絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)在幾何實(shí)景重繪中的應(yīng)用

朱富云 茅雷 陸志輝 吳國(guó)慶 霍偉 劉洋

摘要：絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)是高精度、高效率的幾何實(shí)景重繪技術(shù)，受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的重視?，F(xiàn)階段該技術(shù)主要應(yīng)用于土木測(cè)繪、文物保護(hù)、地質(zhì)勘測(cè)等領(lǐng)域。文章介紹了絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)的原理，對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了分析，概述了絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)在建筑物3D實(shí)景重繪中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)應(yīng)用于變電站中實(shí)景重繪的實(shí)施方案。

關(guān)鍵詞：絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)；建筑物；幾何實(shí)景重繪技術(shù)；土木測(cè)繪；文物保護(hù)；地質(zhì)勘測(cè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：P208 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0050-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.026

1 概述

絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)是一項(xiàng)具有時(shí)代意義的測(cè)試和控制技術(shù)。該技術(shù)具備精度高、反應(yīng)快、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)激光掃描儀、傳感器和反射球之間的相互配合，得到物體表面的真實(shí)參數(shù)。在長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展歷程中，該技術(shù)已經(jīng)逐步成長(zhǎng)為了融合激光干涉、精密機(jī)械、自動(dòng)處理等一系列尖端科技的綜合性技術(shù)，并在大尺寸物體的測(cè)量方面嶄露頭角。使用這種技術(shù)對(duì)工廠等建筑物進(jìn)行3D實(shí)景重繪，不僅免去了以往維護(hù)中參照施工圖維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的麻煩，更通過(guò)技術(shù)改良讓施工進(jìn)度和測(cè)試速度共同邁向新的紀(jì)元。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，提高工廠維護(hù)的效率不僅節(jié)約了專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的維護(hù)時(shí)間，更確保了工廠的正常生產(chǎn)和使用。

變電站是連接用戶(hù)和發(fā)電站的中轉(zhuǎn)站。變電站的安全關(guān)系到一座工廠的生產(chǎn)安全，關(guān)系到千家萬(wàn)戶(hù)的用電安全。因此，維護(hù)這樣的工廠就要求速度快、精度高、安全性好，確保為城市及時(shí)地提供優(yōu)質(zhì)電力源。激光跟蹤技術(shù)是目前最先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)之一，若合理地使用該項(xiàng)技術(shù)，必能在最短的時(shí)間內(nèi)以最好的質(zhì)量完成對(duì)變電站的三維實(shí)景重繪工作。

2 絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)的原理及其特點(diǎn)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是激光技術(shù)和編碼技術(shù)的應(yīng)用，激光跟蹤儀應(yīng)運(yùn)而生。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的激光跟蹤儀主要是由跟蹤儀主機(jī)、便攜式的測(cè)量系統(tǒng)、電腦主機(jī)和其他配件共同組成。

跟蹤儀主機(jī)主要用于確定實(shí)時(shí)坐標(biāo)和發(fā)射激光束。通過(guò)主機(jī)加熱并發(fā)射激光束，測(cè)量系統(tǒng)獲得了穩(wěn)定的激光源，同時(shí)在和便攜式測(cè)量系統(tǒng)沒(méi)有連接的情況下，跟蹤儀主機(jī)也起到了尋找該系統(tǒng)的作用。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的便攜式測(cè)量系統(tǒng)一般可以分為接觸式測(cè)量系統(tǒng)和非接觸式測(cè)量系統(tǒng)。無(wú)論是采用哪種系統(tǒng)均擁有多個(gè)傳感器。這些傳感器接收來(lái)自于跟蹤儀主機(jī)的激光信號(hào)，之后再通過(guò)該信號(hào)對(duì)物體表面的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行精確測(cè)量。接觸式的測(cè)量系統(tǒng)通常用于測(cè)量難于測(cè)得的點(diǎn)坐標(biāo)，非接觸式傳感器常用于記錄物體表面的具體形狀。便攜式測(cè)量系統(tǒng)具有方便攜帶、測(cè)量精確、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)中起到了舉足輕重的作用。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)需要通過(guò)計(jì)算機(jī)觀測(cè)和記錄。前述各設(shè)備均通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)再將數(shù)據(jù)利用專(zhuān)用軟件記錄下來(lái)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)點(diǎn)云的編輯和修正。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，可以得到我們所需要的真實(shí)參數(shù)。絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)是現(xiàn)階段測(cè)繪技術(shù)中的翹楚。由于使用激光作為發(fā)射源，因此它的測(cè)繪精度可達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后三位。另外又由于激光是其工作載體，因此掃描速度在原理上接近光速。此外，體積小的優(yōu)勢(shì)又可以讓它在多種復(fù)雜的環(huán)境下使用。和傳統(tǒng)的測(cè)繪手段比較，在實(shí)際運(yùn)用該技術(shù)時(shí)可以明顯減少人力和工時(shí)。因此，對(duì)于那些需要及時(shí)測(cè)繪或工程量巨大的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，使用這種測(cè)繪手段會(huì)使優(yōu)勢(shì)更加明顯。

