3D Laser Scanning

 
 

近年來長距離三維雷射掃瞄技術發展成熟,可應用於工程測量的高精度三維雷射掃瞄儀陸續商用化。
三維雷射掃瞄儀可快速掃瞄被測物,不需反射稜鏡即可直接獲得高密度的掃瞄點之三維坐標,此種快速獲得物空間三維資訊的儀器是一項嶄新的測量利器。



資料來源:FARO網站

站在推廣新技術的立場,本文主旨是介紹三維雷射掃瞄技術的原理並比較目前已商業化的儀器,然後探討三維雷射掃瞄技術在工程測量上應用之潛力及範例,並更進一步討論三維雷射掃瞄資料後續處理的問題及方法,測量實例說明應用的效能並展示其資料處理成果。


工程測量與各項民生工程息息相關,舉凡土木建設工程、防災與災害調查、建築古蹟維護、坑道與洞穴測量、工廠設施與管線配置、及自然景觀維護等,皆須實施現地的測量以獲得三維實景的空間資訊,是目前應用最廣泛的測量技術。

工程測量的特性有:
1.測量範圍小
2.被測物之空間關係複雜且可能正處持續變化狀態
3.應用條件是必須快速獲得測量資訊
4.時常會遇到困難甚至危險的測量環境,使得測量工作倍加困難。
 


三維雷射掃瞄儀 (3D Laser Scanner) 是內含掃瞄稜鏡之快速雷射測距儀,不需反射稜鏡即可精確測得掃瞄點之三維坐標,其掃瞄速度可達數萬點/秒。
此種快速獲得物空間三維資訊的儀器,具有相當大的應用潛力與需求,許多困難的工程測量問題,將因此種儀器的引進迎刃而解決。


其長處有:
1.雷射掃瞄儀只要能有一個儀器立足點,即能以不接觸被測物的方式快速獲得掃瞄範圍非常高密度且高精度的三維點位,經由配合的資料處理軟體亦可形成三維向量圖形的空間資料
2.雷射掃瞄儀另一特點是主動式量測不需要可見光源,所以在黑暗中亦可進行量測,此特性對坑道或自然洞穴之測量非常有幫助
3.有可見光源時,可同時獲取被測點的色彩值,形成三維影像 (3D Image),可方便建立虛擬實境。具雷射測距儀及轉動伺服馬達之全測站經緯儀(Total Station)亦具有相同的掃瞄功能 ,然由於採用機械式旋轉機制,其掃瞄量測速度受一定之限制。
以Leica TM1001 配合DIOR 掃描之經驗,每點量測約需5 秒,掃瞄的速度與三維雷射掃瞄儀相差甚遠,無法相提並論。


而由於三維雷射掃瞄所得的初步資料是一群密佈點雲的三維座標,這些資料需經過一些後續的處理才能產生適用的空間資訊,例如觀測座標系統與物空間座標系統的轉換、不同觀測點群的銜接、及點群分割或模型化等,因此本文亦針對掃瞄資料的特性,探討後續處理的問題及方法。



 




 三維雷射掃瞄原理

三維雷射掃瞄儀的主要構造是一部快速準確的雷射測距儀加上一組可導引雷射光以等角速度掃瞄的反射稜鏡,雷射測距儀可主動發射雷射光,同時接收自「自然物表面」反射之訊號進行測距,針對每一掃瞄點可測得測站至掃瞄點的斜距,配合掃瞄的水平與垂直方向角,可推求得每一掃瞄點與測站之三度空間相對坐標差,若測站之三維坐標為
已知,則可求得每一掃瞄點的三維坐標。目前雷射掃瞄速度可達數萬點/秒,瞬間產生大量觀測資料,因此通常需與連接電腦即時儲存資料。以Riegl 公司生產之LMS-Q140 為例



三維雷射掃瞄儀的架構如圖一
圖中標註  1是雷射測距儀、2是掃瞄範圍、3是掃瞄稜鏡、4是電腦連接埠、5是電腦、及6是儲存裝置。

由於雷射掃瞄以主動式光源進行量測,可於黑暗中進行觀測,有利於隧道或洞穴的量測工程。有些三維雷射掃瞄儀可同時接收反射的雷射光及可見光,如此可將可見光的強度及色彩敷貼在三維座標點上,形成所謂的三維影像 (3D Image)。

三維雷射掃瞄儀在其掃瞄的範圍內,觀測得非常密的點雲 (point cloud) 之座標,但被遮蔽的物體面則無觀測點,因此針對複雜外型的地物或是無法以一觀測點掃瞄範圍涵蓋的地物,皆須聯合多測站的觀測點雲才能竟功。然而,點雲的結合有觀測座標系統差異的問題,必須透過座標轉換才能達成,才能整合觀測點雲的資料。


三維雷射掃瞄儀可快速獲得物空間均勻密佈且高精度的點雲三維座標資訊,具有相當大的應用潛力與需求。此種儀器操作簡單,可獲得高品質的測量成果,是未來的測量利器。
工程測量與各項民生工程息息相關,是目前應用最廣泛的測量技術,其主要應用條件是必須快速獲得測量資訊,三維雷射掃瞄儀即是具備此種功能的儀器,因此可預期未來各式工程測量將會陸續引用三維雷射掃瞄儀為主要的測量工具。
目前三維雷射掃瞄儀雖然昂貴(多高於十萬美金),但相信隨著需求量的增加及生產技術的提升,應有大幅降價的趨勢。近幾年,商業化的三維雷射掃瞄儀如雨後春筍般推出,各種應用案例及需求也快速增加,可見其普及腳步的速度。以目前之應用而言,多為場景重建,如重現建築物之外觀結構。除古蹟保育、山坡地開發、土木工程竣工測量、土方計算,等等。


三維雷射掃瞄成果之點雲模型化後續處理,可方便快速地從大量的點位資訊中萃取得顯性的三維空間資訊,這些資訊不但詳實且精度高。然而針對不同類型的應用,需發展相應的模型化理論,因而會帶動許多新的研究方向,未來幾年雷射掃瞄資料的處理問題會是學術論文的重點方向,亦是可預期的。
總之,三維雷射掃瞄技術將帶來嶄新測量前景,測量工作會變得有效率且“傻瓜”型,對多數工程單位而言,當然是歡迎此技術的來臨。然而,這也代表測量工作量的大幅降低,測量工作人力需求也會隨著下降,身在測量領域或者工作領域與測量業務息息相關者,無論如何避不開此項新技術的衝擊,及早認識此新技術可提早做因應的準備。

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