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未知 如何选购三维激光扫描仪
[时间:2009-6-8 | 来源:网络转载]
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如何选择三维激光扫描仪?(一) 


目前市场上销售的射程大于10米的三维激光扫描仪有许多不同的型号。如何看懂各个厂家的参数和配置,性能的优劣,尽量不受销售代表的误导,选择适合自己应用的型号,是一个比较困难的问题。本文现就一些常见的问题做一个简要的和客观的介绍。 

问题一:三维激光扫描仪的类型: 
目前市场上销售的三维激光扫描仪按扫描方式划分有两种: 
? 基于时间-飞行差; 
? 基于相位差 

问题二:两种类型的三维激光扫描仪的销售情况如何? 
基于时间-飞行差的三维激光扫描仪约占总数量的90%以上, 而基于相位差三维激光扫描仪约占总数量的9%。 

问题三:两种类型的三维激光扫描仪的主要性能特点如何? 
(1)基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的性能特点: 
a. 射程:大于200米,最远的甚至达到6,000米; 
b. 精度:对于中距离脉冲扫描式三维激光扫描仪(最大射程:< 2,000米): ±2 mm –±7 mm (测量距离<50米时);对于超长距离脉冲扫描式三维激光扫描仪(最大射程:< 6,000米): ±15 mm (测量距离50米以内时)。距离测量准确和精度高是基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的一个性能特点。 
c. 最大激光发射频率:2,000 – 300,000赫兹。 
d. 扫描速度:不同厂家的产品相差较大。Riegl的最快,其次为徕卡的:高精度扫描:2--16分钟,Optech和天宝的较慢:高精度扫描:40--80分钟。 
在所有的激光扫描仪中,Riegl的VZ-400的激光发射频率最高(300,000赫兹)。扫描速度最快(最高精度时的全景扫描:< 2分钟)。 
e. 太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响:小。 
f. 植被覆盖区域:能够应用,并且能够去除植被。 

(2)基于相位差的三维激光扫描仪的性能特点: 
a. 射程:<79米,据说Faro将于今年的第二季度推出一款Photon120,射程能够达到153米。 
b. 精度:5 mm (距离:< 25米):±12 mm (距离:< 50米)。 
c. 最大激光发射频率:300,000 – 600,000赫兹。 
d. 扫描速度:随所设定的激光发射频率变化。如 
激光发射频率(赫兹) 一个站点所需扫描时间(水平旋转360度) 
1,250 25秒 
5,000 1分40秒 
10,000 3分22秒 
20,000 6分44秒 
40,000 26分40秒 
60,000 ? 260分 (4小时20分) 
100,000 ? 10小时 
200,000 一天一夜? 
500,000 
http://www.zf-laser.com/Datenblat ... 06i_E_10.09.2008.pdf 
由此可以看出:虽然相位差激光扫描仪的激光发射频率可以高达500,000赫兹以上,但是,在应用中,由于扫描时间太长,几乎不可能使用超过60,000赫兹的激光发射频率。在使用低于40,000赫兹的激光发射频率时,其扫描时间还是比较短,与Riegl的基于时间-飞行差的激光扫描仪LMS-Z系列(最大激光发射频率:> 27,000赫兹)处于一个量级,但是,仍然远比Riegl的VZ-400要慢(最大激光发射频率:300,000赫兹,时间:< 2分)。 
e. 太阳光和室外光线对扫描点数和精度影响:大。不适宜在阳光和晴天下室外进行大于20米的测距工作。 
f. 植被覆盖区域:不能够应用。 
g. 使用范围局限:在扫描对象具有多重目标的情况(如网状、篱笆、树木后的房子,设备)下不能使用。 

问题四:目前哪些行业应用三维激光扫描仪比较成熟?都使用哪些种类? 
通常,基于相位差的三维激光扫描仪多用于室内的应用:如数字工厂(石油、天然气、化工、汽车、重工业、等工厂,轮船、飞机)的生成,交通事故和犯罪现场重建、铁路轨道扫描和最近应用的隧道扫描。这些应用的特点:近距离,高点云密度,厘米 --- 分米精度。 