3 絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)雖然高效可靠，但在實(shí)現(xiàn)高精度的同時(shí)也為系統(tǒng)標(biāo)定創(chuàng)造出了新的難點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中存在微小的擾動(dòng)時(shí)，測(cè)試所得到的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。針對(duì)這樣的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者近年來(lái)提出了很多建設(shè)性的意見(jiàn)。

陜西科技大學(xué)的團(tuán)隊(duì)使用了一種采用多臺(tái)設(shè)備共同跟蹤目標(biāo)的方法。通過(guò)兩臺(tái)相機(jī)同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，我們能夠利用其相對(duì)位置對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行求解。所以當(dāng)測(cè)試設(shè)備由于不可抗拒因素而發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，這個(gè)特別組建的系統(tǒng)能夠快速反映實(shí)時(shí)坐標(biāo)并求解出一套新的參數(shù)。遼源職業(yè)技術(shù)學(xué)院和淮海工學(xué)院的科研人員提出了一種更為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)方法。該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)使用設(shè)置標(biāo)靶的方法來(lái)框定檢測(cè)目標(biāo)的大體位置，避免了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況的較大出入。然后再根據(jù)點(diǎn)云的形狀對(duì)觀測(cè)所得的結(jié)果進(jìn)行修正。

事實(shí)上，這種技術(shù)在文物保護(hù)方面已經(jīng)率先得到了應(yīng)用。在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐過(guò)程中，文物保護(hù)人員總結(jié)出了一套一般性的方案。

在整個(gè)掃描過(guò)程開(kāi)始之前，首先要做的就是針對(duì)被掃描的個(gè)體建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的笛卡爾坐標(biāo)系，然后采用多站測(cè)試的方法，對(duì)對(duì)象逐個(gè)掃描。在掃描過(guò)程中，設(shè)置多個(gè)標(biāo)靶，同時(shí)以10%以上的重合度進(jìn)行多次掃描。當(dāng)該工作全部完成之后，需要在計(jì)算機(jī)中對(duì)整個(gè)測(cè)試個(gè)體進(jìn)行拼接、編輯和修正，以完成對(duì)被測(cè)實(shí)體的最高真實(shí)度的還原。來(lái)自河南省測(cè)繪工程院和鄭州大學(xué)綜合測(cè)繪研究院對(duì)某古建筑的拼接還原，達(dá)到了良好的效果。

另外，國(guó)內(nèi)外也針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了很多細(xì)節(jié)性的研究，例如噪聲的去除。譬如在檢測(cè)的過(guò)程中出現(xiàn)了行人、昆蟲(chóng)、樹(shù)木等不需要的檢測(cè)項(xiàng)，我們就需要在進(jìn)行最終處理之前將這些多余的點(diǎn)云集中去除。針對(duì)這些目標(biāo)的去除，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者還研究出了各種濾波方法，加以實(shí)踐。

4 絕對(duì)激光跟蹤測(cè)量變電站方案介紹

變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儀器眾多，需要在確保測(cè)量精度的情況下實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。在這樣的使用背景下，使用絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)就能夠充分地展現(xiàn)其在測(cè)繪方面的優(yōu)勢(shì)。由于測(cè)繪對(duì)象的特殊性，我們對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)繪方式進(jìn)行了一些改進(jìn)和變通?，F(xiàn)在，我們?cè)谡麄€(gè)工程在確保質(zhì)量的前提下，以更高效更經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，完成測(cè)試要求。

