[科普中国]-三维数据采集

基本概念

随着航空、航天技术和计算机数字图像处理技术的发展，摄影测量设备成本大幅度降低，数字摄影测量已经成为大规模、大区域测量的主要手段，经过相关数据处理之后能够提供丰富的地理空问信息资料。目前，该技术己被广泛地应用于国民经济的各个行业，在国民经济的建设发展中发挥着重要作用。

建立三维导览系统是企业信息化的重要环节，而车间三维模型数据测量采集与制作是整个三维导览系统构建过程中的一部分，是三维导览系统研发运行的基础。而传统的人工方式在采集数据时，存在如下问题：
(1)效率低下，耗时费力；

(2)精度不高，难以满足生产管理的需要；

(3)得到的数据管理组织困难；

(4)数据兼容性差，造成数据利用率低下。

针对企业在三维建模过程中存在的问题，通过三维数据采集技术采集生产车问的影像数据，该技术效率高，人工少，尺寸精确。基于采集得到的尺寸数据进行模型的制作研究，建立真三维模型，进而构建三维数据库，能在三维导览系统框架平台卜与其他数据集成，为工厂产品设计、生产加工、精细化管理提供基础数据。

基于三维数据采集技术研发的采集系统包括采集工具及图像测量软件。该系统采用CCD传感器作为信息获取工具获取真实场景的图片信息，然后采用近景摄影测量原理获取三维空问中的信息(如点的坐标、两点之间的距离以及点到直线的距离等)。

方法对于大型物体或场景来说，单站扫描无法获取完整的点云数据，需要多次设站扫描并将各测站数据拼接到一起才能实现。根据点云数据拼接方式不同，数据采集方法可分为标靶法、后视定向法和基于点云自动拼接的数据采集法3种。

标靶法
在待测物体四周摆放标靶作为各测站点云数据拼接的公共参考点，对待测物体扫描结束后，人工选择四周通视的标靶进行精扫，获取标靶中心的精确坐标，利用相邻测站3个及以上的公共标靶计算坐标旋转矩阵，将各测站点云数据的坐标转换到选定的基准测站上，从而实现点云数据拼接。实际作业中，为了保证点云数据的拼接质量，每站之间需有4个以上的公共标靶数据。

标靶法在相邻两测站之间可以取得较高的拼接精度，但随着测站传递，拼接误差会随之积累。当被测物体较大或较复杂时，需要摆放较多标靶，这就要求四周有良好的通视条件，若不满足则只能重新调整测站位置。这不仅降低了作业的灵活性，也会影响点云数据采集的质量。因此标靶法一般用于小型独立物体或局部结构的扫描工程。

后视定向法
后视定向法类似于全站仪的测量模式，即在己知控制点上架设仪器扫描待测物体，然后对另一控制点上的标靶进行精扫，获得仪器与标靶的相对坐标，这样返回到扫描仪的单点坐标就如同全站仪碎步测量一样。因此扫描点云数据就具有与控制点相同的坐标系，各测站点云数据即被统一到控制点坐标系中。将扫描得到的所有点云数据利用专业软件打开并显示，各测站点云将自动拼接到一起，通过合并形成整体点云数据。

后视定向法需事先进行控制点测量，控制点精度会直接影响扫描点云数据精度，当对扫描精度要求较高时，就会大大增加控制测量成本。在扫描时，首先要对中整平仪器和标靶，再量取仪器高和标靶中心高。这可以大大降低作业效率，但同时也会引入对中和量高的人为误差。

后视定向法的优点在于可通过控制点拼接点云，相邻测站间互相独立、互不影响，对通视条件没有太大要求，也不需要相邻测站间有较高重叠度。这样可以减少冗余数据采集，提高作业效率，减小数据量，进而便于后期数据处理。因此，后视定向法常用于线状物体测量、大而积地形测量项目。

基于点云自动拼接的数据采集方法基于点云自动拼接的数据采集方法是通过测站间重叠区域点云计算坐标变换参数R(旋转矩阵)和t(平移矩阵)将各测站点云数据统一到一个全局坐标系下完成点云拼接的方法。目前，国内外最常用的点云自动拼接技术是迭代最近点(Iterative Closest Point,ICP)算法。该算法根据欧式距离最小原则寻找两点云间的对应点，然后计算坐标变换参数R和t，对点云坐标进行转换，通过迭代运算不断优化坐标变换参数R和t，最终获得最优解，从而实现点云数据的精确配准的方法。

在外业数据采集时，只要保证测站间的扫描数据有足够重叠区域，扫描时即可自由设站。该方法外业作业灵活，适用于多种工程项目的数据采集。1

优势(1)获取的信息量大。由于尺寸的获取是通过解算相片得到的，因此理论上只要是相片上看得到的物体，就可以恢复出它的三维原貌。由于采用高分辨率和大视场的专用测量CCD相机，一次成相范围大，故每相对所包含的数据信息多。此外，由于是采用相片测量，还可以通过相片获得物体的颜色、状态、纹理等信息，这是传统方法不能相比的。

(2)现场工作时间短，干扰现场程度小。由于尺寸的测量是通过相片得到的，因此不需要在现场花费太多的时间，在现场所要做的工作仅仅是拍照。每套系统每天可获取几千平方米的工厂尺寸数据的图片信息。此外，系统设计成便携式，可以一人手持工作，可以因时因地工作，故无论是系统对现场工作的影响，还是现场对系统工作的制约都很少。

(3)可以现场量测和离现量测、再量测。当获得相片后，可以及时输入计算机，用相应的软件测量出所需要的数据信息。当然本系统的最大好处在于可以离现量测，可以让大量的工作在事后用计算机完成。当提交数据后，若对某些尺寸有怀疑，可以在相应的相片上再次测量，而无须再到现场。这在处理某些瞬时场景的工作上具有特别的意义。

(4 )获取的尺寸精度高。由于采用了相当成熟的立体摄影测量技术，配合计算机解析测图技术和选取专业的高分辨率的测量相机，因此所获取的尺寸精度高。

目前该系统多应用于数字城市、航空领域等，用于制造业领域较少，因此要针对制造业特点进行改进。从采集模式上，可通过尺寸的重新设计找到最适合车间环境的设备尺寸，以满足测量环境改变的需要。从数据处理上，可通过继续升级数据测量处理软件来提高数据处理的效率。通过这两项的改进，可极大提高数据采集的效率，使本系统比传统方式占据更大的优势。2