三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展

喬俊峰,周沅楨,王 永,范 興,農(nóng)永紅,李博宇,資文華

(1.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,云南 昆明 650500；2.紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司紅河卷煙廠,云南 彌勒 652399)

1 引 言

隨著測(cè)繪技術(shù)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方式因存在損傷被測(cè)物體表面隱患、耗時(shí)耗力、依賴人工經(jīng)驗(yàn)等缺點(diǎn),已無(wú)法滿足越來(lái)越復(fù)雜的體積測(cè)量場(chǎng)景。近年來(lái),非接觸式測(cè)量技術(shù)的發(fā)展在適應(yīng)更多復(fù)雜測(cè)量環(huán)境、高效準(zhǔn)確獲得被測(cè)目標(biāo)的表面輪廓信息等方面體現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)越性,尤其以三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)為代表的非接觸式體積測(cè)量方式在采礦、林業(yè)、建筑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用已逐漸嶄露頭角。

我國(guó)三維激光掃描在測(cè)量體積上應(yīng)用廣泛,邵晴利用基于飛行時(shí)間法的三維激光掃描設(shè)備設(shè)計(jì)了糧倉(cāng)儲(chǔ)量檢測(cè)系統(tǒng),經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與原始體積,得出最大誤差不超過(guò)1 %的結(jié)論[1]；高如新利用基于雙目立體視覺(jué)的三維激光掃描設(shè)備測(cè)量煤堆的體積[2]；陶依貝利用激光三角法測(cè)量傳送帶物料體積[3]。盧貞也針對(duì)三維激光掃描在林業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究[4],對(duì)于林木測(cè)量、森林生物量測(cè)定等工作有著重要意義[8]。國(guó)外對(duì)三維激光測(cè)體積的研究主要集中在在醫(yī)學(xué)和工程測(cè)繪方面[5-7]。由于使用場(chǎng)景帶來(lái)的各種實(shí)際問(wèn)題,造成行業(yè)間技術(shù)水平不一,先進(jìn)技術(shù)共享性差,阻礙技術(shù)的發(fā)展。所以整合各類先進(jìn)的技術(shù),科學(xué)選擇與應(yīng)用,對(duì)工業(yè)、建筑業(yè)等的發(fā)展都有著重要意義。

2 三維激光掃描技術(shù)原理

三維激光掃描技術(shù)就是通過(guò)掃描待測(cè)目標(biāo)輪廓,獲得一系列密集的點(diǎn)坐標(biāo)(點(diǎn)云數(shù)據(jù))來(lái)反映物體形狀,該技術(shù)的關(guān)鍵是被測(cè)物體表面輪廓坐標(biāo)信息獲取和物體表面輪廓重建。基于不同的光學(xué)原理,三維激光掃描技術(shù)原理及其方法主要有飛行時(shí)間法、激光三角法、雙目體視法和全息干涉法[3],其主要適用場(chǎng)景如表1所示。

表1 幾種常見(jiàn)光學(xué)原理利用情況舉例Tab.1 Examples of several commonoptical principles are given

2.1 飛行時(shí)間法

飛行時(shí)間法是使用激光脈沖發(fā)射器向待測(cè)目標(biāo)表面發(fā)射激光脈沖,經(jīng)過(guò)待測(cè)目標(biāo)表面后會(huì)發(fā)生漫反射,其中一些反射光會(huì)按照原路徑返回到激光發(fā)射器,激光掃描設(shè)備通過(guò)記錄激光發(fā)射時(shí)的時(shí)間和接收時(shí)的時(shí)間差Δt,再根據(jù)光的傳播距離公式:S=C×Δt/2即可計(jì)算得到激光掃描設(shè)備和物體表面的距離,典型的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)就是基于該原理。朱鐵軍基于該原理進(jìn)行了糧堆體積測(cè)量試驗(yàn),分析表明應(yīng)用三維激光測(cè)量糧堆的方法具有良好的可行性,并適用于多種不規(guī)則糧堆的測(cè)量[8]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可檢測(cè)距離遠(yuǎn)、受環(huán)境光影響小,但是對(duì)時(shí)間記錄的精確度要求極高,購(gòu)置高精度時(shí)間計(jì)算模塊就會(huì)使成本過(guò)高。

