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?、大量的采集空間點位信息，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(yīng)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(fù)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(zāi)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(yīng)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(xué)會并掌握，無需作業(yè)人員具備相應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(yīng)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(fù)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(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用指導(dǎo)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(fù)，同時也需要保護或恢復(fù)歷

史街區(qū)的空間格局與尺度。重大歷史建筑在修復(fù)前都需要進行***的測量，以取得

較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑的規(guī)劃保護和修復(fù)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)服從于原始構(gòu)件。應(yīng)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(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)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(fù)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(yīng)用方式和成果形式。從對點云的應(yīng)用方式來看，可分為檔案記

錄型應(yīng)用、尺寸量測型應(yīng)用、三維可視化型應(yīng)用和逆向重建應(yīng)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(fù)等應(yīng)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(yīng)測站對相應(yīng)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(dǎo)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(yīng)，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(dǎo)入

3DMax 軟件中。基于點云每個方向構(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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用實例。

拓普康體積測繪GLS-2000 三維激光掃描儀