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一、论三维激光扫描技术的研究意义及现状

发布时间:2017-09-02     文章来源:www.1wns.com

三维激光扫描技术是一门新兴的技术,是继GPS技术之后出现的又一次技术革命,也是目前最先进的测绘技术之一。它能够高精度的快速获取扫描数据,并能够完整地对扫描数据进行建模,又被称为“实景复制技术”。该技术集机械、光学、计算机技术和控制理论于一体,由传统的测绘技术经过精密快速的传感工艺整合,以及多种现代高科技手段的集成而发展起来的,是对多种传统测绘技术的一体化。三维激光扫描技术具有传统测量手段所不具有的优点,它无需事先埋设监测点、无需接触被测地性、测量精度高、测量速度快、而且可以快速获取高精度、高密度的三维点云数据,通过对点云数据的处理和建模可以得到整个地形区域的图形信息,通过对测量结果的分析与研究,生成所测地形的地形图等,以更好的对该地形进行设计及规划,从而为国民经济建设和社会发展提供技术保障。

目前一些发达国家已将三维激光扫描技术广泛应用到各个行业,如变形监测、滑坡沉降监测、建筑物快速建模、道路设计、文物修复、地形测量等。欧美国家在三维激光扫描技术行业中起步较早 ,始于20世纪60年代。发展最快的是机载三维激光扫描技术,目前该技术正逐渐走向成熟。早期美国的斯坦福大学1998年进行了地面固定激光扫描系统的集成试验,取得了良好的效果,至今仍在开展较大规模的研究工作。1999年在意大利的佛罗伦萨,来自华盛顿大学的30人小组利用三维激光扫描系统对米开朗基罗的大卫雕像进行测量,包括激光扫描和拍摄彩色数码相片,之后三维激光扫描系统逐步产业化。目前,国际上许多公司及研究机构对地面三维激光扫描系统进行研发,并推出了自己的相关产品。

随着三维激光扫描设备在精度、效率和易操作性等方面性能的提升以及成本方面的逐步下降,20世纪90年代,它成为了测绘领域的研究热点,扫描对象和应用领域也在不断扩大,逐渐成为空间三维模型快速获取的主要方式之一。许多设备制造商也相继推出了各种类型的三维激光扫描系统,现在三维激光扫描系统已经形成了颇具规模的产业。

目前,国际上已经有几十个三维激光扫描仪制造商,制造了各种型号的三维激光扫描仪,包括微距、短距离、中距离、长距离的三维激光扫描仪。微观、短距离的三维激光扫描技术已经很成熟。长距离的三维激光扫描技术在获取空间目标点三维数据信息方面取得了新的突破,并应用于大型建筑物的测量、数字城市、地形测量、矿山测量和机载三维激光测高等方面,并且有着广阔的应用前景。

在软件方面,不同厂家的三维激光扫描仪都带有自己的系统软件。还有其他三维激光扫描数据处理软件,如Geomagic StudioPoly Work软件等,这些软件都各有所长,主要用于逆向工程产品建模。

在国内三维激光扫描技术的研究起步较晚,研究的内容主要集中在微短距的领域中,这几年,随着三维激光扫描技术在国内的应用逐步增多,国内很多科研院所以及高等院校正在推进三维激光扫描技术的理论与技术方面的研究,并取得了一定的成果。由国家测绘地理信息局发布的《地面三维激光扫描作业技术规程》(CH/Z 3017-2015),于201581日开始实施。

我国第一台小型的三维激光扫描系统是由华中理工大学与邦文文化发展公司的合作下成功研制的。在堆体变化的监测方面,原武汉测绘科技大学(2000年与武汉大学合并)地球空间信息技术研究组开发的激光扫描测量系统可以达到良好的分析效果,武汉大学自主研制的多传感器集成的LD激光自动扫描测量系统,实现了通过多传感器对目标断面的数据匹配来获取被测物的表面特征的目的。清华大学提出了三维激光扫描仪国产化战略,并且研制出了三维激光扫描仪样机,已通过了国家863项目验收。北京大学的视觉与听觉信息处理国家重点实验室三维视觉计算小组在这方面做了不少研究,“三维视觉与机器人试验室”使用不同性能的三维激光扫描设备,全方位摄像系统和高分辨率相机采集了建模对象的三维数据与纹理信息。最终通过这些数据的配准和拼接完成了物体和场景三维模型的建立。北京故宫博物馆于2003年将从意大利引进的激光扫描技术应用到故宫古建筑群的三维扫描中。加拿大Optech公司生产的ILRIS-3D三维激光扫描仪在北京建筑工程学院的故宫数字化项目中起到了重要作用。20064月,西按四维航测遥感中心与秦兵马俑博物馆合作建立了2号坑的三维数字模型。此外,北京天远三维科技有限公司的OKIO三维扫描仪、上海精迪测量的JDSCAN三维扫描仪都有自己的市场竞争力。

尽管三维激光扫描技术在各行业中得到广泛应用,但大多数都是直接应用外国成熟的软件进行数据采集和处理工作。目前国外成熟的地面激光扫描软件相对丰富。在国内,林业科学院针对林业的特点开发了用于林业方面的处理软件。中国水利水电科学研究院的刘昌军开发了海量激光点云数据处理软件和三维显示及测绘出图软件。在国内针对点云数据建模软件开发的还比较少。