基于脉冲扫描式三维激光扫描仪应用范围广,除了能够在上述的室内等应用中使用,还能够在室外的环境中使用,基本不受限制。如 
室外应用:地形地貌测量、矿山开采、土木工程、水利、水电、公路、铁路、电站、建筑等工程、滑坡监测、泥石流监测、河水和海水对港口码头和堤坝的侵蚀变化、隧道施工过程扫描(超、欠挖等),桥梁和隧道的变形监测,文化遗产数字化建档和分析、三维建筑物模型生成等。 

至于说到要使用哪种类型或型号的激光扫描仪,应该根据具体的要求,选择不同的激光扫描仪。没有一款激光扫描仪能够满足所有的要求。 

问题五:生产基于时间-飞行差的三维激光扫描仪厂家都有哪些厂家? 
徕卡Leica:通过收购美国的Cyra公司,http://www.leica-geosystems.com/hds/en/lgs_5210.htm。 
Optech:位于加拿大的多伦多市,www.optech.on.ca。 
天宝Trimble:通过收购法国的MENSI公司,www.mensi.com。 
I-SiTE:澳大利亚的公司,专门生产应用于矿山的三维激光扫描仪,www.isite.com。 
Riegl:位于奥地利的维也纳市附近,是规模最大的二维和三维激光扫描仪生产厂家(1991年开始生产激光测距仪),www.riegl.com。 

问题六:生产基于相位差的三维激光扫描仪厂家都有哪些厂家? 
Z & F:德国,最早的生产基于相位差的三维激光扫描仪厂家(1993年),www.zf-laser.com。 
Faro:通过收购德国的IQvolution公司,www.faro.com。 
Callidus: 德国,www.callidus.de。 
徕卡Leica:通过合同,让Z & F 公司为其OEM生产,贴徕卡的牌子。 

问题七:脉冲激光的发射频率是什么? 
脉冲激光的发射频率即PRR(Pulse Repetition Rate)脉冲重复频率。它表达的是激光器每秒中所发射的脉冲激光的个数,即赫兹。由于激光是受激发射的光,所以,PRR不是一个恒量,有一个变化的幅度。如我们说:激光脉冲发射频率是5,000赫兹,也就是它可能有时发射4,950赫兹,有时发射5,010赫兹。 
通常,车载的激光扫描仪和机载的激光扫描仪用的是二维激光扫描仪,有时,车载系统也用三维激光扫描仪。不论是二维还是三维激光扫描仪,都是对一维激光扫描仪(或称测距仪)通过马达转动和/或棱镜的运动而制作的。 
激光脉冲的发射频率越高,在单位时间内所发射的激光点云的数量越多。 
一般来讲,为了达到最高的精度,在扫描时,我们要选择设备的最高的激光发射频率和最小的递增角度,使得扫描的激光点云密度达到设备的最大值。 
对于不同厂家的设备,其激光脉冲的发射频率PRR不同。从天宝、Optech、徕卡(ScanStation 1)、i-site的2,000 –5,000赫兹到Riegl的LMSZ-Z系列的27,000赫兹。一般来讲,激光脉冲的发射频率越高,激光扫描的角度递增越小,它在完成一个全景(360度水平)最高精度扫描所需要的时间越短,即扫描速度越快。因此我们在选择激光扫描仪时,要挑选PRR高的参数,以提高工作效率。同时,也要选择角度分辨率高的参数。 
因此,有些厂家也将PRR称为激光扫描速度,如徕卡公司。 
Riegl的LMS-Z系列的三维激光扫描仪的激光脉冲的发射频率均为> 27,000赫兹,它在完成一个全景(360度水平)的最高精度扫描所需的时间小于10分钟。而天宝的GS系列,它在完成一个全景(360度水平)的最高精度扫描所需的时间大于80分钟。 
Riegl的最新型VZ-400(PRR=300,000赫兹),完成一个全景(360度水平)的最高精度扫描所需的时间小于2分钟。 
另一方面,三维激光扫描仪的脉冲发射频率和精度是有多重的选择档。因此选择的发射频率和精度(即角分辨率)越低,完成一个全景(360度水平)扫描所需要的时间越短。最低精度的全景扫描往往只需要几十秒钟。 

