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品介紹三維激光掃描技術是上世紀九十年代中期開始出現(xiàn)的一項高新

技術，是繼 GPS 空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術新突破。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 一樣引起測量技術的又一次革命。三維激光掃描技術是近年來出現(xiàn)的新技術，在國內越來越引起研究領域的關注。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，三維激光掃描技術也被稱為從單點測量進化到面測量的革命性技術突破。該技術在文物古跡保護、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律*****、災害評估、船舶設計、數(shù)字城市、軍事分析等領域也有了很多的嘗試、應用和探索。作為******為***的測繪與視光設備生產廠家，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 激光掃描儀的基礎上，進行了多項重大技術革新。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學會并掌握，無需作業(yè)人員具備相應技術基礎。

P001

1.457

三、 GLS-2000  型三維激光掃描儀技術特點

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，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，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，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***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、樹木遮擋產生的點云噪聲；***次回波信號，有效減少因柵欄、樹木遮擋產生的點云噪聲；

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—— 建筑物翻新設計（BIM  一體化設計案例）

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

設計翻新提供準確，直觀的可視化信息，同時利用設計圖紙上的矢量

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 三維設計軟件中：

提取感興趣點、線、面，進行二維矢量化工作，并構建三維數(shù)字模型；

在 Autodesk Revit 軟件中進行三維可視化翻新設計，導入前期設計好

的陽光房設計圖；

使用三維激光點云數(shù)據(jù)與翻新設計模型進行效果顯示，分析；

總結：

建筑信息模型（Building Information Modeling）是以建筑工程項目的

各項相關信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎，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)調性，模

擬性，優(yōu)化性和可出圖性五大特點。在 BIM 的設計與施工過程中，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，城市建筑建設正逐漸向 BIM 工程領域靠近，

目前上海市已經(jīng)出臺了《上海推進 BIM 技術應用指導意見》，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、計算機技術和地理信息系統(tǒng)的應用，古建筑

測繪技術已進入數(shù)字化時代，已發(fā)展成為以 3S 集成為特征的新技術應用。

2.2 存在問題

為了減小測量誤差，提高測量結果的精度，需要了解誤差的主要來源及產生的

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、基礎的不均勻沉降、材質的不同還有外界自然因

素的影響等，構件發(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.  對結構有重大影響的變形及破壞應按照原有狀態(tài)測繪，選擇若干個同類構件進行測量

和比較，找出其中量的數(shù)值作為這類構件的統(tǒng)一尺寸；

2.  對結構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.  后換構件應服從于原始構件。應找出建筑物各個部分的原始構件加以測量。從而定出統(tǒng)

一尺寸。而不能以某一構件的某個尺寸數(shù)量***多，或某個構件保存得***完好，來決定統(tǒng)

一尺寸。

2.3 三維激光掃描技術在古建筑維護的發(fā)展與前景

三維激光掃描技術是自 20 世紀 90 年代起興起的***測量技術，它集成了多種

高新技術的***空間信息數(shù)據(jù)獲取的手段與工具，這一技術在國際上處于***水平，

而在國內尚處于起步階段。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，用戶需要關于研究對象的完整性數(shù)據(jù)。三維激光掃描

技術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，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

何在點云的基礎上通過軟件來提取空間信息，決定了三維激光掃描技術在古建筑保

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，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顯示的方法來瀏覽和觀察被測古建筑的

外觀和內部特征。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

間隔內被多次測量，方便用戶分析其變形情況，并在關鍵部位標注符號，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、結構圖、切面圖等。自此

實現(xiàn)室內外空間***模型的*一體化和模型建構的*可逆操作，有助于古建研

究以及其他***利用其在各自領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構、藝術價值、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，在故居的左側進行了掃描。由于 GLS-

2000 內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構圖，提取時采用了先繪制三維結構線，再統(tǒng)一投影到同一二維平面的方法，以保證結構線的平面精度。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。基于點云每個方向構件的線劃圖間都具有準確的位置關系，將前后

左右上下六個立面圖一同導入后，可合成***建筑結構圖。

圖 11 整體線框圖

在這個***線框圖上，可根據(jù)建筑的結構，逐一搭建實體模型，比如 3DMax

里的基礎幾何模型 BOX，PLANE 等。

圖 12 在線框結構上搭建實體模型

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 實體模型基本結構

之后將基礎模型進行紋理貼圖，并對整個場景的燈光進行設置。

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）設計，添加天氣系

統(tǒng)等，使虛擬現(xiàn)實場景具備漫游設置、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，能夠實

現(xiàn)與設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

描測量技術已經(jīng)在測繪領域有***的應用。激光掃描技術在高大建筑

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