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光學工程
三維激光掃描測量技術探究及應用
如何快速、準確、有效地獲取空間三維信息,是許多學者深入研究的課題。隨著信息技術研究的深入及數字地球、數字城市、虛擬現實等概念的出現,尤其在當今以計算機技術為依托的信息時代,人們對空間三維信息的需求更加迫切。基于測距測角的傳統工程測量方法,在理論、設備和應用等諸多方面都已相當成熟,新型的全站儀可以完成工業目標的高精度測量,GPS可以全天候、一天24小時精確定位全球任何位置的三維坐標,但它們多用于稀疏目標點的高精度測量。隨著傳感器、電子、光學、計算機等技術的發展,基于計算機視覺理論獲取物體表面三維信息的攝影測量與遙感技術成為主流,但它在由三維世界轉換為二維影像的過程中,不可避免地會喪失部分幾何信息,所以從二維影像出發理解三維客觀世界,存在自身的局限性。因此,上述獲取空間三維信息的手段難以滿足應用的需求,如何快速、有效地將現實世界的三維信息數字化并輸入計算機成為解決這一問題的瓶頸。 
    三維激光測量技術的出現和發展為空間三維信息的獲取提供了全新的技術手段,為信息數字化發展提供了必要的生存條件。激光測量技術出現于上世紀80年代,由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性,將其引入測量裝置中,在精度、速度、易操作性等方面均表現出巨大的優勢,它的出現引發了現代測量技術的一場革命,引起相關行業學者的廣泛關注,許多高技術公司、研究機構將研究方向和重點放在激光測量裝置的研究中。隨著激光技術、半導體技術、微電子技術、計算機技術、傳感器等技術的發展和應用需求的推動,激光測量技術也逐步由點對點的激光測距裝置發展到采用非接觸主動測量方式快速獲取物體表面大量采樣點三維空間坐標的三維激光掃描測量技術。隨著三維激光掃描測量裝置在精度、速度、易操作性、輕便、抗干擾能力等性能方面的提升及價格方面的逐步下降,20世紀90年代,其在測繪領域成為研究的熱點,掃描對象不斷擴大,應用領域不斷擴展,逐步成為快速獲取空間實體三維模型的主要方式之一,許多公司都推出了不同類型的三維激光掃描測量系統。上世紀90年代中后期,三維激光掃描儀已形成了頗具規模的產業。 
    三維激光掃描測量技術克服了傳統測量技術的局限性,采用非接觸主動測量方式直接獲取高精度三維數據,能夠對任意物體進行掃描,且沒有白天和黑夜的限制,快速將現實世界的信息轉換成可以處理的數據。它具有掃描速度快、實時性強、精度高、主動性強、全數字特征等特點,可以極大地降低成本,節約時間,而且使用方便,其輸出格式可直接與CAD、三維動畫等工具軟件接口。目前,生產三維激光掃描儀的公司有很多,典型的有瑞士的Leica公司、美國的3D DIGITAL公司和Polhemus公司,奧地利的RIGEL公司、加拿大的OpTech公司、瑞典的TopEye公司、法國的MENSI公司、日本的Minolta公司、澳大利亞的I-SITE公司、中國的北京容創興業科技發展公司等。它們各自的產品在測距精度、測距范圍、數據采樣率、最小點間距、模型化點定位精度、激光點大小、掃描視場、激光等級、激光波長等指標會有所不同,可根據不同的情況如成本、模型的精度要求等因素進行綜合考慮之后,選用不同的三維激光掃描儀產品。 
利用三維激光掃描儀獲取的點云數據構建實體三維幾何模型時,不同的應用對象、不同點云數據的特性,三維激光掃描數據處理的過程和方法也不盡相同。
    概括地講,整個數據處理過程包括數據采集、數據預處理、幾何模型重建和模型可視化。數據采集是模型重建的前提,數據預處理為模型重建提供可靠精選的點云數據,降低模型重建的復雜度,提高模型重構的精確度和速度。數據預處理階段涉及的內容有點云數據的濾波、點云數據的平滑、點云數據的縮減、點云數據的分割、不同站點掃描數據的配準及融合等;模型重建階段涉及的內容有三維模型的重建、模型重建后的平滑、殘缺數據的處理、模型簡化和紋理映射等。實際應用中,應根據三維激光掃描數據的特點及建模需求,選用相應的數據處理策略和方法。現有各種類型的點云數據處理軟件,如三維激光掃描儀配帶的相應點云數據處理軟件或逆向工程領域比較著名的商業點云處理軟件,一般都具有點云數據編輯、拼接與合并、數據點三維空間量測、點云數據可視化、空間數據三維建模、紋理分析處理和數據轉換等功能,但它們往往具有通用的處理功能,對于特定的數據處理效果有一定的不足之處,在功能和性能上也或多或少存在一定缺陷,且一般比較昂貴。目前盡管三維激光掃描測量技術應用領域廣泛,但相關的理論與方法研究仍有待于完善。 
    三維激光掃描測量技術在測繪領域有廣泛的應用。激光掃描技術與慣性導航系統(INS)、全球定位系統(GPS)、電荷耦合(CCD)等技術相結合,在大范圍數字高程模型的高精度實時獲取、城市三維模型重建、局部區域的地理信息獲取等方面表現出強大的優勢,成為攝影測量與遙感技術的一個重要補充。現在在工程、環境檢測和城市建設方面等均有成功的應用實例,如斷面三維測繪、繪制大比例尺地形圖、災害評估、建立3D城市模型、復雜建筑物施工、大型建筑的變形監測等。隨著三維激光掃描測量技術、三維建模的研究以及計算機硬件環境的不斷發展,其應用領域日益廣泛,如制造業、文物保護、逆向工程、電腦游戲業、電影特技等,逐步從科學研究發展到進入了人們日常生活的領域。三維激光掃描技術的介入促進了應用領域的發展,同時應用領域的大量需求成為研究的動力。 
    北京建筑工程學院測繪與城市空間信息學院充分利用學院相應的硬件條件,組建了專門從事三維激光掃描測量技術的研究團隊,在三維激光掃描數據后處理、三維重建等算法研究、軟件開發、基于三維激光掃描測量技術的應用研究等方面進行了研究,并取得了一定的研究成果。測繪與城市空間信息學院基于承擔的故宮古代建筑數字化保護項目和國家體育場的鋼結構的激光掃描變形監測和建模項目,積累了較豐富的理論知識和實踐經驗,其研究成果具有重要的社會和現實意義。學院目前取得的研究成果,為三維激光掃描測量技術在文物保護、工程建設、三維場景重建等領域的成功應用提供了重要的技術支持。

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