2.2 激光三角法

激光三角法顧名思義就是利用相似三角形原理,結(jié)合激光傳感器來(lái)計(jì)算得到待測(cè)物體表面與參考面之間的距離,再根據(jù)提前標(biāo)定好的設(shè)備坐標(biāo)等來(lái)獲得物體表面坐標(biāo),廣泛應(yīng)用于高精度工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域。陶依貝利用基于激光三角法原理的激光掃描系統(tǒng)測(cè)量傳送帶物料體積,并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果的誤差在3 %以內(nèi),證明基于該原理測(cè)量的可行性、可靠性[3]。該方法與飛行時(shí)間法相比成本低,且測(cè)量范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便,是一種高速、高效、高精度、應(yīng)用前景廣闊的非接觸測(cè)量方法,但由于相似三角形測(cè)距的原理,隨著測(cè)量距離的增大,誤差也會(huì)越來(lái)越大,這也是激光三角法的局限性,難以改變。

2.3 全息干涉法

全息干涉法主要通過(guò)對(duì)比兩個(gè)光譜信息來(lái)獲得物體的坐標(biāo)信息,分別是發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)物體表面干涉后的光譜信息與保持不變的參考光譜信息,在利用全息干涉法原理的測(cè)量過(guò)程中,參考光的全部信息被提前記錄在攝影底片上,參考光發(fā)射經(jīng)過(guò)物體表面干涉后返回物光到傳感器中,此時(shí)干涉條紋的亮度和形狀完全由物光的振幅和相位所決定,所以可以從中解讀出物體表面的三維坐標(biāo)信息。全息干涉法精確度極高,非常適合測(cè)量精密物體或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體。但是要想保證精確度,測(cè)量距離就很有限,且容易受到環(huán)境光的干擾。

2.4 雙目體視法

雙目體視法與前面三種方法不同,是唯一的一種被動(dòng)式測(cè)量方法,通過(guò)模仿人的兩只眼睛來(lái)獲取兩個(gè)視圖信息,通過(guò)視差計(jì)算對(duì)待測(cè)物體進(jìn)行定位。由于檢測(cè)環(huán)境多變,檢測(cè)系統(tǒng)各器件之間的位置關(guān)系也會(huì)影響到檢測(cè)結(jié)果,為保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性,工作前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定是很有必要的,目前使用最多的標(biāo)定方法為張正友標(biāo)定法[9]。測(cè)量設(shè)備中需要有兩個(gè)高分辨率相機(jī),工作時(shí)同一個(gè)物體在兩個(gè)相機(jī)內(nèi)成像,實(shí)現(xiàn)定位的最主要步驟為坐標(biāo)點(diǎn)的匹配,即為物體表面一點(diǎn)在兩個(gè)相機(jī)中的位置匹配,通過(guò)同一點(diǎn)在兩相機(jī)中的位置坐標(biāo)來(lái)計(jì)算物體表面點(diǎn)的坐標(biāo)信息,所以匹配的越精確,獲得的物體表面坐標(biāo)信息就越準(zhǔn)確。毛琳琳利用該原理設(shè)計(jì)了大堆物料測(cè)量平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)對(duì)大堆物料的三維重構(gòu)和體積計(jì)算,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該平臺(tái)滿足實(shí)際應(yīng)用要求和操作需要[10]。雙目體視法優(yōu)點(diǎn)是成本較低的同時(shí)理論精度高,但也容易受到環(huán)境光干擾,在一些環(huán)境光強(qiáng)的場(chǎng)景中難以發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)。

3 三維激光掃描測(cè)體積系統(tǒng)及其計(jì)算

三維激光掃描測(cè)體積系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和后處理軟件系統(tǒng)組成。三維激光掃描一般分為數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、表面建模三個(gè)工作模塊[11]，其流程如圖1所示。

