崔希民，馬開鋒，，黃桂平

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083;2.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州450045)

近年來(lái)，隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，尤其是以數(shù)字制造為核心的先進(jìn)制造技術(shù)的迅猛發(fā)展，要求對(duì)工業(yè)精密測(cè)量技術(shù)進(jìn)行革新.其中測(cè)繪領(lǐng)域的現(xiàn)代三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)就是應(yīng)用廣闊、測(cè)量精度高、方便快捷的一種測(cè)量新技術(shù).工業(yè)測(cè)量是指在工業(yè)生產(chǎn)和科研各環(huán)節(jié)中，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和規(guī)范的要求，采用高精度(精度達(dá)亞毫米±0.1 mm，甚至更高達(dá)到±0.01 mm ～±0.05 mm)的測(cè)量方法和技術(shù)對(duì)三維部件、工件、整機(jī)或結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查、檢核、調(diào)整、裝配、安裝和維護(hù);包括為了獲取三維坐標(biāo)，進(jìn)行準(zhǔn)直、水準(zhǔn)、幾何形狀擬合、質(zhì)量保證審核、靜態(tài)/動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)等而進(jìn)行的精密測(cè)量［1］.

由于測(cè)量目標(biāo)與測(cè)量手段的多樣性，導(dǎo)致三維工業(yè)測(cè)量與常規(guī)工程測(cè)量的區(qū)別顯著. 常規(guī)工程測(cè)量以土木工程等露天目標(biāo)的空間坐標(biāo)和其他幾何尺寸為主要測(cè)量目的，以常規(guī)測(cè)角測(cè)距儀器和全球定位系統(tǒng)(GPS)等為主要測(cè)量設(shè)備，點(diǎn)位絕對(duì)精度與測(cè)量頻率較低，作業(yè)距離較長(zhǎng)，目標(biāo)物尺寸較大;而三維工業(yè)測(cè)量大多以車間或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)或室外特定的設(shè)備、模型、工業(yè)產(chǎn)品或其零部件的幾何量或物理量等為主要測(cè)量目的，采用多達(dá)10 余類測(cè)量手段的理論、方法和設(shè)備，點(diǎn)位絕對(duì)精度與測(cè)量頻率高，作業(yè)距離一般較短，目標(biāo)幾何尺寸一般相對(duì)較?。?］. 這里主要指用于精密定位的三維坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng).

1 三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)研究進(jìn)展

根據(jù)所使用的主要傳感器的不同，三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)分為三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)、全站儀測(cè)量系統(tǒng)、激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描測(cè)量系統(tǒng)、關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、室內(nèi)GPS、數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)等八大類.目前三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的一個(gè)最新發(fā)展趨勢(shì)是多個(gè)傳感器的集成和綜合使用.

1.1 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是指在一個(gè)三維空間內(nèi)，對(duì)幾何形狀、長(zhǎng)度及圓周分度等進(jìn)行測(cè)量的儀器，它是傳統(tǒng)通用三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器的代表，通過(guò)測(cè)頭沿導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的坐標(biāo)測(cè)量［3］. 具有測(cè)量準(zhǔn)確、效率高、通用性好的優(yōu)點(diǎn);但對(duì)測(cè)量環(huán)境要求高、不便攜、測(cè)量范圍小，而且屬于接觸式測(cè)量方式、不易對(duì)準(zhǔn)特征點(diǎn). 目前，Brown ＆ Sharpe 公司生產(chǎn)的LAMBDA SP 型龍門式巨型坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的最大測(cè)量空間達(dá)到了3 m×10 m×2 m，如圖1所示.

圖1 LAMBDA SP 型CMM

1.2 經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)

經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)是由兩臺(tái)或兩臺(tái)以上的高精度電子經(jīng)緯儀(如Leica 的T3000，水平角和垂直角的測(cè)角精度皆為0.5″)構(gòu)成的空間角度前方交會(huì)測(cè)量系統(tǒng)，原理如圖2所示.它是在大尺寸測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最早和最多的一種系統(tǒng)，由電子經(jīng)緯儀、基準(zhǔn)尺、通訊接口和聯(lián)機(jī)電纜及微機(jī)等組成［4］，如圖3所示.

