打開三維激光掃描的藍海市場

阮曉東

隨著國內產品進入發(fā)展成熟期，三維激光掃描技術的推廣正在引起測量領域的又一次革命

三維激光掃描技術是一種新型的測量技術，它是基于激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器技術等多種技術集成的精密產品。這種技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。經(jīng)過了十多年的培育，目前三維激光掃描的市場正在迅速展開，特別是智慧城市、虛擬現(xiàn)實等概念的出現(xiàn)，讓該技術廣泛應用于文物保護、土木工程、工業(yè)測量、隧道驗收、數(shù)字城市建設等領域中。隨著國內產品進入發(fā)展成熟期，三維激光掃描技術的推廣正在引起測量領域的又一次革命。

不一樣的三維掃描考古

2015年到2016年間，中國考古界的一件大事是位于江西省南昌市新建區(qū)大塘坪鄉(xiāng)的西漢?；韬钅沟陌l(fā)掘。這座西漢大墓考古發(fā)掘是目前我國發(fā)現(xiàn)的面積最大、保存最好、內涵最豐富的漢代侯國聚落遺址，也是幾十年來秦漢考古中文物數(shù)量最多的一個，超過馬王堆漢墓。西漢?；韬钅沟恼麄€考古工作在科技手段上也是超一流的，并達到了前所未有的高度。有超過40余名頂尖考古專家參加了對南昌西漢大墓發(fā)掘工作，并認為西漢?；韬钅沟陌l(fā)掘“并不只是一個項目，而是一個工程，將作為里程碑式的工程”。

在這場規(guī)模浩大的文物發(fā)掘、保護和清理的過程中，有一項前沿技術應用頻繁，那就是三維激光掃描技術?？脊湃藛T在整個發(fā)掘中，采用三維技術掃描測繪和記錄，不但對墓地進行整體激光三維掃描，在主墓室尤其是回廊部分還采用逐層清理、逐層掃描方式，全程跟蹤發(fā)掘、記錄。另外在文物出土后，每件文物都進行了高精度三維激光掃描，以確保最真實地留存文物信息，并能快速制圖、快速分析。

可以說，今天的考古過程已經(jīng)通過多種技術手段實現(xiàn)了發(fā)掘現(xiàn)場全程數(shù)字化、影像化、科學化。特別是三維激光掃描技術，具有重要的作用。?；韬钅箍脊蓬I隊楊軍表示，“通過三維掃描，一兩個小時就能完成一件文物在提取之前的工作。最關鍵的是，取得了三維數(shù)據(jù)和成像后，相當于建立了一個文物檔案，有助于文物的修復工作和今后展覽展示的場景復原?！?/p>

此外，三維激光掃描技術還用于大范圍地考古調查。

比如在2016年1月，遼寧省文物考古研究所就運用機載激光掃描測繪技術對錦州市北鎮(zhèn)醫(yī)巫閭山遺址區(qū)進行考古調查，確認了醫(yī)巫閭山150平方公里的重大遼代遺址，發(fā)現(xiàn)了100多處人工遺跡疑似點。此次機載激光考古，是在三維GIS、虛擬現(xiàn)實和計算機技術的支持下，搭建三維可視化成果管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以按照時間疊加各種考古資料，進行遺址、墓葬等信息定位查詢、量算和分析，為遺址規(guī)劃考古發(fā)掘、遺址展示以及管理提供全可視化的三維考古平臺支持，并提供一個大遺址文物分布和保護情況展示平臺。

在談及三維掃描系統(tǒng)的應用時，重慶市文化遺產研究院的專家表示，他們運用三維掃描、數(shù)字建模等技術，獲取大量珍貴數(shù)據(jù)資源，對文物遺跡的測繪、存儲、研究起到重要促進作用。比如可以對器物進行掃描，如對忠縣花燈墳墓群出土烏楊闕陶俑的掃描；還可以對遺跡進行掃描，如對合川釣魚城、千佛巖摩崖造像、慈云寺遺址等10余處遺址的掃描。這種掃描方便了文物的數(shù)字復原、三維模型建構、三維動畫、數(shù)字資料交匯等工作，另外對遺址數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)字研究、規(guī)劃保護、虛擬修復、虛擬展示等工作的開展有重要意義。