圖1 三維激光掃描測(cè)體積流程Fig.1 3D laser scanning volume measurement process

3.1 激光掃描獲取物體輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)

利用三維激光掃描設(shè)備測(cè)量物體體積的首要步驟是獲取物體表面輪廓的坐標(biāo)信息,采集后的物體表面位置信息是一系列密集的點(diǎn)的集合,因看起來(lái)像是一朵不規(guī)則的云彩,所以也被稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù),點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取直接關(guān)系到后期三維重建的質(zhì)量[24],雖然各類激光掃描設(shè)備原理不盡相同,但是測(cè)量目的都是準(zhǔn)確的得到物體表面輪廓的點(diǎn)云數(shù)據(jù),劉鵬在基于多核DSP的激光點(diǎn)云三維重構(gòu)技術(shù)研究中發(fā)現(xiàn)基于飛行時(shí)間法的激光雷達(dá)掃描得到的輪廓數(shù)據(jù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,處理方便等優(yōu)點(diǎn)[13],再加上精密儀器工藝的發(fā)展,激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的成本也在逐步降低,所以近幾年得到廣泛的應(yīng)用。孔德明利用激光雷達(dá)測(cè)量了列車車廂在或體積,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)測(cè)量精度較高,可直接用于車廂貨物的自動(dòng)化檢測(cè)[14]。

以基于飛行時(shí)間法的激光雷達(dá)為例,獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算方法如圖2所示。由圖2可知,激光發(fā)射器發(fā)射脈沖激光經(jīng)由待測(cè)物體表面漫反射后,會(huì)有一部分激光按照原路徑返回到光學(xué)接收器中,時(shí)間記錄模塊可以精確記錄下激光從發(fā)射到接收的時(shí)間,從而計(jì)算出時(shí)間差Δt,由S=C×Δt/2即可得出三維激光掃描系統(tǒng)到被測(cè)物體表面的距離S。角度記錄模塊可以記錄下激光脈沖發(fā)射時(shí)與水平面的夾角β,以及在水平方向上與初始標(biāo)定方向的夾角α,再結(jié)合已知的值S,通過(guò)勾股定理即可算出被測(cè)目標(biāo)表面點(diǎn)的坐標(biāo)A。激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖的頻率可達(dá)每秒幾萬(wàn)個(gè),所以該系統(tǒng)可以在極短的時(shí)間內(nèi)掃描到大量的被測(cè)物體表面點(diǎn)云相對(duì)坐標(biāo)信息,由于經(jīng)常會(huì)涉及到多個(gè)三維激光掃描系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)一個(gè)待測(cè)目標(biāo)或者一個(gè)三維激光掃描系統(tǒng)轉(zhuǎn)換位置對(duì)一個(gè)待測(cè)目標(biāo)多方位檢測(cè),所以為保持?jǐn)?shù)據(jù)的統(tǒng)一性,需要將相對(duì)坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)系下,這時(shí)候就需要借助GPS提前確定三維激光掃描系統(tǒng)的絕對(duì)位置,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

圖2 三維激光掃描系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D laser scanning system

圖3 飛行時(shí)間法計(jì)算原理Fig.3 The calculation principle of TOF

3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變,獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)往往都是散亂無(wú)章的,比如測(cè)量建筑工程工程土方量時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)的施工設(shè)備,點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密集程度等等都會(huì)給體積計(jì)算帶來(lái)影響[15]。所以獲取物體輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù)后,需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理才能開(kāi)展體積計(jì)算工作,預(yù)處理的主要步驟有點(diǎn)云去噪、數(shù)據(jù)拼接、表面重建等，其方法及作用如表2所示。