圖2 經(jīng)緯儀坐標(biāo)測(cè)量原理

圖3 MetroIn 經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)

經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)、非接觸式測(cè)量，測(cè)量范圍較大(2 m 至幾十米)，測(cè)量精度比較高，在20 m 范圍內(nèi)的坐標(biāo)精度可達(dá)到10 μm/m;其不足是一般采用手動(dòng)照準(zhǔn)目標(biāo)，逐點(diǎn)測(cè)量，效率低、自動(dòng)化程度不高. 但目前已出現(xiàn)了帶馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)緯儀(如Leica 的TM5100A)，在重復(fù)測(cè)量時(shí)不需手動(dòng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)、實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)量［3］. 如鄭州解放軍測(cè)繪學(xué)院推出的國(guó)產(chǎn)化的商業(yè)系統(tǒng)MetroIn［5］.

1.3 全站儀測(cè)量系統(tǒng)

全站儀是一種兼有電子測(cè)角和測(cè)距的測(cè)量?jī)x器.其坐標(biāo)測(cè)量采用空間極(球)坐標(biāo)測(cè)量的原理，如圖4所示，它是測(cè)繪行業(yè)應(yīng)用最廣和最通用的一種坐標(biāo)測(cè)量機(jī).

早在1990年之前，瑞士Leica 公司就推出了商業(yè)化系統(tǒng)PCMSplus，其全站儀采用TC2002，測(cè)角精度為0.5″，測(cè)距標(biāo)稱精度為1 mm+1 ×10－6(D 為測(cè)距，單位為km).目前，被稱為測(cè)量機(jī)器人的帶自動(dòng)照準(zhǔn)和自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)(ATR)技術(shù)的全站儀(如TDA5005，如圖5所示)已出現(xiàn)并廣為應(yīng)用［6］.

圖4 球坐標(biāo)測(cè)量原理

圖5 TDA5005 全站儀

全站儀坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)只需單臺(tái)儀器即可測(cè)量，因此儀器設(shè)站非常方便和靈活，測(cè)程較遠(yuǎn)，特別適合測(cè)量范圍大的情況，Leica 的TDA5005 構(gòu)成的系統(tǒng)在120 m 范圍內(nèi)使用精密角偶棱鏡(CCR)的測(cè)距精度能達(dá)到0.2 mm;日本SOKKIA 公司推出了MONMOS 全站儀測(cè)量系統(tǒng)，采用NET1200 全站儀在100 m范圍內(nèi)對(duì)反射片測(cè)量精度優(yōu)于0.7 mm. 由于一般必須要合作目標(biāo)(如棱鏡或反射片)才能測(cè)距，所以它無(wú)法直接測(cè)量目標(biāo)點(diǎn);測(cè)距固定誤差的存在，使其在短距離(＜20 m)測(cè)量時(shí)相對(duì)精度較低.雖然目前已出現(xiàn)了無(wú)需棱鏡測(cè)距的全站儀(如Leica 的TCR1101)，但測(cè)距精度均低于3 mm.

1.4 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)是由單臺(tái)激光跟蹤儀構(gòu)成的球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)，其測(cè)量原理和全站儀一樣，僅測(cè)距方式(單頻激光干涉測(cè)距)不同［7］.測(cè)量時(shí)又可分為單站距離法、角度法和多站純距離法，如圖6所示.

圖6 多站距離交會(huì)測(cè)量

Leica 公司于1990年就推出了第一代商用激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)SMART310，美國(guó)的API 公司和FARO公司也相繼推出了各自的系統(tǒng)，如圖7所示.

圖7 商用激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)

由于干涉法距離測(cè)量的精度高、速度快，因此激光跟蹤儀的整體測(cè)量性能和精度要優(yōu)于全站儀. 在測(cè)量范圍內(nèi)(一般＜50 m)，坐標(biāo)重復(fù)測(cè)量精度達(dá)到5 ×10－6(即5 μm/m);絕對(duì)坐標(biāo)測(cè)量精度達(dá)到10 ×10－6(即10 μm/m). 但在單項(xiàng)指標(biāo)上，如測(cè)角精度比全站儀的要低，測(cè)量范圍也比全站儀小.

1.5 激光掃描測(cè)量系統(tǒng)

激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)距精度高的特點(diǎn)，但是測(cè)距為相對(duì)測(cè)距，需要在跟蹤過(guò)程中保持激光束不能丟失，另外測(cè)距需要合作目標(biāo)(反射器)配合.因此，是一種接觸式的測(cè)量系統(tǒng)，往往給測(cè)量帶來(lái)諸多不便.采用其他非干涉法測(cè)距方式可不需要合作目標(biāo)，將這類系統(tǒng)稱為激光掃描測(cè)量系統(tǒng).激光掃描儀的測(cè)距原理分為3 種:①脈沖法激光測(cè)距;②激光相位法測(cè)距;③激光三角法測(cè)距［8］.

