三維激光掃描儀在奧運(yùn)鳥(niǎo)巢中的應(yīng)用

■史俊莉 ■河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000

三維激光掃描是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)。是一種非接觸主動(dòng)測(cè)量的方式，能夠快速獲取物體表面采樣點(diǎn)三維空間坐標(biāo)，并能夠構(gòu)建三維立體模型。在建筑物測(cè)量領(lǐng)域，三維激光掃描測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，克服了傳統(tǒng)建筑測(cè)量的局限性，并解決了特殊建筑物無(wú)法量測(cè)的難題。它具有快速、無(wú)接觸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)。通過(guò)高速激光掃描測(cè)量方法，以點(diǎn)云形式獲取建筑物表面的陣列式幾何圖像數(shù)據(jù)，為建筑物的施工放樣、變形監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持，特別是高層建筑和大型建筑工程激光掃描技術(shù)是繼GPS技術(shù)又一個(gè)高科技全新的技術(shù)手段。

1 三維激光掃描技術(shù)

1.1 三維激光掃描技術(shù)的概念

三維激光掃描技術(shù)又被稱(chēng)為實(shí)景復(fù)制技術(shù)，是二十世紀(jì)九十年代開(kāi)始出現(xiàn)的一種新技術(shù)，三維激光掃描技術(shù)它通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，大面積高分辨率地快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)?？梢钥焖佟⒋罅康牟杉臻g點(diǎn)位信息，從而構(gòu)建物體的三維立體模型，它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。是一項(xiàng)由點(diǎn)測(cè)量過(guò)渡到面測(cè)量的技術(shù)革命。

三維激光掃描技術(shù)近年來(lái)由于它高效率，高精度，易操作等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測(cè)、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域。

1.2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描儀的構(gòu)造主要包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也有集成CCD和控制系統(tǒng)以及校正系統(tǒng)，通過(guò)兩個(gè)同步反射鏡快速而有序的旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，測(cè)量激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物體表面再返回一起所經(jīng)過(guò)的時(shí)間(或相位差)來(lái)計(jì)算距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，通過(guò)測(cè)量得到的水平角、垂直角、距離之計(jì)算基光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)(x、y、z)，部分儀器具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)，可以直接獲得目標(biāo)物的影像，得到掃描點(diǎn)的顏色信息。反射強(qiáng)度、顏色信息可用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)后續(xù)處理，提取實(shí)體邊緣位置信息和真彩色紋理信息。三維激光掃描儀根據(jù)測(cè)距原理可分為脈沖式、相位式。

1.3 三維激光測(cè)距儀較其他測(cè)繪儀器的優(yōu)點(diǎn)

(1)無(wú)接觸式測(cè)量。三維激光掃描儀是一種無(wú)接觸的測(cè)量方法，古文體，高層建筑、工廠管道，隧道，地形等復(fù)雜的領(lǐng)域無(wú)法測(cè)量已經(jīng)成為過(guò)去式。

(2)高效率。在以往的測(cè)量中，用的最多的儀器要數(shù)全站儀和GPS，測(cè)出一個(gè)點(diǎn)的位置信息大約在2－5秒，三維激光測(cè)距儀在誕生最初可以達(dá)到每秒1000點(diǎn)的測(cè)量速度，采用360度全景掃描。脈沖式掃描儀最大速度可達(dá)到每秒50000點(diǎn)，相位事可達(dá)到每秒120萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，這種密集式高效率測(cè)點(diǎn)位的方式是以往任何儀器都無(wú)法達(dá)到的。

(3)高精度。用三維激光掃描儀進(jìn)行定位，精度可達(dá)到毫米級(jí)精度，這對(duì)服務(wù)于精密工程精度也是足夠的。如萊卡的Scanstation2三維激光掃描儀，測(cè)量精度為單點(diǎn)4mm，模型1mm，測(cè)距范圍在300m，采樣率為50000點(diǎn)/s。

(4)三維立體實(shí)景模型。三維激光掃描儀在根據(jù)角度和距離求出被測(cè)物體的三維坐標(biāo)后，又利用內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)獲得目標(biāo)物的影像和顏色信息，通過(guò)坐標(biāo)和影像信息可在后期構(gòu)建被測(cè)物體的三維立體實(shí)景模型，傳統(tǒng)的測(cè)量概念里，所測(cè)的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果，例如CAD圖，在逐步數(shù)字化的今天，三維取代二維已經(jīng)是一種趨勢(shì)，三維激光掃描儀是在此種趨勢(shì)中誕生出來(lái)的新技術(shù)。