表2 主要的點(diǎn)云預(yù)處理過(guò)程Tab.2 The main process of point cloud pretreatment

由于被測(cè)對(duì)象表面因素、掃描系統(tǒng)本身及外界環(huán)境條件引起的測(cè)量誤差產(chǎn)生的噪聲離群點(diǎn)是不可避免的,噪聲離群點(diǎn)對(duì)后期局部區(qū)域點(diǎn)云特征估計(jì)影響很大,其移除勢(shì)在必行。王洪蜀在測(cè)量樹(shù)冠體積的實(shí)驗(yàn)中,經(jīng)過(guò)對(duì)每個(gè)點(diǎn)的鄰域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并移除那些不符合一定統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的點(diǎn),使處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)輪廓更接近與真實(shí)情況。因有一些測(cè)量場(chǎng)景中,被測(cè)目標(biāo)體積龐大,單一的掃描難以對(duì)物體進(jìn)行完整的掃描,這時(shí)候就需要多個(gè)激光設(shè)備同時(shí)測(cè)量或者同一個(gè)激光設(shè)備轉(zhuǎn)換位置多次測(cè)量,測(cè)量后要將獲取的各個(gè)點(diǎn)云集合拼接起來(lái)才能得到完整的物體輪廓點(diǎn)云數(shù)據(jù),常用的拼接方法有:特殊點(diǎn)法、坐標(biāo)拼接和手動(dòng)拼接。王瑞在對(duì)采空區(qū)體積測(cè)量研究中,利用C-ALS三維激光探測(cè)儀器探頭對(duì)體積較大的采空區(qū)兩端進(jìn)行兩次掃描,通過(guò)特殊點(diǎn)法和坐標(biāo)拼接法將對(duì)采空區(qū)兩次測(cè)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接形成完整的輪廓表面[16]。

3.3 三維重建和體積的計(jì)算

雖然點(diǎn)云數(shù)據(jù)密集程度極高,但終究是一系列點(diǎn)的集合,要想實(shí)現(xiàn)體積計(jì)算,就必須對(duì)這些密集的點(diǎn)進(jìn)行三維重建,得到真正的物體輪廓三維圖形,現(xiàn)在廣泛采用的三維重建方法為三角網(wǎng)格法。

三維重建后的物體是一個(gè)不規(guī)則體,無(wú)法用規(guī)則體的計(jì)算公式來(lái)得出體積,必須用到高等數(shù)學(xué)積分計(jì)算,還需要選擇更加科學(xué)的方法。不規(guī)則體分割計(jì)算體積的方法有很多,已經(jīng)進(jìn)行大量研究的有切片法、切段法、三棱柱分割法、長(zhǎng)方體分割法和體元計(jì)算法等等。李斌利用切片法計(jì)算不規(guī)則點(diǎn)云段塊體積,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于切片法的三維激光測(cè)體積系統(tǒng)計(jì)算方法正確、簡(jiǎn)潔、高效、可控,可以解決不規(guī)則體的體積計(jì)算問(wèn)題[17]。以一塊不規(guī)則石頭的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為例,計(jì)算時(shí),首先標(biāo)定不規(guī)則物體方向,然后沿著垂直方向平行切割成n個(gè)寬度極小且相同的片狀,寬度為h(如圖4所示),即可得到一系列對(duì)應(yīng)的片狀的邊緣輪廓坐標(biāo)(如圖5所示),提取每一個(gè)片狀體所對(duì)應(yīng)的邊緣點(diǎn)云數(shù)據(jù),則可以將面積Si計(jì)算出來(lái),進(jìn)而求得體積，如式(1)所示：

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)切割示意圖Fig.4 Schematic diagram of point cloud data cutting

圖5 切片法獲取的片狀輪廓示意圖Fig.5 Schematic diagram of sheet contour obtained by slicing method

(1)

4 三維激光掃描在體積測(cè)量上的應(yīng)用

4.1 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)在采礦業(yè)中的應(yīng)用

礦山采空區(qū)具有三維空間復(fù)雜、分布不均勻、危險(xiǎn)系數(shù)大等特點(diǎn),傳統(tǒng)的采空區(qū)體積測(cè)量方法主要依賴人工,同時(shí)必須進(jìn)入采空區(qū)使用全站儀在水平方向上檢測(cè)采空區(qū)邊緣坐標(biāo),之后通過(guò)所有測(cè)得的水平面輪廓連線的方式構(gòu)建出采空區(qū)輪廓,這種方式所得的結(jié)果往往誤差較大、人工成本高,對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)的參考價(jià)值有限。