基于脈沖法測(cè)距的激光掃描儀精度較低，一般為毫米級(jí)，但其測(cè)程較長(zhǎng)，如Leica 公司的HDS3000型激光掃描儀(最大測(cè)程100 m，測(cè)距精度4 mm，曲面建模精度優(yōu)于2 mm，如圖8所示)，主要應(yīng)用于土木工程測(cè)量、文物和建筑物的三維測(cè)繪等領(lǐng)域.

相位法測(cè)距的精度和調(diào)制頻率有關(guān)，一般全站儀的測(cè)距頻率最高為50 ～100 MHz，但美國(guó)Metric Vision 公司推出的激光雷達(dá)掃描儀(Laser Radar Scanner)LR200 則達(dá)到100 GHz，它在10 m 距離上絕對(duì)距離測(cè)量精度可以達(dá)到0.1 mm，測(cè)量范圍為2 ～60 m，如圖9所示.

圖8 激光掃描儀HDS

圖9 激光雷達(dá)掃描儀LR200

基于激光三角法測(cè)距原理的掃描測(cè)量系統(tǒng)又稱結(jié)構(gòu)光掃描儀(Structured Light Scanner). 以半導(dǎo)體激光器作光源，使其產(chǎn)生的光束照射被測(cè)表面，經(jīng)表面散射(或反射)后，用面陣CCD 攝像機(jī)接收，光點(diǎn)在CCD 像平面上的位置將反映出表面在法線方向上的變化，即點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理，如圖10 所示［8］.

目前，世界上生產(chǎn)各種型號(hào)結(jié)構(gòu)光掃描儀的廠家很多，如德國(guó)GOM 公司的ATOS、Steinbichler 公司的Comet 與Breuckmann 公司的optoTOP－HE 系列以及法國(guó)Mensi 公司的S10/S25 等. 法國(guó)Mensi公司的S10 掃描儀(圖11)掃描距離0.8 ～10 m，掃描精度優(yōu)于0.2 mm，三維建模精度優(yōu)于0.05 mm，圖12 是S10 掃描某坦克后得到的實(shí)體三維點(diǎn)云.

圖10 激光三角法測(cè)距原理示意圖

圖11 Mensi 的S10 激光掃描儀

圖12 坦克的三維點(diǎn)云圖

激光掃描儀可以獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，尤其適用于實(shí)體的三維建模，其不足之處在于無(wú)法對(duì)某一特定的點(diǎn)進(jìn)行精確測(cè)量.

1.6 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種便攜的接觸式測(cè)量?jī)x器，對(duì)空間不同位置待測(cè)點(diǎn)的接觸實(shí)際上是模擬人手臂的運(yùn)動(dòng)方式.儀器由測(cè)量臂、碼盤、測(cè)頭等組成，如圖13 所示.各關(guān)節(jié)之間測(cè)量臂的長(zhǎng)度是固定的，測(cè)量臂之間的轉(zhuǎn)動(dòng)角可通過(guò)光柵編碼度盤實(shí)時(shí)得到，轉(zhuǎn)角讀數(shù)的分辨力可達(dá)1.0″，測(cè)頭功能同三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，甚至可以通用.

圖13 關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)利用空間支導(dǎo)線的原理實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)測(cè)量功能，它也是非正交系坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的一種［9］.和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭安置非常靈活，和其他光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)比較，它不需要測(cè)點(diǎn)的通視條件，因此在一些測(cè)點(diǎn)通視條件較差的情況下(隱藏點(diǎn))非常有效，例如汽車車身內(nèi)點(diǎn)的測(cè)量等.但由于關(guān)節(jié)臂長(zhǎng)的限制，它的測(cè)量范圍有限(最長(zhǎng)可以到4 m)，但可以采用“蛙跳”的方法(公共點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法)或附加擴(kuò)展測(cè)量導(dǎo)軌支架的方法來(lái)擴(kuò)大其測(cè)量范圍.

目前生產(chǎn)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的廠家較多，主要有美國(guó)Faro 公司和ROMER 公司，德國(guó)的ZettMess公司、意大利的Garda 公司等.

