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(kāi)始出現的一項高新

技術(shù)，是繼 GPS 空間定位系統之后又一項測繪技術(shù)新突破。它通過(guò)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?？梢钥焖?、大量的采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立物體的三維數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(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性，高密度、***，數字化、自動(dòng)化等特性，其應用推廣會(huì )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(lái)出現的新技術(shù)，在國內越來(lái)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(guò)記錄被測物體表面大量的密集的點(diǎn)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(xiàn)、面、體等各種圖件數據。由于三維激光掃描系統可以密集地大量獲取目標對象的數點(diǎn)，因此相對于傳統的單點(diǎn)測量，三維激光掃描技術(shù)也被稱(chēng)為從單點(diǎn)測量進(jìn)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、規劃、土木工程、工廠(chǎng)改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律*****、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領(lǐng)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(chǎn)廠(chǎng)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(jìn)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(diǎn)滿(mǎn)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(shí)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(chǎng)已有 300 家以上測繪企業(yè)使用 GLS-2000 型三維激光掃描儀進(jìn)行三維掃描工作，GLS-2000 在 3D 領(lǐng)域中的***已得到了***用戶(hù)的***認可。

二、 GLS-2000  型三維激光掃描儀硬件特點(diǎn)

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固件進(jìn)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(mǎn)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，可根據不同現場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行多類(lèi)型掃描工作，150 米處平均 3.5mm 測距精度滿(mǎn)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(diǎn)云質(zhì)量、精度上均優(yōu)于對手，實(shí)現了將三維掃描走向***的過(guò)程。

3.  全視場(chǎng)掃描能力，可實(shí)現  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(shí)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(wàn)像素） 長(cháng)焦相機（ 500  萬(wàn)像素）GLS-2000 三維激光掃描儀內置兩臺 500 百萬(wàn)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(cháng)焦相機拍攝細節特征，為您提供更詳細的紋理信息。

6.  一鍵式數據采集功能，*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(shí)現單人一鍵式采集工作，******自動(dòng)量測儀器高功能，測***可達3mm，避免因量高誤差產(chǎn)生數據拼接高程誤差；主機控制面板界面簡(jiǎn)單明了，觸摸屏掃描功能可在一分鐘內學(xué)會(huì )并掌握，無(wú)需作業(yè)人員具備相應技術(shù)基礎。

P001

1.457

三、 GLS-2000  型三維激光掃描儀技術(shù)特點(diǎn)

1.  全站儀導線(xiàn)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導線(xiàn)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(guò)程中通過(guò)測站后視法對后視棱鏡/標靶進(jìn)行觀(guān)測，GLS-2000 將自動(dòng)對棱鏡/標靶板進(jìn)行掃描照準，從而實(shí)現***定向，簡(jiǎn)化后期數據拼接過(guò)程，實(shí)現進(jìn)準數據合成；

2.  改進(jìn)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(wèn)題，對于傳統三維激光掃描儀工作復雜地區（諸如煤礦、化工廠(chǎng)），***提升成果點(diǎn)云質(zhì)量，為用戶(hù)后期數據應用提供更為準確的數據保障！

去噪技術(shù)，有效解決針對低反射率物體噪聲明顯的問(wèn)題，對于傳統三維激光掃描儀工作復雜地區（諸如煤礦、化工廠(chǎng)），***提升成果點(diǎn)云質(zhì)量，為用戶(hù)后期數據應用提供更為準確的數據保障！

3.  業(yè)內范圍液態(tài)雙軸補償器，提供±6′自動(dòng)補償范圍，***照準自動(dòng)補償范圍，***照準 4 ″精度，保證數據精度滿(mǎn)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(shù)木遮擋產(chǎn)生的點(diǎn)云噪聲；***次回波信號，有效減少因柵欄、樹(shù)木遮擋產(chǎn)生的點(diǎn)云噪聲；

四、 GLS-2000  型三維激光掃描儀參數列表

型號 拓普康  GLS-2000

掃描方式  脈沖式（時(shí)間飛行法）

相機分辨率（像素）  雙相機（長(cháng)焦/廣角），500 萬(wàn)像素

單點(diǎn)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(diǎn)/秒)  120,000

激光等級  1M/3R

掃描視場(chǎng)角

水平  360°

垂直  270°

靶標捕捉  2~200m/3″@50m

波長(cháng)  1064nm/635nm

激光對中  有，自動(dòng)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(shí)長(cháng)(h)  大于 2.5 小時(shí)

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，可執行 BIM 一體化設計。

通過(guò)使用拓普康 ScanMaster 軟件將所掃描的舊式建筑進(jìn)行快速后期

處理，獲得真彩色***三維激光點(diǎn)云數據；接下來(lái)將數據無(wú)縫鏈接

進(jìn)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(jìn)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(guān)的可視化信息，同時(shí)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