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行空間測(cè)量、模型重建、體積估算,可以實(shí)時(shí)掌握采空區(qū)的空間結(jié)構(gòu),以便修整開(kāi)采方案,降低塌陷風(fēng)險(xiǎn),對(duì)礦產(chǎn)生產(chǎn)安全有著重要意義。近年來(lái),激光掃描測(cè)體積技術(shù)迅猛發(fā)展,大量學(xué)者對(duì)三維激光掃描技術(shù)在礦山采空區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用進(jìn)行研究(如表3所示)[16，18-20]。

表3 采空區(qū)體積測(cè)量研究實(shí)例Tab.3 Some research examples of goafvolume measurement

采用三維激光掃描技術(shù)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行空間測(cè)量相比于傳統(tǒng)計(jì)算方式更加快速和精確,王瑞使用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)某礦山采空區(qū)測(cè)量中實(shí)現(xiàn)采空區(qū)超挖量、欠挖量的高效計(jì)算,對(duì)礦山采空區(qū)后期充填量預(yù)算具有重要參考價(jià)值。已經(jīng)投入商用的礦山三維激光掃描系統(tǒng)有很多,大都基于飛行時(shí)間法,也就是激光測(cè)距的光學(xué)原理設(shè)計(jì),其中比較優(yōu)秀并且應(yīng)用廣泛的有C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)、CMS空區(qū)激光探測(cè)系統(tǒng),C-ALS是世界上唯一一款在50 mm鉆孔中就可以深入地下進(jìn)行空區(qū)探測(cè)的三維激光掃描儀(詳細(xì)參數(shù)如表4所示),探頭直徑僅為50 mm,使用非常方便。

表4 C-ALS主要技術(shù)參數(shù)Tab.4 Main technical parameters of C-ALS

使用C-ALS三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)礦山采空區(qū)測(cè)量時(shí),需要提前打好直徑為50 mm以上的鉆孔,之后測(cè)量人員只需要站在地面上將激光探頭通過(guò)伸縮桿送進(jìn)采空區(qū)內(nèi)部,即可開(kāi)展測(cè)量工作(如圖6所示)。有時(shí)遇到非常結(jié)構(gòu)復(fù)雜的采空區(qū),會(huì)出現(xiàn)單次測(cè)量存在盲區(qū)的問(wèn)題,可以通過(guò)多鉆孔多次轉(zhuǎn)換位置測(cè)量,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接的方式解決。三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量采空區(qū)體積的方式非常安全高效,最大程度保護(hù)了采空區(qū)周邊結(jié)構(gòu),且測(cè)量準(zhǔn)確率高,是目前采空區(qū)測(cè)量工作最為理想的方案。

圖6 三維激光掃描系統(tǒng)測(cè)量采空區(qū)Fig.6 3D laser scanning system measures goaf

4.2 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用

在森林資源調(diào)查中,需要測(cè)量全部的樹(shù)冠體積來(lái)確定森林的光合作用能力,以便對(duì)森林資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)森林資源可持續(xù)發(fā)展。但是由于樹(shù)林地形復(fù)雜,樹(shù)木分布不規(guī)則等特點(diǎn),使人工測(cè)量工作量極大。

激光掃描技術(shù)在林業(yè)調(diào)查的應(yīng)用也經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程,基地式激光雷達(dá)最先得到廣泛應(yīng)用,但是單個(gè)基地時(shí)激光雷達(dá)設(shè)備只能采集視野范圍內(nèi)的林木信息,譚遠(yuǎn)模利用提前在森林中設(shè)置目標(biāo)球的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)掃描站采集數(shù)據(jù)最后可統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將三維激光掃描技術(shù)引入到林業(yè)測(cè)量工作中可大大提高工作效率[21]。隨后可移動(dòng)的背包式激光雷達(dá)和機(jī)載激光雷達(dá)(ALS)被發(fā)明出來(lái),Hyypp?等利用背包式激光雷達(dá)進(jìn)行了森林資源調(diào)查工作,實(shí)驗(yàn)證明準(zhǔn)確性良好的同時(shí)相較于傳統(tǒng)方法耗時(shí)極短[22]。這兩種可移動(dòng)式激光雷達(dá)使林業(yè)測(cè)量工作不再需要或很少需要固定在地面上進(jìn)行,避免了由于森林地形復(fù)雜給測(cè)量工作帶來(lái)的麻煩。

