絕對激光跟蹤技術在幾何實景重繪中的應用

朱富云 茅雷 陸志輝 吳國慶 霍偉 劉洋

摘要：絕對激光跟蹤技術是高精度、高效率的幾何實景重繪技術，受到國內外科研工作者的重視。現階段該技術主要應用于土木測繪、文物保護、地質勘測等領域。文章介紹了絕對激光跟蹤技術的原理，對其特點進行了分析，概述了絕對激光跟蹤技術在建筑物3D實景重繪中的應用現狀，提出了絕對激光跟蹤技術應用于變電站中實景重繪的實施方案。

關鍵詞：絕對激光跟蹤技術；建筑物；幾何實景重繪技術；土木測繪；文物保護；地質勘測 文獻標識碼：A

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

1 概述

絕對激光跟蹤技術是一項具有時代意義的測試和控制技術。該技術具備精度高、反應快、適用范圍廣等優點，通過激光掃描儀、傳感器和反射球之間的相互配合，得到物體表面的真實參數。在長時間的發展歷程中，該技術已經逐步成長為了融合激光干涉、精密機械、自動處理等一系列尖端科技的綜合性技術，并在大尺寸物體的測量方面嶄露頭角。使用這種技術對工廠等建筑物進行3D實景重繪，不僅免去了以往維護中參照施工圖維護費時費力的麻煩，更通過技術改良讓施工進度和測試速度共同邁向新的紀元。在實際應用的過程中，提高工廠維護的效率不僅節約了專業技術人員的維護時間，更確保了工廠的正常生產和使用。

變電站是連接用戶和發電站的中轉站。變電站的安全關系到一座工廠的生產安全，關系到千家萬戶的用電安全。因此，維護這樣的工廠就要求速度快、精度高、安全性好，確保為城市及時地提供優質電力源。激光跟蹤技術是目前最先進的測繪技術之一，若合理地使用該項技術，必能在最短的時間內以最好的質量完成對變電站的三維實景重繪工作。

2 絕對激光跟蹤技術的原理及其特點

隨著科學技術的發展，特別是激光技術和編碼技術的應用，激光跟蹤儀應運而生。目前市場上常見的激光跟蹤儀主要是由跟蹤儀主機、便攜式的測量系統、電腦主機和其他配件共同組成。

跟蹤儀主機主要用于確定實時坐標和發射激光束。通過主機加熱并發射激光束，測量系統獲得了穩定的激光源，同時在和便攜式測量系統沒有連接的情況下，跟蹤儀主機也起到了尋找該系統的作用。

市場上常見的便攜式測量系統一般可以分為接觸式測量系統和非接觸式測量系統。無論是采用哪種系統均擁有多個傳感器。這些傳感器接收來自于跟蹤儀主機的激光信號，之后再通過該信號對物體表面的實時情況進行精確測量。接觸式的測量系統通常用于測量難于測得的點坐標，非接觸式傳感器常用于記錄物體表面的具體形狀。便攜式測量系統具有方便攜帶、測量精確、可靠性強等優點，在絕對激光跟蹤技術中起到了舉足輕重的作用。

實驗測得的數據需要通過計算機觀測和記錄。前述各設備均通過數據線與計算機相連，計算機再將數據利用專用軟件記錄下來，并且實現對所測點云的編輯和修正。對這些數據進行測量，可以得到我們所需要的真實參數。絕對激光跟蹤技術是現階段測繪技術中的翹楚。由于使用激光作為發射源，因此它的測繪精度可達到小數點后三位。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，體積小的優勢又可以讓它在多種復雜的環境下使用。和傳統的測繪手段比較，在實際運用該技術時可以明顯減少人力和工時。因此，對于那些需要及時測繪或工程量巨大的項目來說，使用這種測繪手段會使優勢更加明顯。

3 絕對激光跟蹤技術的應用現狀

絕對激光跟蹤技術雖然高效可靠，但在實現高精度的同時也為系統標定創造出了新的難點。當系統中存在微小的擾動時，測試所得到的結果也會出現較大的偏差。針對這樣的問題，國內外學者近年來提出了很多建設性的意見。

