三維數據採集

數據採集，是指從感測器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動採集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析，處理。

三維數據採集是指利用一系列感測器或者測量設備對三維立體的待測物體進行數據採集。

基本介紹

• 中文名：三維數據採集
• 外文名：three dimensional data collection
• 優點：效率高、人工少
• 類別：控制科學與工程
• 方法：標靶法等
• 套用：國民經濟等領域

基本概念

隨著航空、航天技術和計算機數字圖像處理技術的發展，攝影測量設備成本大幅度降低，數字攝影測量已經成為大規模、大區域測量的主要手段，經過相關數據處理之後能夠提供豐富的地理空問信息資料。目前，該技術己被廣泛地套用於國民經濟的各個行業，在國民經濟的建設發展中發揮著重要作用。

建立三維導覽系統是企業信息化的重要環節，而車間三維模型數據測量採集與製作是整個三維導覽系統構建過程中的一部分，是三維導覽系統研發運行的基礎。而傳統的人工方式在採集數據時，存在如下問題：
(1)效率低下，耗時費力；

(2)精度不高，難以滿足生產管理的需要；

(3)得到的數據管理組織困難；

(4)數據兼容性差，造成數據利用率低下。

針對企業在三維建模過程中存在的問題，通過三維數據採集技術採集生產車問的影像數據，該技術效率高，人工少，尺寸精確。基於採集得到的尺寸數據進行模型的製作研究，建立真三維模型，進而構建三維資料庫，能在三維導覽系統框架平台卜與其他數據集成，為工廠產品設計、生產加工、精細化管理提供基礎數據。

基於三維數據採集技術研發的採集系統包括採集工具及圖像測量軟體。該系統採用CCD感測器作為信息獲取工具獲取真實場景的圖片信息，然後採用近景攝影測量原理獲取三維空問中的信息(如點的坐標、兩點之間的距離以及點到直線的距離等)。

方法

對於大型物體或場景來說，單站掃描無法獲取完整的點雲數據，需要多次設站掃描並將各測站數據拼接到一起才能實現。根據點雲數據拼接方式不同，數據採集方法可分為標靶法、後視定向法和基於點雲自動拼接的數據採集法3種。

標靶法

在待測物體四周擺放標靶作為各測站點雲數據拼接的公共參考點，對待測物體掃描結束後，人工選擇四周通視的標靶進行精掃，獲取標靶中心的精確坐標，利用相鄰測站3個及以上的公共標靶計算坐標旋轉矩陣，將各測站點雲數據的坐標轉換到選定的基準測站上，從而實現點雲數據拼接。實際作業中，為了保證點雲數據的拼接質量，每站之間需有4個以上的公共標靶數據。

標靶法在相鄰兩測站之間可以取得較高的拼接精度，但隨著測站傳遞，拼接誤差會隨之積累。當被測物體較大或較複雜時，需要擺放較多標靶，這就要求四周有良好的通視條件，若不滿足則只能重新調整測站位置。這不僅降低了作業的靈活性，也會影響點雲數據採集的質量。因此標靶法一般用於小型獨立物體或局部結構的掃描工程。

後視定向法

後視定向法類似於全站儀的測量模式，即在己知控制點上架設儀器掃描待測物體，然後對另一控制點上的標靶進行精掃，獲得儀器與標靶的相對坐標，這樣返回到掃瞄器的單點坐標就如同全站儀碎步測量一樣。因此掃描點雲數據就具有與控制點相同的坐標系，各測站點雲數據即被統一到控制點坐標系中。將掃描得到的所有點雲數據利用專業軟體打開並顯示，各測站點雲將自動拼接到一起，通過合併形成整體點雲數據。

後視定向法需事先進行控制點測量，控制點精度會直接影響掃描點雲數據精度，當對掃描精度要求較高時，就會大大增加控制測量成本。在掃描時，首先要對中整平儀器和標靶，再量取儀器高和標靶中心高。這可以大大降低作業效率，但同時也會引入對中和量高的人為誤差。

後視定向法的優點在於可通過控制點拼接點雲，相鄰測站間互相獨立、互不影響，對通視條件沒有太大要求，也不需要相鄰測站間有較高重疊度。這樣可以減少冗餘數據採集，提高作業效率，減小數據量，進而便於後期數據處理。因此，後視定向法常用於線狀物體測量、大而積地形測量項目。

基於點雲自動拼接的數據採集方法

基於點雲自動拼接的數據採集方法是通過測站間重疊區域點雲計算坐標變換參數R(旋轉矩陣)和t(平移矩陣)將各測站點雲數據統一到一個全局坐標系下完成點雲拼接的方法。目前，國內外最常用的點雲自動拼接技術是疊代最近點(Iterative Closest Point,ICP)算法。該算法根據歐式距離最小原則尋找兩點雲間的對應點，然後計算坐標變換參數R和t，對點雲坐標進行轉換，通過疊代運算不斷最佳化坐標變換參數R和t，最終獲得最優解，從而實現點雲數據的精確配準的方法。

在外業數據採集時，只要保證測站間的掃描數據有足夠重疊區域，掃描時即可自由設站。該方法外業作業靈活，適用於多種工程項目的數據採集。

優勢

(1)獲取的信息量大。由於尺寸的獲取是通過解算相片得到的，因此理論上只要是相片上看得到的物體，就可以恢復出它的三維原貌。由於採用高解析度和大視場的專用測量CCD相機，一次成相範圍大，故每相對所包含的數據信息多。此外，由於是採用相片測量，還可以通過相片獲得物體的顏色、狀態、紋理等信息，這是傳統方法不能相比的。

(2)現場工作時間短，干擾現場程度小。由於尺寸的測量是通過相片得到的，因此不需要在現場花費太多的時間，在現場所要做的工作僅僅是拍照。每套系統每天可獲取幾千平方米的工廠尺寸數據的圖片信息。此外，系統設計成攜帶型，可以一人手持工作，可以因時因地工作，故無論是系統對現場工作的影響，還是現場對系統工作的制約都很少。

(3)可以現場量測和離現量測、再量測。當獲得相片後，可以及時輸入計算機，用相應的軟體測量出所需要的數據信息。當然本系統的最大好處在於可以離現量測，可以讓大量的工作在事後用計算機完成。當提交數據後，若對某些尺寸有懷疑，可以在相應的相片上再次測量，而無須再到現場。這在處理某些瞬時場景的工作上具有特別的意義。

(4 )獲取的尺寸精度高。由於採用了相當成熟的立體攝影測量技術，配合計算機解析測圖技術和選取專業的高解析度的測量相機，因此所獲取的尺寸精度高。

目前該系統多套用於數字城市、航空領域等，用於製造業領域較少，因此要針對製造業特點進行改進。從採集模式上，可通過尺寸的重新設計找到最適合車間環境的設備尺寸，以滿足測量環境改變的需要。從數據處理上，可通過繼續升級數據測量處理軟體來提高數據處理的效率。通過這兩項的改進，可極大提高數據採集的效率，使本系統比傳統方式占據更大的優勢。