也有研究所表示，他們正在，應用三維掃描、數(shù)字模型技術，對舊石器、漢代崖墓開鑿等人類行為痕跡進行微痕考古研究，實現(xiàn)在立體、動態(tài)、三維狀態(tài)對人類行為痕跡的觀察研究。

如今，應用三維掃描系統(tǒng)進行考古研究的研究機構越來越多。筆者統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，中國需要三維掃描系統(tǒng)的研究機構約有6000家左右，其中中國到目前有4000家博物館，每家博物館都需要三維掃描系統(tǒng)對文物進行系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)提取和成像；另外，每個省都有考古研究所，很多省會城市也建設有市級考古所，如鄭州、廣州、武漢等，中國共有考古所數(shù)量約300多家；另外各高校也是不可忽視的力量，如北大、山大、吉大、中大、武大和西北大學等近50多家高校也建設有自己的考古研究所和考古隊，這些研究機構需要的三維掃描儀也多達上千臺。

三維激光掃描助力智慧城市建設

隨著我國社會的不斷發(fā)展，城市將承載越來越多的人口，我國正處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時期，部分地區(qū)“城市病”問題日益嚴峻。為解決城市發(fā)展難題，實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，建設智慧城市已成為當今世界城市發(fā)展不可逆轉的歷史潮流。

2016年4月，發(fā)改委規(guī)劃司司長徐林表示，“十三五”時期內，將有針對性地組織100個城市大力推進新型智慧城市建設，開展智慧城市建設效果評價工作，分行業(yè)、分領域選取一批有代表性的智慧城市優(yōu)秀案例，以點帶面，促進城鎮(zhèn)化發(fā)展質量和水平全面提升。2016年是“十三五”的開局之年，是“十三五”規(guī)劃的政策落地年，智慧城市與發(fā)展正在駛入“快車道”。

智慧城市包括智能交通、智能醫(yī)療、智能家居等多個方面。而要實現(xiàn)智慧城市，首先是要形成城市的立體形態(tài)信息，即建立三維數(shù)字城市信息數(shù)據(jù)庫，將真實城市的關鍵物理信息（道路、房屋、橋梁等的位置、空間結構等信息）提取出來，通過數(shù)字化、模擬仿真等方式形成城市的三維地圖，并通過將管理信息（如房屋使用、人口、電力水力分布等信息）與城市三維立體圖像結合，實現(xiàn)對真實城市的智能管理。

三維激光掃描將以強大的技術來支撐智慧城市建設，目前已經(jīng)有三十多個城市利用三維激光掃描來建設數(shù)字城市三維模型，以全面實現(xiàn)城市三維空間信息的展示、管理、應用和共享。

比如昆明市委、市政府投資金額約2000萬元建立的昆明數(shù)字沙盤，就是通過采用三維激光掃描、遙感、地理信息系統(tǒng)、三維仿真等高新技術，在傳統(tǒng)的借助地形圖、影像圖、DEM、現(xiàn)場拍照采集紋理制作模型的基礎上，將激光點云數(shù)據(jù)應用于三維模型的高度校正，實現(xiàn)了人工與科技的結合，既保證了三維模型數(shù)據(jù)的精美度，同時也保證了模型數(shù)據(jù)的準確性。

這份三維模型建成了昆明市域內約600平方公里的城市現(xiàn)狀模型和115平方公里的規(guī)劃方案模型，成為國內最大面積的數(shù)字城市三維模型項目。城市現(xiàn)狀模型范圍涵括盤龍區(qū)、官渡區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)、空港區(qū)六個行政區(qū)的主要建成區(qū)域；三維模型種類包括建筑、地面、道路、水系、植被及相關市政設施六類要素模型的人工建模；根據(jù)使用情況及應用情況將三維模型分為精細模型、標準模型、簡單模型三種等級精度。通過數(shù)字沙盤“空間屏”與“信息屏”的雙屏聯(lián)動和同步展示，建立起一個可交互操作的實時虛擬現(xiàn)實環(huán)境，既能全面實現(xiàn)動態(tài)演示、實時更新、快速查詢等功能，又能最大限度地生動展現(xiàn)昆明城市建設和城市發(fā)展遠景。

