析摄影测量，数字摄影测量。1）模拟摄影测量所谓模拟摄影测量，即是利用几何反转的特性（摄影可逆性），设法把航摄 时获得的无数对同名点的两张相邻像片，保持航摄瞬间的相对状态来进行投影， 此时，各同名点的摄影光线必然仍对对相交于地面某相应的地物点上。显然，由 无数对同名光线交点组成的立体模型与所摄地区的地表面完全吻合。利用这一原 理，德国、苏联、瑞士等国家先后制成了多倍投影测图仪、立体测图仪、精密立 体测图仪A8、A10、B8、D2、CIIP等等，由于这些仪器均采用光学投影器、 机械摄影器或光学一机械投影器来模拟摄影过程，所以我们称之为模拟摄影测量 仪器。这一发展时期也就称为模拟摄影测量时代。至六、七十年代这种类型的仪 器发展到了顶峰。2）解析摄影测量电子计算机和计算技术的发展，开辟了解析摄影测量的新纪元。1957年， 美国人海拉瓦（Helava）提出了摄影测量的新概念，就是用“数字摄影”来代替 光学的、机械的或光学一机械的模拟投影。所谓数字摄影就是利用计算机实时地 进行共线方程的计算，从面交会被摄物体的空间位置。六十年代初，意大利的 OMI公司与美国的Bendix公司合作，制成了世界上第一台解析测图仪AP-1。 其后特别是七十年代，解析测图仪有了较快的发展，德国、美国、瑞士等都先后 生产了 P2、C100、BCI等新型的解析测图仪。解析测图与模拟测图的主要区别 在于前者使用数字摄影方式，后者使用模拟投影方式；前者为由计算机控制的坐 标量测系统，后者使用纯光学的、机械的或光学一机械的模拟测图装置；前者是 计算机辅助的人工操作，后者是完全的手工操作。3）数字摄影测量1996年的维也纳ISPRS大会上，展出了众多的数字摄影测量系统，它表 明数字摄影测量已经步入使用阶段。所谓数字摄影测量就是以数字影像为基础， 用电子计算机进行分析和处理，确定被摄物体的形状大小和空间位置及其性质的 技术。在数字摄影测量中，计算机不但能完成大多数摄影测量工作，而且借助模 式识别理论，实现目标的自动或半自动识别（如识别框标和识别同名点等）和提 取，从而大大的提高了摄影测量的自动化功能。基于影像数字化仪、计算机、数 字摄影测量软件和输出设备构成的全数字化摄影测量系统DPS（Full Digital Photogrammetric System）是摄影测量、计算机立体视觉、模式识别和图像处理等 学科的综合成果。数字摄影测量与模拟、解析摄影测量的区别在于：它处理的原 始信息不仅可以是像片，也可以是数字化影像。同时，影像匹配技术代替了双眼 观测，实现了真正意义的自动测图，它所使用的仪器最终将只是运用计算机及相 应的外围设备。摄影测量从产生到现在，由三十年代的模拟摄影测量，到七十年 代的解析摄影测量，发展到当今的数字摄影测量，在很大程度上得益于计算机技 术和数字图像处理技术的发展。随着数字摄影的发展，由影像扫描仪、计算机、 数字摄影测量软件及相关的输出设备构成的数字摄影测量系统（DPS），必将取代 传统的测量仪器；数字化的、三维的、动态的、多尺度的、实时或准实时的数字 时代，必将取代模拟的、静止的、固定比例尺的二维平面的纸介质测绘