问题八:激光扫描速度Scan Rate是什么? 
有些厂家,如徕卡,常常给出激光扫描速度:如激光扫描速度5,000点/秒(ScanStation1)或50,000点/秒(ScanStation 2)。它实际上是发自激光器的单位时间的激光点数,PRR即激光重复发射频率。 
从物理上讲,这种定义是不对的,激光扫描速度应该指的是单位时间内激光所扫描的长度值 
但是,习惯成自然,我们也不能要求徕卡公司改变他的习惯,权当如此。 

问题九:如何鉴定设备的激光发射频率或激光扫描速度? 
由于到目前为止,也没有一个官方的组织和检校机构来对激光扫描仪进行质量鉴定,因此有关激光扫描仪的发射频率、最大测量距离、测量精度也没有一个统一的评判标准,只能靠各个厂家和用户自己来裁定。 
实际上,即使激光扫描仪发射了5,000点/秒,激光扫描仪最多只能接受到1/3,其余的2/3都被散射了。如果垂直方向的角度大于±40度,激光扫描仪在单位时间内所能够接受到的激光点的数量还要小于1/3,甚至小于1/5。 
因此Riegl公司就专门给出了一个参数:Maximum Measurement Rate 单位时间内能够接收(测量)到的最多激光点云数目。这是一个可以由用户自己来检查的参数。 
如:许多用户对比了徕卡公司的ScanStaion1和ScanStation2,发现其所有参数都一样,只有激光扫描速度由5,000点/秒提高到50,000点/秒,而且前后推出的时间不到一年。在使用时,也没有感觉到激光点云的密度有多大的增加。由于用户不能拆开激光扫描仪,即使有疑问,也束手无策。但是,我们可以选择一个扇墙,将垂直角度设定在±10度以内,水平扫描角度设为20度,扫描距离小于50米,然后对20秒时间内的扫描结果进行评判。如果接受到的激光点云数目远小于50,000点/秒的1/3(即17,000点/秒X 20秒=340,000点),那就说明你的质疑是对的。 

问题九:如何评价激光扫描的最大距离? 
每一款的激光扫描仪的最大扫描距离与光线的强弱、由此所引起的物体反射率的变化、垂直扫描角度的大小等相关。 
一般:徕卡、天宝、Optech等公司喜欢用发射率为90%的物体作为参考物体,而Riegl公司喜欢用发射率为80%的物体作为参考物体。我们知道,当光打到物体反射率越高的物体,所反射回来的光信号越多,强度越高,因此,激光扫描仪的射程也越远。 
但是,大多数的地面、建筑物的反射率为40%--50%,大多数的树木的反射率为30%--70%,煤和沥青路面在15%和25%之间,因此在实际应用中,我们要对设备的最大射程打折。 
对于不同公司的产品,因为他们所依据的基础反射率不同,打折幅度不同。 
以建筑物扫描为例,对于Riegl的扫描仪,打六折, 
Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z210ii :最大扫描距离(反射率为80%)600米 ;实际应用:建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用 360米 
Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z390i :最大扫描距离(反射率为80%)400米 ;实际应用:建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用240米 
Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z420i :最大扫描距离(反射率为80%)1,000米 ;实际应用:建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用600米 
Riegl三维激光扫描仪型号LMS-Z620 :最大扫描距离(反射率为80%)2,000米 ;实际应用:建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用1,200米 
Riegl三维激光扫描仪型号VZ -400 :最大扫描距离(反射率为80%)500米 ;实际应用:建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用300米 
Riegl三维激光扫描仪型号LPM-321 :最大扫描距离(反射率为80%)6,000米;实际应用:建筑物体或地形地貌扫描或矿山应用 3,600米 