近些年興起的無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)(UAVLS),憑借著它操作簡(jiǎn)單,所需人力和檢測(cè)環(huán)境要求極低的優(yōu)勢(shì),在此類工作中逐漸嶄露頭角,Brede等就利用無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量地面生物量[23]。全迎比較了ALS和UAVLS對(duì)于單個(gè)樹(shù)冠體積的測(cè)量結(jié)果,實(shí)驗(yàn)證明了UAVLS相比于ALS有著更高的探測(cè)精度和結(jié)構(gòu)參數(shù)提取精度。郭慶華在梧桐會(huì)直播報(bào)告中比較了地基激光雷達(dá)、機(jī)載激光雷達(dá)、無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)以及應(yīng)用極少的星載激光雷達(dá)的檢測(cè)精度、工作難度、人工成本等方面,最后表明近地面的無(wú)人機(jī)載雷達(dá)最適用于森林資源的檢測(cè),在大尺度森林遙感監(jiān)測(cè)中有著很好的應(yīng)用前景。

4.3 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)在建筑業(yè)的應(yīng)用

在建筑項(xiàng)目中,土方量的的計(jì)算關(guān)系到整個(gè)項(xiàng)目的工程預(yù)算、施工進(jìn)度規(guī)劃、場(chǎng)地空間規(guī)劃以及工程監(jiān)理工作。高梓成利用RIEGL VZ-1000型三維激光掃描儀對(duì)建筑垃圾土方量進(jìn)行掃描,通過(guò)建模后的三維模型來(lái)計(jì)算土方量,實(shí)現(xiàn)了建筑垃圾土方量的高效計(jì)算,并具有無(wú)接觸、高精度等優(yōu)點(diǎn),為建筑項(xiàng)目管理規(guī)劃工作帶來(lái)極大的便利[25]。Hu等也將三維激光測(cè)體積技術(shù)應(yīng)用到建筑項(xiàng)目中的開(kāi)挖體積計(jì)算上,結(jié)果表明該技術(shù)比傳統(tǒng)人工測(cè)量可減70 %～90 %的時(shí)間,可以快速、準(zhǔn)確地獲得開(kāi)挖體積信息[26]。

在數(shù)字化城市建設(shè)中,建筑物是極其重要的一環(huán),一些古建筑物由于歷史悠久,結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代建筑天差地別,如何獲取古建筑物輪廓信息,對(duì)文化古跡實(shí)現(xiàn)數(shù)字化保護(hù)具有重要意義。閆澤文將三維激光掃描技術(shù)同BIM技術(shù)結(jié)合起來(lái),使用Focus S350掃描儀對(duì)古建筑物實(shí)地測(cè)量,獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)預(yù)處理,再運(yùn)用3ds Max對(duì)古建筑物進(jìn)行三維重建,根據(jù)三維模型即可對(duì)古建筑物進(jìn)行幾何質(zhì)量的評(píng)價(jià)[27],這有助于文化遺產(chǎn)的保護(hù)修復(fù)工作,也對(duì)數(shù)字化城市建設(shè)中的難點(diǎn)具有重要參考價(jià)值。

