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（1.南通供电公司,江苏 南通 226007；2.苏州大学机电工程学院,江苏 苏州 215021；
3.南通大学机械工程学院,江苏 南通 226019）
摘 要：绝对激光跟踪技术是高精度、高效率的几何实景重绘技术,受到国内外科研工作者的重视.现阶段该技术主要应用于土木测绘、文物保护、地质勘测等领域.文章介绍了绝对激光跟踪技术的原理,对其特点进行了分析,概述了绝对激光跟踪技术在建筑物3D实景重绘中的应用现状,提出了绝对激光跟踪技术应用于变电站中实景重绘的实施方案.
关键词：绝对激光跟踪技术；建筑物；几何实景重绘技术；土木测绘；文物保护；地质勘测文献标识码：A
中图分类号：P208文章编号：1009-2374（2016）05-0050-03DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.026
1.概述
绝对激光跟踪技术是一项具有时代意义的测试和控制技术.该技术具备精度高、反应快、适用范围广等优点,通过激光扫描仪、传感器和反射球之间的相互配合,得到物体表面的真实参数.在长时间的发展历程中,该技术已经逐步成长为了融合激光干涉、精密机械、自动处理等一系列尖端科技的综合性技术,并在大尺寸物体的测量方面崭露头角.使用这种技术对工厂等建筑物进行3D实景重绘,不仅免去了以往维护中参照施工图维护费时费力的麻烦,更通过技术改良让施工进度和测试速度共同迈向新的纪元.在实际应用的过程中,提高工厂维护的效率不仅节约了专业技术人员的维护时间,更确保了工厂的正常生产和使用.
变电站是连接用户和发电站的中转站.变电站的安全关系到一座工厂的生产安全,关系到千家万户的用电安全.因此,维护这样的工厂就要求速度快、精度高、安全性好,确保为城市及时地提供优质电力源.激光跟踪技术是目前最先进的测绘技术之一,若合理地使用该项技术,必能在最短的时间内以最好的质量完成对变电站的三维实景重绘工作.
2.绝对激光跟踪技术的原理及其特点
随着科学技术的发展,特别是激光技术和编码技术的应用,激光跟踪仪应运而生.目前市场上常见的激光跟踪仪主要是由跟踪仪主机、便携式的测量系统、电脑主机和其他配件共同组成.
跟踪仪主机主要用于确定实时坐标和发射激光束.通过主机加热并发射激光束,测量系统获得了稳定的激光源,同时在和便携式测量系统没有连接的情况下,跟踪仪主机也起到了寻找该系统的作用.
市场上常见的便携式测量系统一般可以分为接触式测量系统和非接触式测量系统.无论是采用哪种系统均拥有多个传感器.这些传感器接收来自于跟踪仪主机的激光信号,之后再通过该信号对物体表面的实时情况进行精确测量.接触式的测量系统通常用于测量难于测得的点坐标,非接触式传感器常用于记录物体表面的具体形状.便携式测量系统具有方便携带、测量精确、可靠性强等优点,在绝对激光跟踪技术中起到了举足轻重的作用.
实验测得的数据需要通过计算机观测和记录.前述各设备均通过数据线与计算机相连,计算机再将数据利用专用软件记录下来,并且实现对所测点云的编辑和修正.对这些数据进行测量,可以得到我们所需要的真实参数.绝对激光跟踪技术是现阶段测绘技术中的翘楚.由于使用激光作为发射源,因此它的测绘精度可达到小数点后三位.另外又由于激光是其工作载体,因此扫描速度在原理上接近光速.此外,体积小的优势又可以让它在多种复杂的环境下使用.和传统的测绘手段比较,在实际运用该技术时可以明显减少人力和工时.因此,对于那些需要及时测绘或工程量巨大的项目来说,使用这种测绘手段会使优势更加明显.
3.绝对激光跟踪技术的应用现状
绝对激光跟踪技术虽然高效可靠,但在实现高精度的同时也为系统标定创造出了新的难点.当系统中存在微小的扰动时,测试所得到的结果也会出现较大的偏差.针对这样的问题,国内外学者近年来提出了很多建设性的意见.
