三維激光掃描在測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀

馬素文

三維激光掃描在測(cè)量中的應(yīng)用現(xiàn)狀

馬素文

簡(jiǎn)要介紹了三維激光掃描系統(tǒng)的研究背景和分類,著重闡述了三維激光掃描系統(tǒng)在逆向工程、歷史古建筑的保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)、減災(zāi)等方面的應(yīng)用,指出三維激光掃描的普及應(yīng)用將給測(cè)繪學(xué)科帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

三維激光掃描,逆向工程,變形監(jiān)測(cè)

從某種意義上來說,沒有測(cè)量就沒有科研,就沒有現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展。隨著科技的發(fā)展、信息技術(shù)的進(jìn)步及精密工程技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了很多新的測(cè)量技術(shù)。激光測(cè)量技術(shù)就是時(shí)代的產(chǎn)物,激光測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)使得很多不能測(cè)量的領(lǐng)域成為可能,促進(jìn)測(cè)量的發(fā)展,有人稱三維激光掃描技術(shù)是繼GPS(Global Position System)技術(shù)以來在測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的研究背景

1960年,美國科學(xué)家們?cè)谀Y(jié)各種基本理論和經(jīng)驗(yàn)上,發(fā)明了世界上第一臺(tái)激光器。此后,世界各國均重視對(duì)激光領(lǐng)域的開發(fā)研究,從而使激光研究領(lǐng)域得到蓬勃而快速的發(fā)展。由于激光的特殊性,它具有方向性、單色性、高亮度、相干性,這些特性使得它和傳統(tǒng)的光源有著很大的區(qū)別,在很多領(lǐng)域有著自己特殊的應(yīng)用。利用激光的方向性可以作為方向基準(zhǔn);利用激光的單色性和干涉性可以進(jìn)行干涉測(cè)量;利用激光高亮度的特性可以用于醫(yī)療等,激光的這些屬性在測(cè)量中有很大的應(yīng)用。

隨著時(shí)代的發(fā)展,半導(dǎo)體和微電子取得突破,使得超大規(guī)模集成電路和數(shù)字傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。先進(jìn)的電子設(shè)備同樣應(yīng)用在測(cè)繪中,測(cè)繪新技術(shù)、新設(shè)備不斷涌現(xiàn)。三維激光掃描技術(shù)集光、機(jī)、電等各種技術(shù)于一身,它是從傳統(tǒng)測(cè)繪計(jì)量技術(shù)經(jīng)過精密的傳感工藝整合及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來的,是對(duì)多種傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)的概括及一體化。近年來,三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,為人們獲取豐富的局部地面空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)作為一項(xiàng)全新的空間數(shù)據(jù)獲取技術(shù),發(fā)達(dá)國家已成熟地應(yīng)用于機(jī)載激光測(cè)高和城市三維建模方面。三維激光掃描系統(tǒng)是一種非接觸式主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),可進(jìn)行大面積高密度空間三維數(shù)據(jù)的采集,具有點(diǎn)位測(cè)量精度高、采集空間點(diǎn)的密度大、速度快,且其融合了激光反射強(qiáng)度和物體色彩等信息的三維激光影像數(shù)據(jù),為測(cè)量目標(biāo)的識(shí)別分析提供了進(jìn)一步的研究內(nèi)容。地面三維激光掃描儀使測(cè)繪從傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)變?yōu)槊芗?、連續(xù)的自動(dòng)獲取數(shù)據(jù),大大地增加了信息量,提高了工作效率,且拓寬了測(cè)繪技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 三維激光掃描系統(tǒng)的分類

1)根據(jù)激光的掃描平臺(tái)的不同,可分為：機(jī)載(或星載)激光掃描系統(tǒng);地面型激光掃描系統(tǒng);便攜式激光掃描系統(tǒng)。2)根據(jù)掃描系統(tǒng)的測(cè)量原理的不同,可分為：基于時(shí)間調(diào)制法測(cè)量方法;基于空間調(diào)制法測(cè)量方法。

