三维激光扫描在测量中的应用现状

马素文

三维激光扫描在测量中的应用现状

马素文

简要介绍了三维激光扫描系统的研究背景和分类,着重阐述了三维激光扫描系统在逆向工程、历史古建筑的保护、变形监测、减灾等方面的应用,指出三维激光扫描的普及应用将给测绘学科带来新的发展机遇。

三维激光扫描,逆向工程,变形监测

从某种意义上来说,没有测量就没有科研,就没有现代工业的发展。随着科技的发展、信息技术的进步及精密工程技术的发展,出现了很多新的测量技术。激光测量技术就是时代的产物,激光测量技术的出现使得很多不能测量的领域成为可能,促进测量的发展,有人称三维激光扫描技术是继GPS(Global Position System)技术以来在测绘领域的又一次技术革命。

1 三维激光扫描系统的研究背景

1960年,美国科学家们在凝结各种基本理论和经验上,发明了世界上第一台激光器。此后,世界各国均重视对激光领域的开发研究,从而使激光研究领域得到蓬勃而快速的发展。由于激光的特殊性,它具有方向性、单色性、高亮度、相干性,这些特性使得它和传统的光源有着很大的区别,在很多领域有着自己特殊的应用。利用激光的方向性可以作为方向基准;利用激光的单色性和干涉性可以进行干涉测量;利用激光高亮度的特性可以用于医疗等,激光的这些属性在测量中有很大的应用。

随着时代的发展,半导体和微电子取得突破,使得超大规模集成电路和数字传感器技术飞速发展。先进的电子设备同样应用在测绘中,测绘新技术、新设备不断涌现。三维激光扫描技术集光、机、电等各种技术于一身,它是从传统测绘计量技术经过精密的传感工艺整合及多种现代高科技手段集成而发展起来的,是对多种传统测绘技术的概括及一体化。近年来,三维激光扫描技术的发展和应用,为人们获取丰富的局部地面空间信息提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描测量技术作为一项全新的空间数据获取技术,发达国家已成熟地应用于机载激光测高和城市三维建模方面。三维激光扫描系统是一种非接触式主动测量系统,可进行大面积高密度空间三维数据的采集,具有点位测量精度高、采集空间点的密度大、速度快,且其融合了激光反射强度和物体色彩等信息的三维激光影像数据,为测量目标的识别分析提供了进一步的研究内容。地面三维激光扫描仪使测绘从传统的单点采集数据变为密集、连续的自动获取数据,大大地增加了信息量,提高了工作效率,且拓宽了测绘技术的应用领域。

2 三维激光扫描系统的分类

1)根据激光的扫描平台的不同,可分为：机载(或星载)激光扫描系统;地面型激光扫描系统;便携式激光扫描系统。2)根据扫描系统的测量原理的不同,可分为：基于时间调制法测量方法;基于空间调制法测量方法。

3 三维激光扫描应用现状

3.1 基于逆向工程的应用

20世纪 90年代以来,随着激烈的市场竞争,对产品研发的时间和产品的更新换代速度提出了越来越高的要求,因此迫切需要新的设计制造技术来满足市场需求。同时在许多特殊领域,如仿形加工、模具快速制造、三维服装设计、玩具设计、三维动画、艺术品制作、动植物模拟、人体器官复制、地形测量与数字化再现等,利用普通的造型手段往往难以很好地解决问题,因而迫切需要造型方法、设计手段的丰富和发展。于是,逆向工程技术(Reverse Engineering,RE)凭借它的独特魅力应运而生。逆向工程,可以简单地定义为“理解原始的设计意图和机制”,随着数字化测量技术的迅猛发展,基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象,因此,逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为 CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称。从流程上看,逆向工程流程与传统造型流程正好相反。逆向工程通过实物模型产生其数字化模型,可以充分利用数字化的优势,提高设计、制造、分析的质量和效率,并适应智能化、集成化、并行化、网络化的产品设计制造过程中的信息存储与交换。逆向工程技术作为快速原型制造技术的前端数据处理方法和产品再创新设计的重要手段,使原来以复制设计制造为主的快速原型制造技术(Rapid Prototype Manufacture,RPM)获得了再创新、再设计的能力,使逆向工程技术与计算机辅助设计与制造技术(CAD/CAM)更紧密地结合起来。三者形成产品设计制造的闭环系统,将有效提高产品的快速响应能力,丰富几何造型方法和产品设计手段,其关键技术可用于其他许多领域,从而拓宽计算机辅助建模的应用。逆向工程并不限于样件复制,其目标是实现一种智能化二维扫描识别重建系统。三维扫描识别系统不仅要获得物体的基本数据,而且要对数据进行必要的处理,建立相应的计算机模型,允许对该模型的体积和面积等物理特性计算进行分析、修改等等。通过对模型分析的结果重新设计模型,用于生产实践。

3.2 其他方面应用

3.2.1 历史古建筑物的保存与恢复

在以前也是以摄影测量为主,但现在更愿意用激光扫描仪来完成。这样做成的电子资料易于保存,能详细了解表面,随时方便地得到等值线、断面、剖面等。当建筑和文物遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据(见图 1)。

3.2.2 变形监测

对于远程地面激光扫描仪用于滑坡、岩崩、雪崩、矿山塌陷等危险和难以到达地方的变形监测和方量计算,可有效监控其变化范围及量级,应用于防灾减灾。中程地面激光扫描仪多用于大坝、船闸、桥梁等的变形测量(见图 2)。

3.2.3 城市三维可视化模型的建立

在街道上对建筑物的内外部进行三维激光扫描,扫描的点云数据经过数据预处理、剔除粗差、拼接和合并,运用数据滤波和分类算法获得地面高程数据以及地物数据(必要时结合航片)。地面高程数据用于建立高精度的数字地面模型;地物数据经提取和目标识别处理,可实现城市三维模型的建立;也适用于 GIS数据库更新、旅游向导和虚拟现实制作等。

3.2.4 复杂工业设施的测量

很多工厂管线林立,纵横交错,形状各异,用摄影测量方法难以找到同名点,效率低下,其他传统的方法更是无能为力。而利用激光扫描仪进行分段扫描,获得在各站上复杂工业设备的三维点云数据,再将不同站上的点云数据通过数据预处理以及粗差剔除,利用公共点进行拼接、合并和应用相应的软件就可以生成这些复杂工业设备的模型,为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考,极大提高了工作效率。

3.2.5 减灾应用

很多时候在灾害发生后,为了记录灾害发生现场的真实情况和研究产生灾害的原因,需要通过扫描点云数据,在计算机中模拟现场,查找灾害发生的原因。

4 展望

随着科技的不断发展,三维激光扫描仪的精度也越来越高,测距范围也越来越大。三维激光扫描作为迅速发展的测量技术,目前该技术已经可以应用到高精度的工业测量和变形监测等领域,它的普及应用将大大降低生产成本和提高工作效率,充分发掘三维激光扫描的利用价值,将给测绘学科带来新的发展机遇。

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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

马素文(1968-),男,助理工程师,华北石油局地球物理勘探公司,河南新乡 453700