據(jù)統(tǒng)計，全國已有30個省、自治區(qū)、直轄市的150多個城市開展了數(shù)字城市建設，其中80多個城市已經(jīng)建成三維模型，帶動各地基礎測繪投入約25億元。未來，中國每年還將有30至50個城市納入數(shù)字城市和智慧城市建設計劃，三維激光掃描設備和技術都面臨廣闊的發(fā)展空間。

三維激光掃描技術廣泛的應用領域

三維激光掃描技術突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，能夠高效率地提供被掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，獲取高精度、高分辨率的全息數(shù)字模型。隨著信息技術研究的不斷深入，以及智慧城市、虛擬現(xiàn)實等概念的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的測量方式已經(jīng)無法滿足當今的測繪需求。而擁有高速、高精度的三維激光掃描技術正在越來越多地應用到測量工作中。并在文物古跡保護、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、法律證據(jù)收集、災害評估、船舶設計、數(shù)字城市、軍事分析等領域有了越來越廣泛的運用。

如果三維激光掃描技術與無人機技術結合，可以建立數(shù)字化的三維實景模型。通過高空拍攝，三維激光掃描儀可在極短的時間內獲取各種復雜環(huán)境及結構的詳細三維坐標信息，大量的測量點形成數(shù)據(jù)點云，通過軟件對獲取的點云進行處理，并創(chuàng)建網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可以計算體積，創(chuàng)建剖面和橫截面，進行三維重構，目前這種技術已經(jīng)部分應用于地形勘測，特殊環(huán)境下三維測量，建筑測繪，礦山林場體積和面積測量， 隧道、涵洞及橋壩監(jiān)測等等。

再比如石油化工、氯堿化工工廠中的管線十分復雜，人工提取的難度較大，且工作量較大。 另外這些工廠的管線包含很多無法進行自動提取的異形結構，傳統(tǒng)的三維設計軟件很難在如此龐大的數(shù)據(jù)中快速的進行模型提取。應用三維激光掃描技術，則可以實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)中管道模型的快速提取。尤其在管線密布的區(qū)域，手工提取十分復雜的情況下，三維激光掃描的優(yōu)勢盡顯無疑。

三維激光掃描基于強大的識別算法，可自動識別 90%以上的管道數(shù)據(jù)并直接提取出管道模型。整個過程完全自動化，排除了人為控制的因素。2016年，包括重慶市特檢院組織管道檢驗研究中心等多家專業(yè)管道檢驗機構已經(jīng)購入三維激光掃描儀，以便為建立用戶壓力管道信息庫、實現(xiàn)工廠設備信息化管理系統(tǒng)提供第一手數(shù)據(jù)材料，提高定期檢驗效率。

最近，三維激光掃描技術在古建筑保護應用成為熱點。

比如寺廟是我國的藝術瑰寶庫，也是我國悠久歷史文化的象征。有效的進行資料存檔對于寺廟的維修、保護、文化傳承、都具有重要的意義。三維激光技術用于寺廟的數(shù)字化存檔，無論從精度、效率、成果等方面都遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)方法。目前這項技術在秦俑二號坑和樂山大佛這類國家重點文物保護工程項目中，都已有了成功的應用。蘇州科技學院引進了三維激光掃描儀對羅漢院雙塔及正殿遺跡、開元寺無梁殿進行了精準測繪，其局部精度甚至可以達到1毫米；而且信息采集快速，省時省工，數(shù)據(jù)保存又完善詳實。

故宮文化資產數(shù)字化應用研究所也在廣泛應用三維掃描、數(shù)碼攝影、三維建模等數(shù)字化手段，采集、加工、存儲古建筑和其他文物的數(shù)據(jù)，致力于建立故宮古建筑和文物的三維數(shù)據(jù)庫；利用虛擬現(xiàn)實技術及其他數(shù)字技術，立體再現(xiàn)文化遺產的原貌，更好地促進對于文化遺產的研究和展示。