3 三維激光掃描應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 基于逆向工程的應(yīng)用

20世紀(jì) 90年代以來,隨著激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的時(shí)間和產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度提出了越來越高的要求,因此迫切需要新的設(shè)計(jì)制造技術(shù)來滿足市場(chǎng)需求。同時(shí)在許多特殊領(lǐng)域,如仿形加工、模具快速制造、三維服裝設(shè)計(jì)、玩具設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫、藝術(shù)品制作、動(dòng)植物模擬、人體器官復(fù)制、地形測(cè)量與數(shù)字化再現(xiàn)等,利用普通的造型手段往往難以很好地解決問題,因而迫切需要造型方法、設(shè)計(jì)手段的豐富和發(fā)展。于是,逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering,RE)憑借它的獨(dú)特魅力應(yīng)運(yùn)而生。逆向工程,可以簡(jiǎn)單地定義為“理解原始的設(shè)計(jì)意圖和機(jī)制”,隨著數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的迅猛發(fā)展,基于測(cè)量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象,因此,逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為 CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)的總稱。從流程上看,逆向工程流程與傳統(tǒng)造型流程正好相反。逆向工程通過實(shí)物模型產(chǎn)生其數(shù)字化模型,可以充分利用數(shù)字化的優(yōu)勢(shì),提高設(shè)計(jì)、制造、分析的質(zhì)量和效率,并適應(yīng)智能化、集成化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的信息存儲(chǔ)與交換。逆向工程技術(shù)作為快速原型制造技術(shù)的前端數(shù)據(jù)處理方法和產(chǎn)品再創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要手段,使原來以復(fù)制設(shè)計(jì)制造為主的快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototype Manufacture,RPM)獲得了再創(chuàng)新、再設(shè)計(jì)的能力,使逆向工程技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)(CAD/CAM)更緊密地結(jié)合起來。三者形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的閉環(huán)系統(tǒng),將有效提高產(chǎn)品的快速響應(yīng)能力,豐富幾何造型方法和產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段,其關(guān)鍵技術(shù)可用于其他許多領(lǐng)域,從而拓寬計(jì)算機(jī)輔助建模的應(yīng)用。逆向工程并不限于樣件復(fù)制,其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種智能化二維掃描識(shí)別重建系統(tǒng)。三維掃描識(shí)別系統(tǒng)不僅要獲得物體的基本數(shù)據(jù),而且要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理,建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型,允許對(duì)該模型的體積和面積等物理特性計(jì)算進(jìn)行分析、修改等等。通過對(duì)模型分析的結(jié)果重新設(shè)計(jì)模型,用于生產(chǎn)實(shí)踐。

3.2 其他方面應(yīng)用

3.2.1 歷史古建筑物的保存與恢復(fù)

在以前也是以攝影測(cè)量為主,但現(xiàn)在更愿意用激光掃描儀來完成。這樣做成的電子資料易于保存,能詳細(xì)了解表面,隨時(shí)方便地得到等值線、斷面、剖面等。當(dāng)建筑和文物遭到破壞后能及時(shí)而準(zhǔn)確地提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)(見圖 1)。

3.2.2 變形監(jiān)測(cè)

對(duì)于遠(yuǎn)程地面激光掃描儀用于滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷等危險(xiǎn)和難以到達(dá)地方的變形監(jiān)測(cè)和方量計(jì)算,可有效監(jiān)控其變化范圍及量級(jí),應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)。中程地面激光掃描儀多用于大壩、船閘、橋梁等的變形測(cè)量(見圖 2)。

3.2.3 城市三維可視化模型的建立

在街道上對(duì)建筑物的內(nèi)外部進(jìn)行三維激光掃描,掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、剔除粗差、拼接和合并,運(yùn)用數(shù)據(jù)濾波和分類算法獲得地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)(必要時(shí)結(jié)合航片)。地面高程數(shù)據(jù)用于建立高精度的數(shù)字地面模型;地物數(shù)據(jù)經(jīng)提取和目標(biāo)識(shí)別處理,可實(shí)現(xiàn)城市三維模型的建立;也適用于 GIS數(shù)據(jù)庫更新、旅游向?qū)Ш吞摂M現(xiàn)實(shí)制作等。

3.2.4 復(fù)雜工業(yè)設(shè)施的測(cè)量

很多工廠管線林立,縱橫交錯(cuò),形狀各異,用攝影測(cè)量方法難以找到同名點(diǎn),效率低下,其他傳統(tǒng)的方法更是無能為力。而利用激光掃描儀進(jìn)行分段掃描,獲得在各站上復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),再將不同站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)預(yù)處理以及粗差剔除,利用公共點(diǎn)進(jìn)行拼接、合并和應(yīng)用相應(yīng)的軟件就可以生成這些復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的模型,為設(shè)備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型參考,極大提高了工作效率。

3.2.5 減災(zāi)應(yīng)用

很多時(shí)候在災(zāi)害發(fā)生后,為了記錄災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況和研究產(chǎn)生災(zāi)害的原因,需要通過掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù),在計(jì)算機(jī)中模擬現(xiàn)場(chǎng),查找災(zāi)害發(fā)生的原因。

4 展望

隨著科技的不斷發(fā)展,三維激光掃描儀的精度也越來越高,測(cè)距范圍也越來越大。三維激光掃描作為迅速發(fā)展的測(cè)量技術(shù),目前該技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用到高精度的工業(yè)測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域,它的普及應(yīng)用將大大降低生產(chǎn)成本和提高工作效率,充分發(fā)掘三維激光掃描的利用價(jià)值,將給測(cè)繪學(xué)科帶來新的發(fā)展機(jī)遇。

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App lication status of 3D laser scanner in them easurement

MA Su-wen

This article briefly introduces the research background and classification of 3D laser scanner,main ly expounds its app lication in respects ofReverse Engineering,historical architecture protection,deformation survey,and disaster alleviation,etc.,and then points out that the wide application of 3D laser scanner willbring new developmentopportunity for topography.

3D laser scanner,Reverse Engineering,deformation survey

TU198

A

1009-6825(2011)09-0207-02

2010-12-15

馬素文(1968-),男,助理工程師,華北石油局地球物理勘探公司,河南新鄉(xiāng) 453700