跳到主要內容

科技大觀園商標

分類項目
Menu

無處不在的空間資訊:三維雷射掃描儀–新一代測量利器

92/05/12 瀏覽次數 24885
雷射技術在測量上的應用

測量兩地物點間的距離是測量工程最基本的工作,早期以捲尺測距,精確度較低且不利於長距離的量測。一九七○年代光波測距儀問世,其工作原理是以一定波長的光波,從儀器站瞄準對站的反射稜鏡或反射物體發射,並接收平行反射回來的光波,比對其相位差來計算光波發射中心與稜鏡反射中心間的距離,其精度可達±3毫米,是目前測量工程上主要的測距儀器。

早期的光波測距儀必須有反射稜鏡的配合才能測距,第三代的光波測距儀應用雷射光為媒介,不需反射稜鏡即能獲得反射光波,只要被測物體對雷射光源有5%以上的平行反射量,即能準確測得其距離,其測距精度在一百公尺範圍內約為±5毫米,雖然比稜鏡式光波測距儀稍差,但因不需預先安置反射稜鏡,增加了許多方便性。

目前雷射測距儀已經是測量儀器市場上的主要產品之一,甚至與先進的電子式經緯儀(用來量度水平與垂直角度的儀器)結合成雷射全測站儀,利用雷射測距及經緯儀的測角功能,直接測定被測點與觀測站的三維座標差,若觀測站的座標為已知,則可求得被測點的三維座標值。最新的雷射全測站儀甚至配備有伺服馬達,可自動引導經緯儀掃描某一設定的目標區域,得到全區均勻分布的量測點,作為測量時的座標。

上述雷射全測站儀雖然具備掃描點位的功能,但是每觀測一個掃描點需要二至三秒,若進行高密度點位的掃描,通常需要數小時,效率不彰。三維雷射掃描儀是一部由快速準確的雷射測距儀,再加上一組可導引雷射光以等角速度掃描的反射稜鏡所組成,可測得測站至每一掃描點的斜距,配合掃描稜鏡的水平與垂直方向角,就可推算每一掃描點的三維座標。

雷射掃描速度非常高,可達每秒數萬點,瞬間產生大量觀測資料,因此通常需具有即時儲存大量資料的功能。由於雷射掃描是以主動式光源進行量測,故可於黑暗中進行觀測,有利於隧道或洞穴內的量測工程。有些三維雷射掃描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。

三維雷射掃描儀類型

各種三維雷射掃描儀的製作原理均相似,但是依其掃描的有效距離,可將目前商業化的掃描儀分為短、中、長距離及航空雷射掃描儀等四種類型。短距離雷射掃描儀的掃描距離小於一公尺,是最早商業化的機種,通常用於小型模具的量測,最為便宜普及。掃描距離在1~30公尺者屬於中距離雷射掃描儀,多用於大型模具或室內空間的量測,對大多數測量工程而言,其量測範圍則嫌不足。

掃描距離超過30公尺甚至可達一公里者,屬於長距離雷射掃描儀,可用於建築物、洞穴、土木工程等大型物體的測量,如今已廣泛應用於各式測量工程,是量測工具的明日之星。目前有能力生產長距離雷射掃描儀的廠商並不多,然而隨著需求的快速增加,商業化的機型也不斷推陳出新。航空雷射掃描儀的掃描距離通常大於一公里,需配合精確的導航定位及方位系統才能求得掃描點座標,此種系統架構複雜且昂貴,適用於大範圍地表起伏的測量。

掃描資料的呈現方式

三維雷射掃描儀掃描所得的資料,可依掃描的等間隔角度排列,而以二維影像的型態呈現。若將距離以色彩表示,則形成所謂的距離影像,也可以依雷射的反射能量,形成所謂的反射灰階影像。有些三維雷射掃描儀可同時測得掃描點的光學影像,相當於取得許多三維像素的色彩值,形成所謂的三維影像。

將三維影像以掃描時的等間隔角度方式排列,所呈現出來的圖像,看起來像是以一般相機用魚眼鏡頭所拍的相片。但是若以三維透視投影的方式來表現三維影像,則可觀察掃描所得的實景影像。若以虛擬實境的軟體來觀察三維影像,則可從任意角度觀察實景影像。實景影像的黑色部分代表被遮蔽的區域,沒有獲得掃描資料。

未來的發展

三維雷射掃描儀可快速獲得物體在三度空間內,均勻密布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,可快速獲得高品質的測量資料,大大減低量測的工作量,其餘的工作,即是以電腦從掃描得到的資料中,萃取出所要的空間資訊。

一家名為雷射製圖的公司(Laser Mapping Inc.)以一張手繪圖,生動地描繪出運用三維雷射掃描儀在測量工程上的願景。三維雷射掃描技術將為測量帶來嶄新的前景,測量工作會變得有效率但不再仰賴專業能力,這對多數工程單位而言,當然是樂見的。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。

雷射掃描所得的初步資料,是均勻密布在被測物表面上的三維點雲,當被測物無法以一次掃描涵蓋整個範圍進行完整觀測時,則需整合多個測站所產生的點雲來達成任務。然而由於各觀測站的參考座標系統不同,因此點雲資料的連結並非單純的資料合併,必須透過參考座標系統的轉換,才能解決資料結合的問題。

此外,點雲資料屬隱性資料,對於被測物並非顯性描述,對大多數的工程測量而言,需要將點雲資料進行模型化的處理,以獲得被測物的物件式或圖元式的顯性描述,即結合點群形成線、面或三維實體等,以便後續的分析,因此必須發展點雲模型化的後續應用軟體,才能發揮三維雷射掃描資料的功效。

應用領域

三維雷射掃描儀主要是用在工程測量方面,而工程測量又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。工程測量通常具有測量範圍小,被測物的空間關係複雜且可能正處於持續變化狀態,必須快速獲得測量資訊,經常會遇到困難甚至危險的測量環境等特性,使得測量工作倍加困難。

三維雷射掃描儀具備快速準確的量測功能,只要有一個立足點,即能以很短的時間測得大量的點位,許多困難的工程測量問題,勢將因此種儀器的引進隨之迎刃而解。未來各式工程測量會陸續引用此一儀器為主要的測量工具。目前三維雷射掃描儀雖然昂貴(超過十萬美金),但相信隨著需求量的增加及生產技術的提升,應有大幅降價的空間。近幾年,商業化的三維雷射掃描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。
OPEN
回頂部