還有上海河南路橋三維數(shù)字化保護也是非常成功的案例之一。河南路橋擁有100多年歷史，上海規(guī)劃中的軌交10號線要從河南路橋下河底穿過，所以該橋即將拆除重建。為了保留河南路橋的歷史風貌，相關公司應用三維激光掃描技術對該橋進行數(shù)字化存檔，準確記錄了橋墩、橋面胸墻、橋上花飾、雕刻等細節(jié)，并為施工方提供了三維數(shù)字化模型、工程圖紙等資料，確保重建后的“河南路橋”保留了昔日的風貌。

另外，三維掃描在礦山測量方面還可以對施工巷道、已廢棄采空區(qū)和巷道進行測量，并完成對礦房采礦和充填驗收。三維掃描儀在礦山的應用具有效率高、勞動強度低的優(yōu)點，是礦山技術發(fā)展的一個方向。它的使用可以大量減輕技術人員的體力勞動，從而可以使他們有更多的時間進行成礦規(guī)律、工程管理、做好礦山中長期規(guī)劃等工作。

國內產品即將進入發(fā)展成熟期

隨著工業(yè)智能化的推進，市場對工業(yè)三維掃描儀的掃描精度、速度、穩(wěn)定性以及抗干擾性等要求都會越來越高。目前國際上主要的設備生產商有Faro（法如）、Topcon（拓普康）、Optch（歐普泰克）、Leica（徠卡）、Riegl（瑞格）、Trimble（天寶）。

我國很多企業(yè)逐漸打破了國外產品在三維激光掃描領域的技術限制和封鎖。

深圳市華朗科技有限公司立足國際工業(yè)三維測量技術前沿，致力于工業(yè)產品三維數(shù)字化制造，研發(fā)并生產拍照式三維掃描儀、手持式三維激光掃描儀、三維攝影測量系統(tǒng)與3D動作捕捉系統(tǒng)等。主要應用方向：逆向工程、三維檢測、3D打印與產品三維數(shù)字化展示等領域。

杭州先臨三維自主研發(fā)的Shining3D-Metric三維攝影測量系統(tǒng)，性能指標達到國內外同類產品水平，不受距離、機械行程、大小、體積、外形限制，廣泛應用于汽車、航天航空、船舶工業(yè)、建筑、大型文物、發(fā)電設備及工程機械等領域。先臨三維自主研發(fā)的Shining3D-Camera系列三維相機，基于多目視差法、光影梯度法等，可一次性生成180度的真實立體模型及其表面色彩信息，具有成像速度快、建模精度高的特點，特別適用于三維信息快速獲取。

當然，目前國產的三維掃描儀與國外先進產品還有不小的差距。比如美國的FARO Technologies新推出具有高動態(tài)范圍成像（HDR）功能的新型三維激光掃描儀，能夠在明亮或黑暗的光照條件下生成無比清晰的圖像，并具有更高的分辨率和更佳的色彩顯示效果。一般激光掃描儀數(shù)字圖像的對比度范圍通常為255：1，而新推出的FARO激光掃描儀能夠捕捉的亮度范圍高達40億：1。加上更高的彩色分辨率（每次掃描最高可達1億7千萬像素），新型Focus3D激光掃描儀能確保以最佳的清晰度捕捉最小的細節(jié)。

一位企業(yè)負責人說，也應該看到，當前我國在高分辨率和遠程三維激光掃描技術領域基礎依然薄弱，這有待繼續(xù)努力。

隨著的國內三維掃描儀產品即將進入發(fā)展成熟期，國產三維掃描儀的市場占有率也逐步提升，隨著國產三維掃描儀應用的大規(guī)模使用，國內三維掃描儀產業(yè)已經(jīng)步入實質階段。同時，受益于智慧城市建設和三維打印機的產業(yè)發(fā)展，三維掃描儀產業(yè)也獲得了高速成長的機會。但是為了避免惡意價格戰(zhàn)以及慘烈的競爭，相關企業(yè)必須進一步深入分析市場和消費者，以尋找出潛在的或尚未滿足的需求，從而推出有差異化的產品來滿足不同細分的市場。