对于地形地貌等应用,由于对于激光点的密度要求不很高, 使用Riegl扫描仪时,可以打8—9折。

对于Optech和徕卡的三维激光扫描仪,折要打得多些。根据用户的使用和我们的检验,Optech的ILRIS-3D标定的最大射程参数为1,200米到1,500米(多种配置),不论它如何标定,增强型与否,对于建筑物扫描和地形地貌为例,在实际应用中,它的最大射程大约在500米。 
对于徕卡的ScanStation1和ScanStation2,经过德国的汉堡大学的测试,在使用HDS黑/白发射片时(反射率>90%),最大射程为200米。在实际应用中,对于建筑物和地形地貌扫描,它的最大射程大约在120米。 
对于相位差激光扫描仪,标定最大测距79米时,在室内应用时,最大距离应该在40米以内;在室外应用时,阴天可在30米以内使用,晴天10米或不用。 

问题十:如何评价激光扫描的精度? 
基于相位差的三维激光扫描仪的精度因为受光线和扫描角度大的影响,会经常波动和变化。因此精度难以确定。它的位置扫描精度随厂家不同而不同,Z&F的精度较高,在25米以内,一般在5mm以内,Faro等其他厂家的要差些;在50米以内,即使是Z&F的精度一般也在10mm以上。基于相位差的三维激光扫描仪的精度重复性较差。 
基于时间-飞行差的三维激光扫描仪的精度测量重复性好,受光线影响小,但是如果垂直扫描角度较大时,由于激光点云的斑点形状变形(圆形的成为椭圆或畸形),也会使精度显著降低。 
Riegl公司和天宝习惯以100米的距离来标定其产品的测量精度,而其他厂家喜欢用50米的距离来标定,建议不要混淆了。 
另外,由于精度与所使用的标靶的反射率和形状以及垂直扫描角度密切相关,徕卡、Optech、天宝、Z&F、Faro等公司所给出的精度全是在最理想的标靶情况下得出的,因此,用户不可能指望他在使用中能够重复厂家所给出的精度,甚至相差很多。如徕卡的scanstation2,厂家给出的点位精度为±6mm,距离精度为±4mm (50米距离)。但是,在实际应用中,即使你使用徕卡推荐的标靶,在50米的距离,采用小的垂直扫描角度,你也达不到8mm的精度,请不要沮丧,因为他们使用的标靶是不一样的。 
但是,Riegl公司的测量精度往往给的“非常保守”。如LMS-Z420i,厂家给出的精度为±10mm(100米距离)。即使你对着一堵墙去扫描,你也会发现达到该精度毫不费力。如果你访问Riegl的网站,其最新型的VZ-400,精度为±5 mm(100米距离)。但是,在使用该激光扫描仪对于建筑物的实际测量中,精度为±5 mm(受到树木遮挡的墙面区域,100米距离);而在没有受到树木遮挡的墙面,其单点距离的测量精度为<±1.8 mm (85米距离)。 
固定在一个位置,使用激光扫描仪多次扫描物体,能够显著提高激光扫描仪的测量精度。但是重复扫描次数大于5次后,精度不会再有提高。提高的幅度约为30%。汉堡大学对Riegl的LMS-Z420i进行测试比较,发现在使用标靶的情况下,在50米到200米的距离范围内,其扫描精度优于±5 mm,远远优于厂家自己公布的参数。而Faro、天宝等的却与其公布的相差较大。与徕卡和Z&F所公布的精度基本符合,但是全是其多次重复扫描的精度,并且是使用特殊的优质球型标靶。 
另外,基于相位差的三维扫描仪厂家所公布的精度,全是在其使用100,000点/秒以上的发射频率(测量一个全景需要许多个小时)时所获取的,我们前面讲过,在目前,谁也不会在实际应用中使用那么高的频率,因此,仅有借鉴作用。 




[本日志由forclever于2009-6-8 15:55:36编辑]
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