阮曉東

隨著國內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)入發(fā)展成熟期，三維激光掃描技術(shù)的推廣正在引起測量領(lǐng)域的又一次革命

三維激光掃描技術(shù)是一種新型的測量技術(shù)，它是基于激光技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等多種技術(shù)集成的精密產(chǎn)品。這種技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。經(jīng)過了十多年的培育，目前三維激光掃描的市場正在迅速展開，特別是智慧城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，讓該技術(shù)廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、土木工程、工業(yè)測量、隧道驗(yàn)收、數(shù)字城市建設(shè)等領(lǐng)域中。隨著國內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)入發(fā)展成熟期，三維激光掃描技術(shù)的推廣正在引起測量領(lǐng)域的又一次革命。

不一樣的三維掃描考古

2015年到2016年間，中國考古界的一件大事是位于江西省南昌市新建區(qū)大塘坪鄉(xiāng)的西漢?；韬钅沟陌l(fā)掘。這座西漢大墓考古發(fā)掘是目前我國發(fā)現(xiàn)的面積最大、保存最好、內(nèi)涵最豐富的漢代侯國聚落遺址，也是幾十年來秦漢考古中文物數(shù)量最多的一個(gè)，超過馬王堆漢墓。西漢海昏侯墓的整個(gè)考古工作在科技手段上也是超一流的，并達(dá)到了前所未有的高度。有超過40余名頂尖考古專家參加了對南昌西漢大墓發(fā)掘工作，并認(rèn)為西漢?；韬钅沟陌l(fā)掘“并不只是一個(gè)項(xiàng)目，而是一個(gè)工程，將作為里程碑式的工程”。

在這場規(guī)模浩大的文物發(fā)掘、保護(hù)和清理的過程中，有一項(xiàng)前沿技術(shù)應(yīng)用頻繁，那就是三維激光掃描技術(shù)?？脊湃藛T在整個(gè)發(fā)掘中，采用三維技術(shù)掃描測繪和記錄，不但對墓地進(jìn)行整體激光三維掃描，在主墓室尤其是回廊部分還采用逐層清理、逐層掃描方式，全程跟蹤發(fā)掘、記錄。另外在文物出土后，每件文物都進(jìn)行了高精度三維激光掃描，以確保最真實(shí)地留存文物信息，并能快速制圖、快速分析。

可以說，今天的考古過程已經(jīng)通過多種技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了發(fā)掘現(xiàn)場全程數(shù)字化、影像化、科學(xué)化。特別是三維激光掃描技術(shù)，具有重要的作用。海昏侯墓考古領(lǐng)隊(duì)楊軍表示，“通過三維掃描，一兩個(gè)小時(shí)就能完成一件文物在提取之前的工作。最關(guān)鍵的是，取得了三維數(shù)據(jù)和成像后，相當(dāng)于建立了一個(gè)文物檔案，有助于文物的修復(fù)工作和今后展覽展示的場景復(fù)原。”

此外，三維激光掃描技術(shù)還用于大范圍地考古調(diào)查。

比如在2016年1月，遼寧省文物考古研究所就運(yùn)用機(jī)載激光掃描測繪技術(shù)對錦州市北鎮(zhèn)醫(yī)巫閭山遺址區(qū)進(jìn)行考古調(diào)查，確認(rèn)了醫(yī)巫閭山150平方公里的重大遼代遺址，發(fā)現(xiàn)了100多處人工遺跡疑似點(diǎn)。此次機(jī)載激光考古，是在三維GIS、虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，搭建三維可視化成果管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以按照時(shí)間疊加各種考古資料，進(jìn)行遺址、墓葬等信息定位查詢、量算和分析，為遺址規(guī)劃考古發(fā)掘、遺址展示以及管理提供全可視化的三維考古平臺(tái)支持，并提供一個(gè)大遺址文物分布和保護(hù)情況展示平臺(tái)。