有些廠家正在采用在其測(cè)頭上附加小型結(jié)構(gòu)光掃描儀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的三維快速掃描，稱為激光掃描測(cè)量臂.這種系統(tǒng)集接觸式與非接觸式系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)于一體，圖14 是Faro 公司的產(chǎn)品ScanArm.

圖14 激光掃描測(cè)量臂ScanArm

1.7 室內(nèi)GPS

所謂室內(nèi)GPS 是指利用室內(nèi)的激光發(fā)射裝置(基站)不停地向外發(fā)射單向的帶有位置信息的紅外激光，接收器接收到信號(hào)后，從中得到發(fā)射器與接收器間的兩個(gè)角度值(類似于經(jīng)緯儀的水平角和垂直角)，在已知了基站的位置和方位信息后，只要有兩個(gè)以上的基站就可以通過(guò)角度交會(huì)的方法計(jì)算出接收器的三維坐標(biāo)，如圖15 所示. 基站的位置和方位通過(guò)光束法進(jìn)行系統(tǒng)定向后完成，這樣不需要已知控制點(diǎn)，只要一個(gè)基準(zhǔn)尺度就可以了.

圖15 Arc Second 公司的室內(nèi)GPS

與GPS 不同的是，室內(nèi)GPS 采用室內(nèi)激光發(fā)射器來(lái)模擬衛(wèi)星;它不是通過(guò)距離交會(huì)，而是用角度交會(huì)的方法.與經(jīng)緯儀系統(tǒng)不同的是，它不是通過(guò)度盤來(lái)直接測(cè)量角度，而是通過(guò)接收紅外激光來(lái)間接得到角度值，因此不再需要人眼去瞄準(zhǔn)待測(cè)點(diǎn).

美國(guó)Arc Second 公司生產(chǎn)的室內(nèi)GPS(圖15)，其測(cè)量速度達(dá)到了20 Hz，測(cè)量空間范圍從幾米到幾百米，如果采用4 個(gè)以上的基站，10 m 測(cè)量空間內(nèi)測(cè)量精度可以達(dá)到0.125 mm.

1.8 數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量是通過(guò)在不同的位置和方向獲取同一物體的2 幅以上的數(shù)字圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算后得到待測(cè)點(diǎn)精確的三維坐標(biāo).其測(cè)量原理和經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)一樣，均是三角形交會(huì)法.

數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)一般分為單臺(tái)像機(jī)的脫機(jī)測(cè)量系統(tǒng)、多臺(tái)像機(jī)的聯(lián)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，如圖16 所示.此類系統(tǒng)與其他類系統(tǒng)一樣具有精度高、非接觸測(cè)量和便攜等特點(diǎn).此外，還具有其他系統(tǒng)所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)工作量小、快速、高效和不易受溫度變化、振動(dòng)等外界因素的干擾.國(guó)外的生產(chǎn)廠家和產(chǎn)品很多，如美國(guó)GSI 公司的V－STARS系統(tǒng)(圖17)、挪威Metronor 公司的Metronor 系統(tǒng)(圖18)和德國(guó)AICON 3D 公司的DPA－ Pro 系統(tǒng)(圖16(a))等.

圖16 數(shù)字近景工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)

圖17 V－STARS 系統(tǒng)

圖18 Metronor 系統(tǒng)

2 三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 大型工業(yè)目標(biāo)方面

三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)主要用于(航天)飛機(jī)的設(shè)計(jì)、仿制、改型等的外形測(cè)量以及安裝、調(diào)試過(guò)程中的檢測(cè)、定位測(cè)量;轎車外殼或船(艇)體外形的設(shè)計(jì)、仿制或改型過(guò)程中的測(cè)量工作;還用于油船艙體容積的測(cè)定，船模在試驗(yàn)池內(nèi)的性能檢測(cè)，風(fēng)帆外形動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，大型船艦推進(jìn)器葉片的外形測(cè)定，艦船主設(shè)備的安裝，船體靠泊時(shí)對(duì)碼頭總壓力的間接測(cè)定等;以及大量人工構(gòu)筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)測(cè)量，如鐵路、公路、海底或水下隧道、城市地下鐵道、礦山大型巷道和采空區(qū)、各類地下軍事或防空工程、艦艇或飛機(jī)洞庫(kù)、油庫(kù)與彈藥庫(kù)、水電站的排水泄水洞、排沙洞和壩內(nèi)結(jié)構(gòu)、大型管道、窟室及亭臺(tái)樓閣的內(nèi)結(jié)構(gòu)、各類運(yùn)輸車船的內(nèi)結(jié)構(gòu)、裝載油氣化學(xué)品的倉(cāng)體罐體等;風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室與水工實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定等［2］.

