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Z+F掃描儀

 

華測Z+F三維激光掃描

 

 

 

產品介紹

 

     Z+F IMAGER 5010C是由德國生產的相位式三維激光掃描儀,在世界上享有盛名,在國內由上海華測導航技術有限公司總代理銷售和技術服務。

2.1產品硬件

    Zoller + Fr?hlich公司于1963年成立于德國Wangen。早在上世紀九十年代Z+F公司就就開始了激光測量技術的研究,并于1988年11月被授予了授予魯道夫·埃貝勒獎。在九十年代初Z+F公司就研制了第一臺應用于鐵路和隧道的激光測量設備。在2012年研制出Z+F IMAGER 5010C產品并推向市場。

 

 

IMAGER 5010C是從最可靠的相位式技術發展而來的高端設備,最大的特點就是掃描速度快、操作簡單,這能極大的提高掃描效率。

 

2.2.1.1 技術參數

激光單元

激光安全等級

光束發散度

<0.3 毫弧度

光束直徑

 3.5 毫米(距 0.1 米時)

測程

187.3 米(明確區間)

最小測程

0.3 米

分辨率

0.1 毫米

數據獲取速率

≤ 1016 000 點/

線性誤差

≤1 毫米

50m 處的誤差范圍(均方根誤差)

反射率 14%時(黑色)

2.7 毫米

反射率 37%時(暗灰)

1.2 毫米

反射率 80%時(白色)

0.8 毫米

溫差引起的誤差

可忽略

發射單元

垂直系統

完全封閉式鏡面旋轉

水平系統

機械繞垂直軸旋轉

垂直視野范圍

320 

水平視野范圍

360 度

垂直分辨率

0.0004 度

水平分辨率

0.0002度

垂直精度

0.007 度RMS

水平精度

0.007 度RMS

掃描速度

50/秒(3000/分)

    

其他

雙軸補償器

分辨率

0.001 

測量范圍

+/-0.5 度

精度

<0.007 度

激光垂準儀

激光安全等級

2

垂準儀精度

0.5 毫米/1 米

激光點直徑

1.5 毫米(1.5 米處)

水平顯示

在顯示屏和 LRC 中配備電子水平儀

網絡連接

1GB以太網/ W-LAN

數據存儲

內置 64GB 閃存卡,2×外置 64GB USB 閃存驅動器

數據傳輸

以太網/USB2.0

綜合操作面板

觸摸屏操作,用于顯示3D激光掃描數據和彩色圖像的彩色顯示屏,具備測量和導航功能

通訊接口

2×USBLEMO 9 /7 芯連接器,連接 M-Cam 以及 GPS、里程表等外部傳感器

電源

輸入電壓

24V DC(掃描儀主機) | 100–240V AC (外接電源)

功率

平均<65W

工作時長

>3小時(內部電池)

環境條件

操作溫度

-10 攝氏度 ~ +45 攝氏度

存放溫度

-20 攝氏度 ~ +50 攝氏度

光線條件

在日光下或黑暗中均可操作

濕度

無冷凝

保護級別

IP53

尺寸和重量

掃描主機尺寸(W/D/H)、重量

170 毫米 x 286 毫米 x 395 毫米

9.8 公斤

電池尺寸(W/D/H)、重量

170 毫米 x 88 毫米 x 61 毫米

1.2 公斤

AC 機組尺寸(W/D/H)、重量

35 毫米 x67 毫米 x 167 毫米

0.54 公斤

 

 

2.2 產品軟件

2.2.1 LaserControl軟件

    Z+F LaserControl軟件是Z+F三維激光掃描儀的標準配套軟件。可用于掃描儀的操控。通過下載管理器,數據可以直接轉為電腦可識別的格式,用于后期應用。

Z+F LaserControl軟件中,濾波器能去除點云中的噪聲,進行數據標定前還需要將所有點轉化為常用投影下的坐標系,然后進行配準,采用最小二乘法進行標定,完成的數據可導出多種數據格式。

   

     除此之外,Z+F LaserControl軟件還能提供很多功能用于掃描數據的提取和選擇區域的分析,可以進行3D的量測,可以進行點云動畫的制作2.2.2 Pointshape軟件

    Pointshape軟件是一款專門處理3D點云數據的軟件。軟件可應用于點云數據處理、3D建模、逆向工程、3D對比分析及檢測等。

Pointshape有基于Microsoft Station平臺的模塊,在處理三維數據方便高效、流暢、快速;有基于AutoCAD平臺的模塊,對于習慣了AutoCAD做設計、作圖方面的人員更加容易上手。

  

  在文物保護領域,Pointshape軟件可應用于三維真實模型的建立,包括在不同視角進行點云切片,并能根據點元數據生成二維DLG成果。

    在BIM三維建模方面,基于Pointshape建立的三維模型可直接導入Autodesk RevitNavisworksBIM系統的軟件中,實現預拼裝或BIM模型的優化。

