三維激光掃描在測量中的應用現狀

馬素文

三維激光掃描在測量中的應用現狀

馬素文

簡要介紹了三維激光掃描系統的研究背景和分類,著重闡述了三維激光掃描系統在逆向工程、歷史古建筑的保護、變形監測、減災等方面的應用,指出三維激光掃描的普及應用將給測繪學科帶來新的發展機遇。

三維激光掃描,逆向工程,變形監測

從某種意義上來說,沒有測量就沒有科研,就沒有現代工業的發展。隨著科技的發展、信息技術的進步及精密工程技術的發展,出現了很多新的測量技術。激光測量技術就是時代的產物,激光測量技術的出現使得很多不能測量的領域成為可能,促進測量的發展,有人稱三維激光掃描技術是繼GPS(Global Position System)技術以來在測繪領域的又一次技術革命。

1 三維激光掃描系統的研究背景

1960年,美國科學家們在凝結各種基本理論和經驗上,發明了世界上第一臺激光器。此后,世界各國均重視對激光領域的開發研究,從而使激光研究領域得到蓬勃而快速的發展。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的光源有著很大的區別,在很多領域有著自己特殊的應用。利用激光的方向性可以作為方向基準;利用激光的單色性和干涉性可以進行干涉測量;利用激光高亮度的特性可以用于醫療等,激光的這些屬性在測量中有很大的應用。

隨著時代的發展,半導體和微電子取得突破,使得超大規模集成電路和數字傳感器技術飛速發展。先進的電子設備同樣應用在測繪中,測繪新技術、新設備不斷涌現。三維激光掃描技術集光、機、電等各種技術于一身,它是從傳統測繪計量技術經過精密的傳感工藝整合及多種現代高科技手段集成而發展起來的,是對多種傳統測繪技術的概括及一體化。近年來,三維激光掃描技術的發展和應用,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手段。三維激光掃描測量技術作為一項全新的空間數據獲取技術,發達國家已成熟地應用于機載激光測高和城市三維建模方面。三維激光掃描系統是一種非接觸式主動測量系統,可進行大面積高密度空間三維數據的采集,具有點位測量精度高、采集空間點的密度大、速度快,且其融合了激光反射強度和物體色彩等信息的三維激光影像數據,為測量目標的識別分析提供了進一步的研究內容。地面三維激光掃描儀使測繪從傳統的單點采集數據變為密集、連續的自動獲取數據,大大地增加了信息量,提高了工作效率,且拓寬了測繪技術的應用領域。

2 三維激光掃描系統的分類

1)根據激光的掃描平臺的不同,可分為：機載(或星載)激光掃描系統;地面型激光掃描系統;便攜式激光掃描系統。2)根據掃描系統的測量原理的不同,可分為：基于時間調制法測量方法;基于空間調制法測量方法。

3 三維激光掃描應用現狀

3.1 基于逆向工程的應用

20世紀 90年代以來,隨著激烈的市場競爭,對產品研發的時間和產品的更新換代速度提出了越來越高的要求,因此迫切需要新的設計制造技術來滿足市場需求。同時在許多特殊領域,如仿形加工、模具快速制造、三維服裝設計、玩具設計、三維動畫、藝術品制作、動植物模擬、人體器官復制、地形測量與數字化再現等,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、設計手段的豐富和發展。于是,逆向工程技術(Reverse Engineering,RE)憑借它的獨特魅力應運而生。逆向工程,可以簡單地定義為“理解原始的設計意圖和機制”,隨著數字化測量技術的迅猛發展,基于測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象,因此,逆向工程技術可以認為是將產品樣件轉化為 CAD模型的相關數字化技術和幾何模型重建技術的總稱。從流程上看,逆向工程流程與傳統造型流程正好相反。逆向工程通過實物模型產生其數字化模型,可以充分利用數字化的優勢,提高設計、制造、分析的質量和效率,并適應智能化、集成化、并行化、網絡化的產品設計制造過程中的信息存儲與交換。逆向工程技術作為快速原型制造技術的前端數據處理方法和產品再創新設計的重要手段,使原來以復制設計制造為主的快速原型制造技術(Rapid Prototype Manufacture,RPM)獲得了再創新、再設計的能力,使逆向工程技術與計算機輔助設計與制造技術(CAD/CAM)更緊密地結合起來。三者形成產品設計制造的閉環系統,將有效提高產品的快速響應能力,豐富幾何造型方法和產品設計手段,其關鍵技術可用于其他許多領域,從而拓寬計算機輔助建模的應用。逆向工程并不限于樣件復制,其目標是實現一種智能化二維掃描識別重建系統。三維掃描識別系統不僅要獲得物體的基本數據,而且要對數據進行必要的處理,建立相應的計算機模型,允許對該模型的體積和面積等物理特性計算進行分析、修改等等。通過對模型分析的結果重新設計模型,用于生產實踐。

3.2 其他方面應用

3.2.1 歷史古建筑物的保存與恢復

在以前也是以攝影測量為主,但現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,能詳細了解表面,隨時方便地得到等值線、斷面、剖面等。當建筑和文物遭到破壞后能及時而準確地提供修復和恢復數據(見圖 1)。

3.2.2 變形監測

對于遠程地面激光掃描儀用于滑坡、巖崩、雪崩、礦山塌陷等危險和難以到達地方的變形監測和方量計算,可有效監控其變化范圍及量級,應用于防災減災。中程地面激光掃描儀多用于大壩、船閘、橋梁等的變形測量(見圖 2)。

3.2.3 城市三維可視化模型的建立

在街道上對建筑物的內外部進行三維激光掃描,掃描的點云數據經過數據預處理、剔除粗差、拼接和合并,運用數據濾波和分類算法獲得地面高程數據以及地物數據(必要時結合航片)。地面高程數據用于建立高精度的數字地面模型;地物數據經提取和目標識別處理,可實現城市三維模型的建立;也適用于 GIS數據庫更新、旅游向導和虛擬現實制作等。

3.2.4 復雜工業設施的測量

很多工廠管線林立,縱橫交錯,形狀各異,用攝影測量方法難以找到同名點,效率低下,其他傳統的方法更是無能為力。而利用激光掃描儀進行分段掃描,獲得在各站上復雜工業設備的三維點云數據,再將不同站上的點云數據通過數據預處理以及粗差剔除,利用公共點進行拼接、合并和應用相應的軟件就可以生成這些復雜工業設備的模型,為設備的制造和工廠規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 減災應用

很多時候在災害發生后,為了記錄災害發生現場的真實情況和研究產生災害的原因,需要通過掃描點云數據,在計算機中模擬現場,查找災害發生的原因。

4 展望

隨著科技的不斷發展,三維激光掃描儀的精度也越來越高,測距范圍也越來越大。三維激光掃描作為迅速發展的測量技術,目前該技術已經可以應用到高精度的工業測量和變形監測等領域,它的普及應用將大大降低生產成本和提高工作效率,充分發掘三維激光掃描的利用價值,將給測繪學科帶來新的發展機遇。

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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 453700