2 三維掃描儀在鳥(niǎo)巢的應(yīng)用

2.1 工程背景

2005年10月28日，“鳥(niǎo)巢”開(kāi)始吊裝第一根鋼柱，對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)及裝備的生產(chǎn)和安裝，怎樣使鋼結(jié)構(gòu)組件準(zhǔn)確的進(jìn)行吊裝定位焊接是個(gè)難題，對(duì)于鳥(niǎo)巢的鋼結(jié)構(gòu)更是如此，它的鋼結(jié)構(gòu)組件狀如樹(shù)枝，每個(gè)組件的焊口少則五六個(gè)，多則十幾個(gè)甚至幾十個(gè)，而且每個(gè)組件的重量輕則數(shù)噸，重則幾十噸甚至上百?lài)?。如果按常?guī)方法，應(yīng)在臺(tái)架上按設(shè)計(jì)要求的姿態(tài)焊接組裝，再吊起組件與空中鋼結(jié)構(gòu)體焊接成型。這就存在一個(gè)問(wèn)題，即已經(jīng)吊裝焊接成型的鋼結(jié)構(gòu)體會(huì)受光照、氣溫、風(fēng)向、重力及自身內(nèi)應(yīng)力等因素影響，使預(yù)留的空間位置產(chǎn)生變化，且預(yù)留空間都分布在幾十米的高空，待觀測(cè)點(diǎn)截面又很小，用常規(guī)方法觀測(cè)難以滿(mǎn)足施工的要求，如果利用三維激光掃描儀這個(gè)問(wèn)題就迎刃而解了，三維激光掃描儀可以在設(shè)計(jì)前期完成現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集;在大部件加工完成后，進(jìn)行尺寸的掃描檢查;部件在運(yùn)往安裝現(xiàn)場(chǎng)前，可通過(guò)相關(guān)應(yīng)用軟件進(jìn)行部件間的虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)虛擬檢查，并可以直接放入安裝場(chǎng)景掃描模型中實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)場(chǎng)安裝。

2.2 利用三維激光掃描儀安裝鋼結(jié)構(gòu)

掃描之前首先布設(shè)高精度的控制點(diǎn)，三維激光掃描儀架在測(cè)站點(diǎn)上進(jìn)行360°×270°視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行密集式掃描。

(1)外業(yè)掃描。利用萊卡Scanstation2三維激光掃描儀進(jìn)行掃描鳥(niǎo)巢，得到鳥(niǎo)巢表面的云數(shù)據(jù)，遇到結(jié)構(gòu)復(fù)雜或有遮擋時(shí)，應(yīng)該加密掃描或多站掃描。三維激光掃描儀對(duì)鳥(niǎo)巢的掃描影像如下圖1所示。

圖1

(2)數(shù)據(jù)處理:①地物提取。在最初獲得的數(shù)據(jù)中包含地形數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)以及其他地物數(shù)據(jù)。這時(shí)就需要將目標(biāo)建筑物的數(shù)據(jù)從眾多數(shù)據(jù)中提取出來(lái)，為后面的數(shù)據(jù)處理提供依據(jù);②去噪濾波。三維激光掃描儀和目標(biāo)建筑物之間可能存在著行人、樹(shù)木、車(chē)輛等，通過(guò)掃描后會(huì)形成亂點(diǎn)獲空洞等噪聲，去噪濾波就是除去測(cè)量噪聲。

(3)建立三維模型。利用三角網(wǎng)模型獲NURBS曲面建模方法進(jìn)行建模，由于采集的點(diǎn)位雖然密集，但任然是離散型的點(diǎn)位，需建立模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，使離散的點(diǎn)擬合成為連續(xù)的曲線，從而建立三維立體模型。

3 小結(jié)

三維激光掃描測(cè)量技術(shù)克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性，采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式直接獲取高精度三維數(shù)據(jù)，能夠?qū)θ我馕矬w進(jìn)行掃描，且沒(méi)有白天和黑夜的限制，快速將現(xiàn)實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)。它具有掃描速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)、全數(shù)字特征等特點(diǎn)，可以極大地降低成本，節(jié)約時(shí)間，而且使用方便。在城市及建筑測(cè)量領(lǐng)域，三維激光掃描儀不但可以完成建筑結(jié)構(gòu)的測(cè)繪，得到三維建筑模型，并可以實(shí)現(xiàn)建筑施工質(zhì)量監(jiān)測(cè)。通過(guò)三維激光掃描儀對(duì)建筑掃描形成的點(diǎn)云可以幫助我們完成立面圖繪制(平、立、剖)、三維模型構(gòu)件、基本尺寸量算等結(jié)果。并可以在新建建筑驗(yàn)收時(shí)，對(duì)建筑物掃描得到精確詳實(shí)的三維模型，從而通過(guò)計(jì)算或比對(duì)完成施工質(zhì)量檢測(cè)，讓傳統(tǒng)的特征點(diǎn)質(zhì)量檢測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)檎w檢測(cè)。