在談及三維掃描系統(tǒng)的應(yīng)用時(shí)，重慶市文化遺產(chǎn)研究院的專家表示，他們運(yùn)用三維掃描、數(shù)字建模等技術(shù)，獲取大量珍貴數(shù)據(jù)資源，對文物遺跡的測繪、存儲(chǔ)、研究起到重要促進(jìn)作用。比如可以對器物進(jìn)行掃描，如對忠縣花燈墳?zāi)谷撼鐾翞鯒铌I陶俑的掃描；還可以對遺跡進(jìn)行掃描，如對合川釣魚城、千佛巖摩崖造像、慈云寺遺址等10余處遺址的掃描。這種掃描方便了文物的數(shù)字復(fù)原、三維模型建構(gòu)、三維動(dòng)畫、數(shù)字資料交匯等工作，另外對遺址數(shù)據(jù)庫建立、數(shù)字研究、規(guī)劃保護(hù)、虛擬修復(fù)、虛擬展示等工作的開展有重要意義。

也有研究所表示，他們正在，應(yīng)用三維掃描、數(shù)字模型技術(shù)，對舊石器、漢代崖墓開鑿等人類行為痕跡進(jìn)行微痕考古研究，實(shí)現(xiàn)在立體、動(dòng)態(tài)、三維狀態(tài)對人類行為痕跡的觀察研究。

如今，應(yīng)用三維掃描系統(tǒng)進(jìn)行考古研究的研究機(jī)構(gòu)越來越多。筆者統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，中國需要三維掃描系統(tǒng)的研究機(jī)構(gòu)約有6000家左右，其中中國到目前有4000家博物館，每家博物館都需要三維掃描系統(tǒng)對文物進(jìn)行系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)提取和成像；另外，每個(gè)省都有考古研究所，很多省會(huì)城市也建設(shè)有市級(jí)考古所，如鄭州、廣州、武漢等，中國共有考古所數(shù)量約300多家；另外各高校也是不可忽視的力量，如北大、山大、吉大、中大、武大和西北大學(xué)等近50多家高校也建設(shè)有自己的考古研究所和考古隊(duì)，這些研究機(jī)構(gòu)需要的三維掃描儀也多達(dá)上千臺(tái)。

三維激光掃描助力智慧城市建設(shè)

隨著我國社會(huì)的不斷發(fā)展，城市將承載越來越多的人口，我國正處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展的時(shí)期，部分地區(qū)“城市病”問題日益嚴(yán)峻。為解決城市發(fā)展難題，實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今世界城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。

2016年4月，發(fā)改委規(guī)劃司司長徐林表示，“十三五”時(shí)期內(nèi)，將有針對性地組織100個(gè)城市大力推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，開展智慧城市建設(shè)效果評(píng)價(jià)工作，分行業(yè)、分領(lǐng)域選取一批有代表性的智慧城市優(yōu)秀案例，以點(diǎn)帶面，促進(jìn)城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量和水平全面提升。2016年是“十三五”的開局之年，是“十三五”規(guī)劃的政策落地年，智慧城市與發(fā)展正在駛?cè)搿翱燔嚨馈薄?/p>

智慧城市包括智能交通、智能醫(yī)療、智能家居等多個(gè)方面。而要實(shí)現(xiàn)智慧城市，首先是要形成城市的立體形態(tài)信息，即建立三維數(shù)字城市信息數(shù)據(jù)庫，將真實(shí)城市的關(guān)鍵物理信息（道路、房屋、橋梁等的位置、空間結(jié)構(gòu)等信息）提取出來，通過數(shù)字化、模擬仿真等方式形成城市的三維地圖，并通過將管理信息（如房屋使用、人口、電力水力分布等信息）與城市三維立體圖像結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對真實(shí)城市的智能管理。

三維激光掃描將以強(qiáng)大的技術(shù)來支撐智慧城市建設(shè)，目前已經(jīng)有三十多個(gè)城市利用三維激光掃描來建設(shè)數(shù)字城市三維模型，以全面實(shí)現(xiàn)城市三維空間信息的展示、管理、應(yīng)用和共享。

比如昆明市委、市政府投資金額約2000萬元建立的昆明數(shù)字沙盤，就是通過采用三維激光掃描、遙感、地理信息系統(tǒng)、三維仿真等高新技術(shù)，在傳統(tǒng)的借助地形圖、影像圖、DEM、現(xiàn)場拍照采集紋理制作模型的基礎(chǔ)上，將激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)用于三維模型的高度校正，實(shí)現(xiàn)了人工與科技的結(jié)合，既保證了三維模型數(shù)據(jù)的精美度，同時(shí)也保證了模型數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