4.4 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

三維激光技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)中的各個(gè)子領(lǐng)域,Ramírez等利用三維激光的定位和三維重建功能對(duì)骨肉瘤切割手術(shù)中的切割導(dǎo)向器實(shí)現(xiàn)可視化管理,對(duì)導(dǎo)向切割器的體積、形狀、切割動(dòng)作等進(jìn)行精準(zhǔn)把控,最大限度地減少因手術(shù)操作而可能引起的并發(fā)癥[5]。Jani等對(duì)人體遺失骨骼進(jìn)行補(bǔ)缺研究,三維重建后的骨骼模型可以準(zhǔn)確量化遺失部位的空間體積,進(jìn)而根據(jù)解剖特征和數(shù)字分析對(duì)遺失部位進(jìn)行補(bǔ)缺,對(duì)法醫(yī)的骨骼還原工作有極其重要的意義[6]。在醫(yī)學(xué)的子領(lǐng)域中,三維激光技術(shù)應(yīng)用最多且最為成熟的領(lǐng)域是牙科,Javaid等將三維激光掃描所獲得的物理模型轉(zhuǎn)換成數(shù)字CAD文件,便于定制零件的形狀、體積,研究表明該方法有助于降低復(fù)雜性和生產(chǎn)周期,牙醫(yī)可以利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)定制牙齒、牙冠、牙套、假牙等等[7]。目前來(lái)看,三維激光掃描技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域依然極具發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4.5 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著重要角色,為支撐工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)力發(fā)展需求,三維激光掃描技術(shù)被引進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中,Mhaske等將三維激光掃描結(jié)合顯微技術(shù)應(yīng)用到食品加工生產(chǎn)上,在不影響食品質(zhì)量的前提下提高食品附加值[28]。陶依貝為了解決工廠傳送帶物料體積測(cè)量實(shí)時(shí)性差、準(zhǔn)確度低的問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了一套基于三維激光掃描的體積在線測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)極大的提高了傳送帶物料體積測(cè)量的效率,免除人工成本,加快工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化進(jìn)程[3]。還有類似糧倉(cāng)、煤庫(kù)等體積檢測(cè)場(chǎng)景,三維激光技術(shù)都可以發(fā)揮出它的實(shí)時(shí)高效的優(yōu)勢(shì),為工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大的便利。

4.6 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

在大豆的壟上種植模式下,有著莊稼地面平整度差異大、植葉交錯(cuò)難以區(qū)分的難題,管賢平提出一種基于LiDAR的三維激光掃描系統(tǒng),對(duì)單個(gè)大豆植株進(jìn)行表面重建,最終實(shí)現(xiàn)大豆植株的快速分類和體積統(tǒng)計(jì)。Turunen等利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行地面三位水文模型重建,并在計(jì)算機(jī)中模擬土壤水力特性的長(zhǎng)期變化會(huì)對(duì)表層徑流產(chǎn)生很大影響,可以計(jì)算得出土壤耕作后會(huì)影響徑流,使徑流增加25 %[29]。直接量化之前只能憑經(jīng)驗(yàn)才能得出的結(jié)論,對(duì)土壤水土平衡控制有著重要參考價(jià)值。

4.7 三維激光掃描測(cè)體積技術(shù)物流快遞中的應(yīng)用

隨著網(wǎng)上購(gòu)物的發(fā)展,快遞包裹流量越來(lái)越大,如何準(zhǔn)確地按體積分包,成為現(xiàn)在的熱門(mén)研究方向,王占杰等發(fā)明了一種基于三維激光掃描技術(shù)的包裹體積測(cè)量技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)物流快遞的大小區(qū)分,從而分體積裝車,避免物流業(yè)“大塞車”現(xiàn)象,提高物流效率[30]。

5 展 望

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,各種模型重建算法層出不窮,近些年已有學(xué)者開(kāi)始研究基于深度學(xué)習(xí)的三維重建方法,精確度進(jìn)一步提高,因此在三維激光測(cè)體積技術(shù)中,如何高效準(zhǔn)確地獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù),采集后如何進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)處理,使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更接近于實(shí)際物體輪廓是現(xiàn)在主要的研究方向。在當(dāng)前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集工作中,最初只應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的激光雷達(dá)技術(shù)有著成本越來(lái)越低,精確度極高的優(yōu)勢(shì),未來(lái)將可能更多地出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。總的來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)在三維激光掃描測(cè)體積的應(yīng)用方面非常強(qiáng),但是缺少高精度設(shè)備的研發(fā),缺乏核心技術(shù),高端設(shè)備往往依賴于進(jìn)口,這也是制約三維激光掃描技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展的重要原因。