陜西科技大學的團隊使用了一種采用多臺設備共同跟蹤目標的方法。通過兩臺相機同時對目標進行標定，我們能夠利用其相對位置對目標參數進行求解。所以當測試設備由于不可抗拒因素而發生擾動時，這個特別組建的系統能夠快速反映實時坐標并求解出一套新的參數。遼源職業技術學院和淮海工學院的科研人員提出了一種更為簡單的實驗方法。該實驗團隊使用設置標靶的方法來框定檢測目標的大體位置，避免了實驗結果與實際情況的較大出入。然后再根據點云的形狀對觀測所得的結果進行修正。

事實上，這種技術在文物保護方面已經率先得到了應用。在長時間的實踐過程中，文物保護人員總結出了一套一般性的方案。

在整個掃描過程開始之前，首先要做的就是針對被掃描的個體建立一個標準的笛卡爾坐標系，然后采用多站測試的方法，對對象逐個掃描。在掃描過程中，設置多個標靶，同時以10%以上的重合度進行多次掃描。當該工作全部完成之后，需要在計算機中對整個測試個體進行拼接、編輯和修正，以完成對被測實體的最高真實度的還原。來自河南省測繪工程院和鄭州大學綜合測繪研究院對某古建筑的拼接還原，達到了良好的效果。

另外，國內外也針對該技術進行了很多細節性的研究，例如噪聲的去除。譬如在檢測的過程中出現了行人、昆蟲、樹木等不需要的檢測項，我們就需要在進行最終處理之前將這些多余的點云集中去除。針對這些目標的去除，國內外的學者還研究出了各種濾波方法，加以實踐。

4 絕對激光跟蹤測量變電站方案介紹

變電站內部結構復雜、儀器眾多，需要在確保測量精度的情況下實現快速測量。在這樣的使用背景下，使用絕對激光跟蹤技術就能夠充分地展現其在測繪方面的優勢。由于測繪對象的特殊性，我們對傳統的測繪方式進行了一些改進和變通。現在，我們在整個工程在確保質量的前提下，以更高效更經濟為目標，完成測試要求。

4.1 變電站測量方案介紹

在本次測試中，我們使用Leica AT-901 MR作為主要測量儀器，通過對變電站的總體結構的分析，特別是對其中細節結構的捕捉，實現對實驗對象的3D幾何實景重繪。同時我們選用LeicaT-Probe和Leica T-Scan兩臺便攜式測量裝置對實驗目標進行測量，其中Leica T-Probe為手持接觸式的測量設備，Leica T-Scan為手持非接觸式的測量設備。

首先需要根據被測現場的整體布局情況建立笛卡爾坐標系。我們選取一個容易被觀測到的位置，同時這個位置在水平方向上盡量與整體的建筑結構保持平行。之后利用Leica AT-901 MR和Leica T-Probe，測量出這個位置的坐標。同時以該坐標為原點，并以可見物體的邊緣為x、y、z軸，建立笛卡爾坐標系。需要說明的是，這里的坐標系需要用以上的測量設備，確保它們相互之間的兩兩垂直關系。若一次測量不準確，需要多次測量取最優值。

由于變電站內部結構眾多，所以在具體操作之前應選定標志點，以方便以后的坐標采集。在這個階段，我們同樣需要利用Leica AT-901 MR和Leica T-Probe聯合工作。首先將Leica AT-901 MR放置在能夠測量到被測平面中較多標志點的位置上，再通過工作人員手持Leica T-Probe到所需測量點對相應坐標進行測量。這些數據實時傳回計算機內，并由設備相匹配的相關軟件記錄下點的坐標。

在我們完成標志點的標定工作之后，需要對這些點進行核實并做一些細節的補充。其主要工作是為每個面刪除由于誤操作產生的多余點，并且在一些明顯框架結構上用線條勾勒。之后我們就可以從計算機顯示出的圖像得到所測實體的大致樣式。同時我們也應該利用軟件及時地將所測得的關鍵點放置到最初建立起的笛卡爾坐標系中，以形成一個三維實景的線條模型。