陕西科技大学的团队使用了一种采用多台设备共同跟踪目标的方法.通过两台相机同时对目标进行标定,我们能够利用其相对位置对目标参数进行求解.所以当测试设备由于不可抗拒因素而发生扰动时,这个特别组建的系统能够快速反映实时坐标并求解出一套新的参数.辽源职业技术学院和淮海工学院的科研人员提出了一种更为简单的实验方法.该实验团队使用设置标靶的方法来框定检测目标的大体位置,避免了实验结果与实际情况的较大出入.然后再根据点云的形状对观测所得的结果进行修正.
事实上,这种技术在文物保护方面已经率先得到了应用.在长时间的实践过程中,文物保护人员总结出了一套一般性的方案.
在整个扫描过程开始之前,首先要做的就是针对被扫描的个体建立一个标准的笛卡尔坐标系,然后采用多站测试的方法,对对象逐个扫描.在扫描过程中,设置多个标靶,同时以10%以上的重合度进行多次扫描.当该工作全部完成之后,需要在计算机中对整个测试个体进行拼接、编辑和修正,以完成对被测实体的最高真实度的还原.来自河南省测绘工程院和郑州大学综合测绘研究院对某古建筑的拼接还原,达到了良好的效果.
另外,国内外也针对该技术进行了很多细节性的研究,例如噪声的去除.譬如在检测的过程中出现了行人、昆虫、树木等不需要的检测项,我们就需要在进行最终处理之前将这些多余的点云集中去除.针对这些目标的去除,国内外的学者还研究出了各种滤波方法,加以实践.
4.绝对激光跟踪测量变电站方案介绍
变电站内部结构复杂、仪器众多,需要在确保测量精度的情况下实现快速测量.在这样的使用背景下,使用绝对激光跟踪技术就能够充分地展现其在测绘方面的优势.由于测绘对象的特殊性,我们对传统的测绘方式进行了一些改进和变通.现在,我们在整个工程在确保质量的前提下,以更高效更经济为目标,完成测试要求.
4.1变电站测量方案介绍
在本次测试中,我们使用Leica AT-901 MR作为主要测量仪器,通过对变电站的总体结构的分析,特别是对其中细节结构的捕捉,实现对实验对象的3D几何实景重绘.同时我们选用LeicaT-Probe和Leica T-Scan两台便携式测量装置对实验目标进行测量,其中Leica T-Probe为手持接触式的测量设备,Leica T-Scan为手持非接触式的测量设备.
首先需要根据被测现场的整体布局情况建立笛卡尔坐标系.我们选取一个容易被观测到的位置,同时这个位置在水平方向上尽量与整体的建筑结构保持平行.之后利用Leica AT-901 MR和Leica T-Probe,测量出这个位置的坐标.同时以该坐标为原点,并以可见物体的边缘为x、y、z轴,建立笛卡尔坐标系.需要说明的是,这里的坐标系需要用以上的测量设备,确保它们相互之间的两两垂直关系.若一次测量不准确,需要多次测量取最优值.
由于变电站内部结构众多,所以在具体操作之前应选定标志点,以方便以后的坐标采集.在这个阶段,我们同样需要利用Leica AT-901 MR和Leica T-Probe联合工作.首先将Leica AT-901 MR放置在能够测量到被测平面中较多标志点的位置上,再通过工作人员手持Leica T-Probe到所需测量点对相应坐标进行测量.这些数据实时传回计算机内,并由设备相匹配的相关软件记录下点的坐标.
在我们完成标志点的标定工作之后,需要对这些点进行核实并做一些细节的补充.其主要工作是为每个面删除由于误操作产生的多余点,并且在一些明显框架结构上用线条勾勒.之后我们就可以从计算机显示出的图像得到所测实体的大致样式.同时我们也应该利用软件及时地将所测得的关键点放置到最初建立起的笛卡尔坐标系中,以形成一个三维实景的线条模型.