4.1 變電站測(cè)量方案介紹

在本次測(cè)試中，我們使用Leica AT-901 MR作為主要測(cè)量?jī)x器，通過(guò)對(duì)變電站的總體結(jié)構(gòu)的分析，特別是對(duì)其中細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的捕捉，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的3D幾何實(shí)景重繪。同時(shí)我們選用LeicaT-Probe和Leica T-Scan兩臺(tái)便攜式測(cè)量裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行測(cè)量，其中Leica T-Probe為手持接觸式的測(cè)量設(shè)備，Leica T-Scan為手持非接觸式的測(cè)量設(shè)備。

首先需要根據(jù)被測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的整體布局情況建立笛卡爾坐標(biāo)系。我們選取一個(gè)容易被觀測(cè)到的位置，同時(shí)這個(gè)位置在水平方向上盡量與整體的建筑結(jié)構(gòu)保持平行。之后利用Leica AT-901 MR和Leica T-Probe，測(cè)量出這個(gè)位置的坐標(biāo)。同時(shí)以該坐標(biāo)為原點(diǎn)，并以可見(jiàn)物體的邊緣為x、y、z軸，建立笛卡爾坐標(biāo)系。需要說(shuō)明的是，這里的坐標(biāo)系需要用以上的測(cè)量設(shè)備，確保它們相互之間的兩兩垂直關(guān)系。若一次測(cè)量不準(zhǔn)確，需要多次測(cè)量取最優(yōu)值。

由于變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)眾多，所以在具體操作之前應(yīng)選定標(biāo)志點(diǎn)，以方便以后的坐標(biāo)采集。在這個(gè)階段，我們同樣需要利用Leica AT-901 MR和Leica T-Probe聯(lián)合工作。首先將Leica AT-901 MR放置在能夠測(cè)量到被測(cè)平面中較多標(biāo)志點(diǎn)的位置上，再通過(guò)工作人員手持Leica T-Probe到所需測(cè)量點(diǎn)對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回計(jì)算機(jī)內(nèi)，并由設(shè)備相匹配的相關(guān)軟件記錄下點(diǎn)的坐標(biāo)。

在我們完成標(biāo)志點(diǎn)的標(biāo)定工作之后，需要對(duì)這些點(diǎn)進(jìn)行核實(shí)并做一些細(xì)節(jié)的補(bǔ)充。其主要工作是為每個(gè)面刪除由于誤操作產(chǎn)生的多余點(diǎn)，并且在一些明顯框架結(jié)構(gòu)上用線(xiàn)條勾勒。之后我們就可以從計(jì)算機(jī)顯示出的圖像得到所測(cè)實(shí)體的大致樣式。同時(shí)我們也應(yīng)該利用軟件及時(shí)地將所測(cè)得的關(guān)鍵點(diǎn)放置到最初建立起的笛卡爾坐標(biāo)系中，以形成一個(gè)三維實(shí)景的線(xiàn)條模型。

由于細(xì)節(jié)部位和難以測(cè)繪到的部分測(cè)量難度較大，所以我們接下來(lái)應(yīng)該優(yōu)先對(duì)這些部分進(jìn)行測(cè)繪。首先我們將Leica AT-901 MR放置在能夠測(cè)繪到更多被測(cè)點(diǎn)的位置上，再通過(guò)Leica T-Scan對(duì)這些部分進(jìn)行掃描。由于掃描質(zhì)量受到掃描速度、位置角度等因素的影響，因此我們對(duì)關(guān)鍵性的部位進(jìn)行多次掃描，以求最優(yōu)效果。當(dāng)所有的關(guān)鍵點(diǎn)和關(guān)鍵部位都掃描結(jié)束之后，將這些點(diǎn)放入之前建立好的笛卡爾坐標(biāo)系中。

最后我們需要對(duì)剩下來(lái)的其他部位進(jìn)行大范圍的掃描。雖然這種掃描并不需要特別高的精度，但在掃描的時(shí)候同樣需要注意到Leica AT-901 MR的移動(dòng)等實(shí)際情形。每個(gè)面掃描完成后都需要參照之前已經(jīng)建立好的線(xiàn)條模型進(jìn)行修正，以期達(dá)到最接近實(shí)物的效果。當(dāng)掃

描完一個(gè)整面之后再依次對(duì)其他的面進(jìn)行掃描，直到最后一個(gè)面掃描完成。

接著我們對(duì)掃描出的結(jié)果整體檢查，對(duì)沒(méi)有掃描到的個(gè)別細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)充。依照最開(kāi)始勾勒出來(lái)的線(xiàn)條輪廓和細(xì)節(jié)位置修剪點(diǎn)云，對(duì)之前拼接不到位的地方重新拼接，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)實(shí)景重繪對(duì)象的最優(yōu)解。