由于細節部位和難以測繪到的部分測量難度較大，所以我們接下來應該優先對這些部分進行測繪。首先我們將Leica AT-901 MR放置在能夠測繪到更多被測點的位置上，再通過Leica T-Scan對這些部分進行掃描。由于掃描質量受到掃描速度、位置角度等因素的影響，因此我們對關鍵性的部位進行多次掃描，以求最優效果。當所有的關鍵點和關鍵部位都掃描結束之后，將這些點放入之前建立好的笛卡爾坐標系中。

最后我們需要對剩下來的其他部位進行大范圍的掃描。雖然這種掃描并不需要特別高的精度，但在掃描的時候同樣需要注意到Leica AT-901 MR的移動等實際情形。每個面掃描完成后都需要參照之前已經建立好的線條模型進行修正，以期達到最接近實物的效果。當掃

描完一個整面之后再依次對其他的面進行掃描，直到最后一個面掃描完成。

接著我們對掃描出的結果整體檢查，對沒有掃描到的個別細節進行補充。依照最開始勾勒出來的線條輪廓和細節位置修剪點云，對之前拼接不到位的地方重新拼接，以此實現對整個實景重繪對象的最優解。

值得一提的是，對于最后掃描出來的結果仍然是以點云的形式存在的。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等軟件進行進一步的處理和加工，效果圖可以使用Vray等渲染軟件再加工和處理。

4.2 方案關鍵點

總結以上方案，再結合變電站的實際需要，有如下四點需要著重把握：（1）正確地連接和配置設備。設備是實驗的基礎，設備的精度是實驗成果優劣的關鍵所在。因此，正確擺放、配置、連接、檢測設備是我們需要完成好的第一步。對于變電站來說，需要找到一個便于測量和擺放儀器的空地，并且遠離變電站內部的電力設備。（2）確定標志點。標志點是確定實驗對象大致位置的重要依據，也是說明檢測范圍最直接的依據。確定好這些標志點有利于提高被測對象的實際檢測精度，方便以后對實驗目標坐標位置的修正。在這個實際案例中，我們應特別注意變電站內如變壓器、油開關、避雷針等重要設備，確保每個細節都能夠被準確無誤地掃描到。（3）掃描實驗對象。對目標對象進行全局掃描，確保掃描到被測對象的每一個細節，其中某些大型儀器需要多次、重復掃描；如需變動激光跟蹤儀的位置，則需要及時將掃描到的圖片還原到開始建立好的坐標系中。（4）除燥和修正。利用標志點和被掃描平面點云之間的相對位置關系對最后的實驗結果進行編輯，以達到最優實驗結果。

4.3 方案特點和優勢

該方法具有使用儀器少、成本低、精度高等特點，對于人流量較少的測量對象能夠較為準確地測得所需要的數據。相對于其他的方案，這種方案又具有實時修正的特點，避免了產生大量誤差后再去修改而帶來的難以修復的麻煩。

5 總結和展望

絕對激光跟蹤技術對于3D實物測繪本身來說是一項重要的突破。它精度高、反應迅速、使用方便的優點值得大力推廣和研究。雖然使用激光跟蹤儀進行建筑物實景重繪的方法仍存在著明顯的不足，但若能夠改進相應的使用手段，絕對激光跟蹤技術的使用前景是無可限

量的。

結合前人的工作經驗和自己的觀察分析，針對某些工廠的實際情況，本文總結出了適合于我們自己的一套測繪方法。利用這套方案，可以人為地修復由于某些不可抗拒因素而帶來的誤差，從而獲得更好的測量結果。

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作者簡介：朱富云（1957-），男，南通供電公司高級技師，高工，蘇州大學機電工程學院產業教授，在讀博士，研究方向：電力系統、智能機器人技術；茅雷（1973-），男，南通供電公司高工，研究方向：電力系統及自動化技術；陸志輝（1956-），男，南通供電公司高級技師，研究方向：電力系統技術；吳國慶（1957-），男，南通大學機械工程學院教授，博士，研究方向：機電一體化、智能微網控制。

（責任編輯：陳 潔）