由于细节部位和难以测绘到的部分测量难度较大,所以我们接下来应该优先对这些部分进行测绘.首先我们将Leica AT-901 MR放置在能够测绘到更多被测点的位置上,再通过Leica T-Scan对这些部分进行扫描.由于扫描质量受到扫描速度、位置角度等因素的影响,因此我们对关键性的部位进行多次扫描,以求最优效果.当所有的关键点和关键部位都扫描结束之后,将这些点放入之前建立好的笛卡尔坐标系中.
最后我们需要对剩下来的其他部位进行大范围的扫描.虽然这种扫描并不需要特别高的精度,但在扫描的时候同样需要注意到Leica AT-901 MR的移动等实际情形.每个面扫描完成后都需要参照之前已经建立好的线条模型进行修正,以期达到最接近实物的效果.当扫
描完一个整面之后再依次对其他的面进行扫描,直到最后一个面扫描完成.
接着我们对扫描出的结果整体检查,对没有扫描到的个别细节进行补充.依照最开始勾勒出来的线条轮廓和细节位置修剪点云,对之前拼接不到位的地方重新拼接,以此实现对整个实景重绘对象的最优解.
值得一提的是,对于最后扫描出来的结果仍然是以点云的形式存在的.因此,要想获得适合最终展示的成品,还需要使用如3Ds Max或SketchUp等软件进行进一步的处理和加工,效果图可以使用Vray等渲染软件再加工和处理.
4.2方案关键点
总结以上方案,再结合变电站的实际需要,有如下四点需要着重把握：（1）正确地连接和配置设备.设备是实验的基础,设备的精度是实验成果优劣的关键所在.因此,正确摆放、配置、连接、检测设备是我们需要完成好的第一步.对于变电站来说,需要找到一个便于测量和摆放仪器的空地,并且远离变电站内部的电力设备.（2）确定标志点.标志点是确定实验对象大致位置的重要依据,也是说明检测范围最直接的依据.确定好这些标志点有利于提高被测对象的实际检测精度,方便以后对实验目标坐标位置的修正.在这个实际案例中,我们应特别注意变电站内如变压器、油开关、避雷针等重要设备,确保每个细节都能够被准确无误地扫描到.（3）扫描实验对象.对目标对象进行全局扫描,确保扫描到被测对象的每一个细节,其中某些大型仪器需要多次、重复扫描；如需变动激光跟踪仪的位置,则需要及时将扫描到的图片还原到开始建立好的坐标系中.（4）除燥和修正.利用标志点和被扫描平面点云之间的相对位置关系对最后的实验结果进行编辑,以达到最优实验结果.
4.3方案特点和优势
该方法具有使用仪器少、成本低、精度高等特点,对于人流量较少的测量对象能够较为准确地测得所需要的数据.相对于其他的方案,这种方案又具有实时修正的特点,避免了产生大量误差后再去修改而带来的难以修复的麻烦.
5.总结和展望
绝对激光跟踪技术对于3D实物测绘本身来说是一项重要的突破.它精度高、反应迅速、使用方便的优点值得大力推广和研究.虽然使用激光跟踪仪进行建筑物实景重绘的方法仍存在着明显的不足,但若能够改进相应的使用手段,绝对激光跟踪技术的使用前景是无可限
量的.
结合前人的工作经验和自己的观察分析,针对某些工厂的实际情况,本文总结出了适合于我们自己的一套测绘方法.利用这套方案,可以人为地修复由于某些不可抗拒因素而带来的误差,从而获得更好的测量结果.
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作者简介：朱富云（1957-）,男,南通供电公司高级技师,高工,苏州大学机电工程学院产业教授,在读博士,研究方向：电力系统、智能机器人技术；茅雷（1973-）,男,南通供电公司高工,研究方向：电力系统及自动化技术；陆志辉（1956-）,男,南通供电公司高级技师,研究方向：电力系统技术；吴国庆（1957-）,男,南通大学机械工程学院教授,博士,研究方向：机电一体化、智能微网控制.
（责任编辑：陈洁）
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激光扫描测量引用文献:
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