    在數字工廠行業,Pointshape軟件提供了多種結構部件快捷模型,并能方便地根據點云數據的成果自動擬合管道或多種構件。

在數字交通方面,Pointshape軟件可根據道路標識線、路階、防護欄等自動提取道路的邊線和中線。

2.1 點云預處理

    外業掃描的數據儲存在Z+F IMAGER5010C儀器的機身U盤中,使用3.0USB口將其拷貝到筆記本電腦中。打開Z+F廠家自帶的軟件LaserControl,將數據打開,第一步工作進行拼接,分別將兩站掃描數據中的標靶球進行標定,然后采用最小二乘法平差后,得到平均誤差精度在0.2mm的點云數據;第二步工作使用LaserControl軟件的上色功能將點云和圖像數據融合并上色,得到真彩色點云和8000萬像素影像數據。這兩步工作共花費時間約25分鐘。

     通過點云數據可以量測距離儀器27米遠的點云間距為8.7mm

 

 

 

 

2.2 生成立面圖

    生成立面圖工作有兩種方式,一種采用LaserControl軟件生成樓房立面的正射影像圖,得到具有真實尺寸的圖像數據,再將圖像導入CAD軟件中根據圖像描繪線框;兩一種方式將點云數據轉換為PCG格式,導入CAD軟件中,采用基于CAD平臺的插件PointShape軟件,將點云切片,得到樓房立面的點云數據,再采用自動加手工方式描繪線框圖。建立立面圖花費時間30分鐘。

樓房立面正射影像

樓房立面線畫圖

 

 

相關案例

    德國Z+F IMAGER 5010C三維激光掃描儀由于其精度高、速度快、操作便捷等特點可方便應用于隧道工程、鋼結構工程、古建筑保護、BIM三維建模、橋梁檢測、礦井工程等多個行業,在此主要介紹在考古及文保的案例。

4.1 敦煌莫高窟古建筑保護

4.1.1 案例總覽

    案例名稱:敦煌莫高窟96號窟文物保護

    案例時間:20138月—12

    案例地點:甘肅敦煌莫高窟

    使用儀器:Z+F IMAGER 5010C

    人員配備:外業2人、內業1

    作業時間:外業8天、內業1

    使用軟件:LaserControlPointShape

    成果需求:點云數據存檔、三維模型建設數字化展館、DLG成果驗收

4.1.2 外業工作

    96號洞窟是莫高窟的標志性建筑——九層樓,樓高45米,是莫高窟最高的洞窟,依山崖而建,里邊供奉的是目前世界最大的窟內佛像,始建于初唐時期。

    由于受到2011年強降雨影響,導致九層樓崖體與建筑之間發生滲漏,加之局部古建筑結構因年久失修而發生位移、松動和腐朽,所以在20135月對其進行第六次修復工作。借此機會對整個外部結構和佛像整體進行三維掃描。

    本次三維掃描項目采用德國Z+F IMAGER 5010C設備,該掃描儀是相位式三維激光掃描儀,最高精度可達0.3mm,有效測量距離可達187米,內置相機可生成一站8000萬像素的高分辨率影像數據,角度分辨率水平達到0.0002°垂直0.0004°,所以對建筑物細枝末節的角落都不會錯過,對凹凸曲面也能完美反應出來。

    由于腳手架搭建繁密,在掃描時會遮擋很多文物表面,影響掃描的效果,所以按照方案設計,定期進行掃描。在腳手架拆除一部分掃描一次,一方面能保證掃描數據的完整,另一方面也不影響修繕工作的工期。從20138月—11月,基本每隔一個月對文物進行一次掃描,每次掃描投入技術人員三名,每次掃描時間約2天,大概40站數據。

工程階段

掃描內容

掃描時間

第一次(729日)

6789層,佛像頂部

2

第二次(828日)

45層,佛像肩部以上

2

第三次(1012日)

34層,佛像膝蓋以上

2

第四次(1121日)

12層,佛像腳部及地面層

2

內業階段(12月)

佛像、九層樓建筑建模

30

    測量人員事先在一些位置擺設標靶球以及貼標靶紙,便于兩站數據之間的拼接,然后使用Z+F 5010C設備進行三維掃描,掃描完的數據直接存儲于掃描儀專用的USB內存中,之后再將數據拷貝出來即可。

4.1.3 內業處理及成果

    原始數據采用Z+F LaserControl軟件對數據進行拼接,拼接時可采用標靶球和標靶紙同時拼接,采用最小二乘法,近200測站數據最后拼接精度達到2cm

    采用基于CAD平臺的PointShape軟件,可直接快速導入點云數據,對點云進行切片,可描畫二維線畫圖。

     PointShape軟件也可對建筑結構進行建模。由于九層樓的結構非常復雜,木結構特別多,所以可以采用軟件的切片功能對局部進行精細化建模再合并。

    整個建模過程周期約一個月。

    基于掃描儀的三維點云數據,利用Geomagic軟件對佛像進行三維建模,分別需要進行抽稀、去噪、刪除孤點、統一采樣、封裝、補洞、合并等步驟,最后生成三維模型。

 

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