2.2 在線快速檢測(cè)方面

采用三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)可進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)流水線(傳送帶)上各種產(chǎn)品的在線快速檢測(cè)，如快速檢測(cè)光纖的直徑、光盤的厚度、芯片導(dǎo)體部分的厚度與斑痕、標(biāo)識(shí)符的印刷質(zhì)量、防偽標(biāo)志的遺漏、藥片尺寸一致性、矽片寬度與厚度、卷煙松緊度、人造大理石色彩一致性、玻璃平整度、精密軸承加工質(zhì)量等，使得三維工業(yè)測(cè)量成為工廠車間生產(chǎn)的必須環(huán)節(jié).

2.3 動(dòng)態(tài)目標(biāo)測(cè)量方面

三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)可用于轎車的破壞性試驗(yàn)、新型飛機(jī)起飛著陸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)測(cè)定、火箭發(fā)射狀態(tài)、空拋物體或艦船模型或發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡、精密機(jī)床熱變形、風(fēng)動(dòng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)姿態(tài)、土石方爆炸三維記錄、炮彈出膛速度、兩飛船間“接軌”過(guò)程控制等.

3 現(xiàn)代三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

由于觀測(cè)目標(biāo)的多樣性與復(fù)雜性，而單一觀測(cè)方法又存在一定的局限性，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，面向復(fù)雜應(yīng)用背景的多傳感器系統(tǒng)大量出現(xiàn)，由此產(chǎn)生了一門新興學(xué)科——多傳感器信息融合(Multisensor Data Fusion，MSDF). 信息融合是針對(duì)使用多個(gè)和/或多類傳感器的系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行的一種信息處理的新方法，又稱為多源關(guān)聯(lián)或合成、傳感器混合或多傳感器數(shù)據(jù)融合. 數(shù)據(jù)融合是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的觀測(cè)信息在一定規(guī)則下加以自動(dòng)分析、優(yōu)化綜合，以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行的信息處理過(guò)程［10］.多傳感器系統(tǒng)比單傳感器系統(tǒng)在可量化的狀態(tài)估計(jì)性能上有很大優(yōu)越性，比如包括提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性、擴(kuò)大了空間覆蓋范圍、減少了信息的模糊性及提高了空間分辨力等. 由于多傳感器系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，相應(yīng)會(huì)產(chǎn)生成本增高，設(shè)備的尺寸、重量、功耗等物理因素隨之增大等不利因素.因此，數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的最終目標(biāo)是對(duì)觀測(cè)對(duì)象的形勢(shì)狀態(tài)給出精確的評(píng)估，以便對(duì)觀測(cè)對(duì)象采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施，使得數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu).

3.1 數(shù)據(jù)融合的模型框架

在應(yīng)用數(shù)據(jù)融合的眾多研究領(lǐng)域中，為統(tǒng)一起見，軍事組織于1986年在美國(guó)成立了實(shí)驗(yàn)聯(lián)合理事會(huì)數(shù)據(jù)融合工作組，并發(fā)布了一部數(shù)據(jù)融合詞典和數(shù)據(jù)融合處理模型.該模型適用于各個(gè)領(lǐng)域，包括如下處理步驟［10－11］.

1)原始信息.包括安置在各待融合點(diǎn)的傳感器或分布式傳感器以及操作者或數(shù)據(jù)庫(kù)的先驗(yàn)信息.

2)信息預(yù)處理.對(duì)處于不同融合階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)選和分配，避免融合處理器的輸入數(shù)據(jù)過(guò)于擁塞以及適時(shí)提供相關(guān)數(shù)據(jù).

3)對(duì)象處理(第1 級(jí)處理).對(duì)觀測(cè)對(duì)象的信息加以融合，完成4 個(gè)基本功能. ①數(shù)據(jù)整合:將數(shù)據(jù)變換到一組通用的坐標(biāo)系和單位制下;②跟蹤:提取位置、速度及其他狀態(tài)特征;③數(shù)據(jù)聯(lián)合:將數(shù)據(jù)與對(duì)象關(guān)聯(lián);④鑒別:提取對(duì)象確認(rèn)評(píng)估信息.