后期規劃、施工提供強有力的信息保障。

針對原始建筑物進(jìn)行快速三維掃描，掃描方式如下：

使用 Topcon ScanMaster 數據后處理軟件進(jìn)行數據自動(dòng)拼接，影像渲

染，點(diǎn)云數據輸出等工作：

將點(diǎn)云數據直接導入至 Autodesk Revit 三維設計軟件中：

提取感興趣點(diǎn)、線(xiàn)、面，進(jìn)行二維矢量化工作，并構建三維數字模型；

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

的陽(yáng)光房設計圖；

使用三維激光點(diǎn)云數據與翻新設計模型進(jìn)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(guān)信息數據作為模型的基礎，進(jìn)行建筑模型的建立，通過(guò)數字

信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)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(diǎn)。在 BIM 的設計與施工過(guò)程中，三

維激光掃描儀可成為快速數據獲取的有效手段，通過(guò)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(hù)提供***的三維數字化應用方向，同時(shí)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(lǐng)域靠近，

目前上海市已經(jīng)出臺了《上海推進(jìn) BIM 技術(shù)應用指導意見(jiàn)》，為促進(jìn)

這一市場(chǎng)發(fā)展提供了***政策支持。 

案例 2—— 文物保護數字化信息留存

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(lèi)文明的載體。隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，古建筑的

價(jià)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(jìn)行保護與利用。

保護與利用的過(guò)程需要對古建筑進(jìn)行維護、整理與修復，同時(shí)也需要保護或恢復歷

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

較完備的科學(xué)記錄檔案，為古建筑的規劃保護和修復提供***手資料，同時(shí)也是研

究古建筑史和建筑理論的重要資料。

二、 現狀與問(wèn)題

2.1 現狀分析

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

國傳統的古建筑測繪方法一般為人工實(shí)量法。由于這一方法費時(shí)費工、效率不高，

難以保證觀(guān)測結果的精度，而且成本高也不安全，人們越來(lái)越體會(huì )到使用這一方法

的不便性。近年來(lái)隨著(zhù)空間定位技術(shù)、計算機技術(shù)和地理信息系統的應用，古建筑

測繪技術(shù)已進(jìn)入數字化時(shí)代，已發(fā)展成為以 3S 集成為特征的新技術(shù)應用。

2.2 存在問(wèn)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(lái)源及產(chǎn)生的

原因，以便采取相應的措施。古建筑測繪中存在的問(wèn)題主要有：

1.  建筑物現狀問(wèn)題：由于長(cháng)期承受荷載、基礎的不均勻沉降、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一，即各個(gè)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(wèn)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(gè)同類(lèi)構件進(jìn)行測量

和比較，找出其中量的數值作為這類(lèi)構件的統一尺寸；

2.  對結構沒(méi)有重大影響的變形及損壞應依照現狀測繪，以真實(shí)地表達古建筑的存在狀態(tài)，

保持其歷史感和時(shí)間感；

3.  次要尺寸服從主要尺寸,分尺寸服從于總尺寸,少數服從多數；

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

一尺寸。而不能以某一構件的某個(gè)尺寸數量***多，或某個(gè)構件保存得***完好，來(lái)決定統

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***空間信息數據獲取的手段與工具，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

上的應用提供了廣闊的應用空間。根據文物部門(mén)統計，我國目前被列入保護范圍的

古建筑有近 30 萬(wàn)處，古建筑的保護、搶救及修復的工作量非常大，而傳統的建筑測

繪和資料整理的方法和技術(shù)手段遠遠不能滿(mǎn)足古建筑保護的實(shí)際需要。而目前，使

用三維激光掃描儀進(jìn)行古建筑維護工作已初見(jiàn)成效。

三、 測量原理與方法

在古建筑研究的活動(dòng)中，用戶(hù)需要關(guān)于研究對象的完整性數據。三維激光掃描

技術(shù)是一項通過(guò)高密度的掃描點(diǎn)來(lái)記錄和表達被測古建筑形狀的技術(shù)，三維點(diǎn)云是

***原始的測量數據，被測建筑物的幾何空間信息都被包含其中。如何利用點(diǎn)云，如

何在點(diǎn)云的基礎上通過(guò)軟件來(lái)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***的應用方式和成果形式。從對點(diǎn)云的應用方式來(lái)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(xiàn)圖）和三維圖件形式（三

維高密度點(diǎn)云數據、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(jìn)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(gè)方面。

3.1 檔案記錄

使用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行古建筑建檔，主要是以記錄完整掃描的點(diǎn)云數據為

主。采用具有三維坐標和真實(shí)色彩信息的點(diǎn)云數據記錄建筑物，既能快速完成測量

任務(wù)，并確保多角度測站合并后無(wú)掃描死角，又能保證在測量時(shí)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采集等間隔的點(diǎn)，而且每個(gè)點(diǎn)具有

三維坐標、點(diǎn)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(guò)將這些記錄被測古建筑的點(diǎn)在同一窗口內顯示的方法來(lái)瀏覽和觀(guān)察被測古建筑的

外觀(guān)和內部特征。由于三維激光掃描儀采集數據快速，被測古建筑可在***的時(shí)間

間隔內被多次測量，方便用戶(hù)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(shí)時(shí)狀態(tài)。