值得一提的是，對(duì)于最后掃描出來(lái)的結(jié)果仍然是以點(diǎn)云的形式存在的。因此，要想獲得適合最終展示的成品，還需要使用如3Ds Max或SketchUp等軟件進(jìn)行進(jìn)一步的處理和加工，效果圖可以使用Vray等渲染軟件再加工和處理。

4.2 方案關(guān)鍵點(diǎn)

總結(jié)以上方案，再結(jié)合變電站的實(shí)際需要，有如下四點(diǎn)需要著重把握：（1）正確地連接和配置設(shè)備。設(shè)備是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，設(shè)備的精度是實(shí)驗(yàn)成果優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。因此，正確擺放、配置、連接、檢測(cè)設(shè)備是我們需要完成好的第一步。對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)，需要找到一個(gè)便于測(cè)量和擺放儀器的空地，并且遠(yuǎn)離變電站內(nèi)部的電力設(shè)備。（2）確定標(biāo)志點(diǎn)。標(biāo)志點(diǎn)是確定實(shí)驗(yàn)對(duì)象大致位置的重要依據(jù)，也是說(shuō)明檢測(cè)范圍最直接的依據(jù)。確定好這些標(biāo)志點(diǎn)有利于提高被測(cè)對(duì)象的實(shí)際檢測(cè)精度，方便以后對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)坐標(biāo)位置的修正。在這個(gè)實(shí)際案例中，我們應(yīng)特別注意變電站內(nèi)如變壓器、油開(kāi)關(guān)、避雷針等重要設(shè)備，確保每個(gè)細(xì)節(jié)都能夠被準(zhǔn)確無(wú)誤地掃描到。（3）掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)象。對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行全局掃描，確保掃描到被測(cè)對(duì)象的每一個(gè)細(xì)節(jié)，其中某些大型儀器需要多次、重復(fù)掃描；如需變動(dòng)激光跟蹤儀的位置，則需要及時(shí)將掃描到的圖片還原到開(kāi)始建立好的坐標(biāo)系中。（4）除燥和修正。利用標(biāo)志點(diǎn)和被掃描平面點(diǎn)云之間的相對(duì)位置關(guān)系對(duì)最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行編輯，以達(dá)到最優(yōu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.3 方案特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

該方法具有使用儀器少、成本低、精度高等特點(diǎn)，對(duì)于人流量較少的測(cè)量對(duì)象能夠較為準(zhǔn)確地測(cè)得所需要的數(shù)據(jù)。相對(duì)于其他的方案，這種方案又具有實(shí)時(shí)修正的特點(diǎn)，避免了產(chǎn)生大量誤差后再去修改而帶來(lái)的難以修復(fù)的麻煩。

5 總結(jié)和展望

絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)對(duì)于3D實(shí)物測(cè)繪本身來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要的突破。它精度高、反應(yīng)迅速、使用方便的優(yōu)點(diǎn)值得大力推廣和研究。雖然使用激光跟蹤儀進(jìn)行建筑物實(shí)景重繪的方法仍存在著明顯的不足，但若能夠改進(jìn)相應(yīng)的使用手段，絕對(duì)激光跟蹤技術(shù)的使用前景是無(wú)可限

量的。

結(jié)合前人的工作經(jīng)驗(yàn)和自己的觀察分析，針對(duì)某些工廠的實(shí)際情況，本文總結(jié)出了適合于我們自己的一套測(cè)繪方法。利用這套方案，可以人為地修復(fù)由于某些不可抗拒因素而帶來(lái)的誤差，從而獲得更好的測(cè)量結(jié)果。

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作者簡(jiǎn)介：朱富云（1957-），男，南通供電公司高級(jí)技師，高工，蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院產(chǎn)業(yè)教授，在讀博士，研究方向：電力系統(tǒng)、智能機(jī)器人技術(shù)；茅雷（1973-），男，南通供電公司高工，研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化技術(shù)；陸志輝（1956-），男，南通供電公司高級(jí)技師，研究方向：電力系統(tǒng)技術(shù)；吳國(guó)慶（1957-），男，南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，博士，研究方向：機(jī)電一體化、智能微網(wǎng)控制。

（責(zé)任編輯：陳 潔）