4)形勢(shì)處理(第2 級(jí)處理).嘗試通過(guò)分析背景信息和含義，推理對(duì)象、事件以及先驗(yàn)信息的關(guān)系.

5)預(yù)測(cè)處理(第3 級(jí)處理).在評(píng)估當(dāng)前形勢(shì)的基礎(chǔ)上推理未來(lái).

6)過(guò)程信息處理.這是相對(duì)其他步驟的中間輔助過(guò)程，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)性能，提取可用于提高系統(tǒng)性能的信息來(lái)控制融合過(guò)程，并按系統(tǒng)目標(biāo)要求操作傳感器和分配資源.

7)數(shù)據(jù)庫(kù)管理.融合系統(tǒng)是否成功的關(guān)鍵組成部分，包括:數(shù)據(jù)的恢復(fù)、存儲(chǔ)、存檔、壓縮、相關(guān)查詢和數(shù)據(jù)保護(hù)等.

8)人機(jī)界面. 提供一種人機(jī)信息交換渠道，操作者到計(jì)算機(jī)的通信方式，如操作者發(fā)出索取信息指令并對(duì)融合系統(tǒng)生成的結(jié)果做出主觀評(píng)價(jià)等，而計(jì)算機(jī)到操作者的通信主要包括警報(bào)和結(jié)果顯示.

3.2 數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

在多傳感器組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中有著不同的配置方式，其結(jié)構(gòu)形式取決于其應(yīng)用背景.其中一種為串級(jí)或前后式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式，而另一種則為不同的傳感器同時(shí)觀測(cè)的分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或并行結(jié)構(gòu)的最普通的形式.

由于所采集數(shù)據(jù)可以在信號(hào)處理鏈的各個(gè)階段進(jìn)行融合，即融合點(diǎn)所在的數(shù)據(jù)水平是關(guān)鍵點(diǎn)，一般廣泛采用的是數(shù)據(jù)級(jí)、特征級(jí)和決策級(jí)三級(jí)模型.數(shù)據(jù)級(jí)融合是直接綜合來(lái)自各個(gè)傳感器的原始信息，即可獲得最精確的結(jié)果;但要求所用的傳感器是同類的，即觀測(cè)到的數(shù)據(jù)具有某種類似并可以實(shí)現(xiàn)融合;同時(shí)全部傳感器的觀測(cè)數(shù)據(jù)都必須傳輸?shù)揭粋€(gè)集中處理設(shè)備上，意味著需要一個(gè)較大的傳輸帶寬.特征級(jí)融合是將從原始數(shù)據(jù)中提取的特征向量加以綜合，雖然可以降低數(shù)據(jù)傳輸要求，但由于特征向量提取時(shí)丟失了有效信息，從而可能降低了融合結(jié)果的精度.決策級(jí)融合是每個(gè)傳感器均基于自己的觀測(cè)做出決策，將這些決策集中起來(lái)生成最終結(jié)論;由于該過(guò)程中信息被極大壓縮，融合精度是3 種方式中最低的，但其優(yōu)點(diǎn)是可大大降低傳輸帶寬要求，并可實(shí)現(xiàn)不同類型傳感器的融合［10］.

在實(shí)際融合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并不限定僅僅使用其中某一模型，而是可以像搭積木一樣設(shè)計(jì)整套融合系統(tǒng).雖然低水平的融合綜合了更多傳感器信息，但融合水平越低，系統(tǒng)噪聲也越大，但適當(dāng)?shù)丶尤敕答?，有助于提高系統(tǒng)性能.

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)部門認(rèn)識(shí)到了三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并在各種規(guī)模巨大的工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用. 不管是測(cè)繪部門還是航空、航天、汽車、船舶工業(yè)等部門均在引進(jìn)并使用三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng);如大型衛(wèi)星天線的組裝、汽車制造工業(yè)與大飛機(jī)制造過(guò)程中產(chǎn)品的安裝和檢測(cè)等等.但引進(jìn)不等于自主、制造不同于創(chuàng)造，因此開展這一領(lǐng)域的理論和學(xué)術(shù)研究，開發(fā)相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)化三維工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)，更好地為系統(tǒng)的精度檢驗(yàn)和技術(shù)服務(wù)己成為當(dāng)務(wù)之急.

［1］李廣云.工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)最新進(jìn)展及應(yīng)用［J］.測(cè)繪工程，2001，10(2):36－40.

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