3.3 虛擬三維重建

被測古建筑的點(diǎn)云集合可以看做是立體模型。點(diǎn)云模型可以構建三維數字模型，

以作虛擬現實(shí)和模擬修復等應用，亦可制成各類(lèi)工程圖、結構圖、切面圖等。自此

實(shí)現室內外空間***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(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構、藝術(shù)價(jià)值、營(yíng)造方法。

四、 古建筑測量實(shí)例 —— *故居

4.1 數據采集方案

經(jīng)過(guò)現場(chǎng)勘察分析，我們共布置了 3 個(gè)測站，并將測站和測站使用標靶連接點(diǎn)

方法進(jìn)行了拼接。測站、標靶分布如下圖所示：

圖 1 數據采集方案示意圖

掃描時(shí)，逐一在相應測站對相應的區域和標靶進(jìn)行了掃描。在測站一，進(jìn)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(jìn)行了掃描；在測站三，在故居的左側進(jìn)行了掃描。由于 GLS-

2000 內置了高清晰的彩色數碼相機，影像數據可在掃描時(shí)與點(diǎn)云數據同步取得。

4.2 掃描參數設置

統計各測站數據庫的大小與掃描參數如下表所示：

表 1 點(diǎn)云數據大小和掃描儀參數設置

測站名  掃描距離  掃描間隔  掃描用時(shí)

點(diǎn)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)測量根據上段所述 3 個(gè)測站按順序進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)測量方法進(jìn)行測試。連接點(diǎn)測量方法測量法簡(jiǎn)

單、***且易操作，適用于測量范圍在 350 米之內的區域。

外業(yè)測量過(guò)程中，待測對象和標靶是分開(kāi)進(jìn)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(diǎn)位。之后，在同一個(gè)測站位置上，我們

選定測量區域，***測量距離與間距，掃描儀即可自動(dòng)開(kāi)始掃描。在內業(yè)處理過(guò)程

中，將測站一、測站二及測站三的點(diǎn)云數據、圖像數據及連接點(diǎn)數據（標靶）輸入

到 ScanMaster 軟件下，并將不同測站下的相同連接點(diǎn)（標靶）一一對應，就可將點(diǎn)

云數據拼接到同一坐標系下了。

拼接完成后的點(diǎn)云效果如下圖：

圖 3 局部浮雕精細點(diǎn)云效果

圖 4 整體建筑點(diǎn)云效果

圖 5 局部建筑點(diǎn)云效果

4.4 建模流程

三維模型建立的流程一般由特征線(xiàn)提取和模型構建兩部分組成。

(1). 特征線(xiàn)提取

特征線(xiàn)提取可采用多種方法。如自動(dòng)提取剖面、等高線(xiàn)，根據點(diǎn)云自動(dòng)擬合線(xiàn)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(xiàn)結構圖，提取時(shí)采用了先繪制三維結構線(xiàn)，再統一投影到同一二維平面的方法，以保證結構線(xiàn)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(kāi)發(fā)的 ScanMaster軟件及 AutoDesk 公司的AutoCAD 軟件。

(2). 三維模型和虛擬現實(shí)的創(chuàng )建

基于線(xiàn)劃圖的三維模型創(chuàng )建方法的主要思想是由線(xiàn)成面。將 CAD 線(xiàn)劃圖導入

3DMax 軟件中?；邳c(diǎn)云每個(gè)方向構件的線(xiàn)劃圖間都具有準確的位置關(guān)系，將前后

左右上下六個(gè)立面圖一同導入后，可合成***建筑結構圖。

圖 11 整體線(xiàn)框圖

在這個(gè)***線(xiàn)框圖上，可根據建筑的結構，逐一搭建實(shí)體模型，比如 3DMax

里的基礎幾何模型 BOX，PLANE 等。

圖 12 在線(xiàn)框結構上搭建實(shí)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(shí)體模型基本結構

之后將基礎模型進(jìn)行紋理貼圖，并對整個(gè)場(chǎng)景的燈光進(jìn)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(wú)誤后。將整個(gè)場(chǎng)景導入三維虛

擬平臺，進(jìn)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）以求更好的表現效果。然后進(jìn)行 UI（用戶(hù)界面）設計，添加天氣系

統等，使虛擬現實(shí)場(chǎng)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實(shí)截屏

結束語(yǔ)

使用三維激光掃描儀比較常規測量?jì)x器對建筑物進(jìn)行測量與成圖工

作，它更具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強、精度高、主動(dòng)性強、全數字特

征等特點(diǎn)，可以***降***，節約時(shí)間，而且使用方便，能夠實(shí)

現與設計圖紙進(jìn)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***的應用。激光掃描技術(shù)在高大建筑

物數字高程模型的***的實(shí)時(shí)獲取方面已經(jīng)表現出強大的優(yōu)勢，成

為攝影測量與遙感技術(shù)的一個(gè)重要補充?，F在在大型建筑的變形監測

工程、環(huán)境檢測和城市建設方面等均有成功的應用實(shí)例。

拓普康體積測繪GLS-2000 三維激光掃描儀