這份三維模型建成了昆明市域內(nèi)約600平方公里的城市現(xiàn)狀模型和115平方公里的規(guī)劃方案模型，成為國內(nèi)最大面積的數(shù)字城市三維模型項(xiàng)目。城市現(xiàn)狀模型范圍涵括盤龍區(qū)、官渡區(qū)、五華區(qū)、西山區(qū)、呈貢區(qū)、空港區(qū)六個(gè)行政區(qū)的主要建成區(qū)域；三維模型種類包括建筑、地面、道路、水系、植被及相關(guān)市政設(shè)施六類要素模型的人工建模；根據(jù)使用情況及應(yīng)用情況將三維模型分為精細(xì)模型、標(biāo)準(zhǔn)模型、簡單模型三種等級(jí)精度。通過數(shù)字沙盤“空間屏”與“信息屏”的雙屏聯(lián)動(dòng)和同步展示，建立起一個(gè)可交互操作的實(shí)時(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，既能全面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示、實(shí)時(shí)更新、快速查詢等功能，又能最大限度地生動(dòng)展現(xiàn)昆明城市建設(shè)和城市發(fā)展遠(yuǎn)景。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國已有30個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的150多個(gè)城市開展了數(shù)字城市建設(shè)，其中80多個(gè)城市已經(jīng)建成三維模型，帶動(dòng)各地基礎(chǔ)測繪投入約25億元。未來，中國每年還將有30至50個(gè)城市納入數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)計(jì)劃，三維激光掃描設(shè)備和技術(shù)都面臨廣闊的發(fā)展空間。

三維激光掃描技術(shù)廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域

三維激光掃描技術(shù)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，能夠高效率地提供被掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，獲取高精度、高分辨率的全息數(shù)字模型。隨著信息技術(shù)研究的不斷深入，以及智慧城市、虛擬現(xiàn)實(shí)等概念的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的測量方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)今的測繪需求。而擁有高速、高精度的三維激光掃描技術(shù)正在越來越多地應(yīng)用到測量工作中。并在文物古跡保護(hù)、建筑、規(guī)劃、土木工程、工廠改造、室內(nèi)設(shè)計(jì)、建筑監(jiān)測、交通事故處理、法律證據(jù)收集、災(zāi)害評(píng)估、船舶設(shè)計(jì)、數(shù)字城市、軍事分析等領(lǐng)域有了越來越廣泛的運(yùn)用。

如果三維激光掃描技術(shù)與無人機(jī)技術(shù)結(jié)合，可以建立數(shù)字化的三維實(shí)景模型。通過高空拍攝，三維激光掃描儀可在極短的時(shí)間內(nèi)獲取各種復(fù)雜環(huán)境及結(jié)構(gòu)的詳細(xì)三維坐標(biāo)信息，大量的測量點(diǎn)形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云，通過軟件對獲取的點(diǎn)云進(jìn)行處理，并創(chuàng)建網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可以計(jì)算體積，創(chuàng)建剖面和橫截面，進(jìn)行三維重構(gòu)，目前這種技術(shù)已經(jīng)部分應(yīng)用于地形勘測，特殊環(huán)境下三維測量，建筑測繪，礦山林場體積和面積測量， 隧道、涵洞及橋壩監(jiān)測等等。

再比如石油化工、氯堿化工工廠中的管線十分復(fù)雜，人工提取的難度較大，且工作量較大。 另外這些工廠的管線包含很多無法進(jìn)行自動(dòng)提取的異形結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)軟件很難在如此龐大的數(shù)據(jù)中快速的進(jìn)行模型提取。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)中管道模型的快速提取。尤其在管線密布的區(qū)域，手工提取十分復(fù)雜的情況下，三維激光掃描的優(yōu)勢盡顯無疑。

三維激光掃描基于強(qiáng)大的識(shí)別算法，可自動(dòng)識(shí)別 90%以上的管道數(shù)據(jù)并直接提取出管道模型。整個(gè)過程完全自動(dòng)化，排除了人為控制的因素。2016年，包括重慶市特檢院組織管道檢驗(yàn)研究中心等多家專業(yè)管道檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)購入三維激光掃描儀，以便為建立用戶壓力管道信息庫、實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)備信息化管理系統(tǒng)提供第一手?jǐn)?shù)據(jù)材料，提高定期檢驗(yàn)效率。

最近，三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護(hù)應(yīng)用成為熱點(diǎn)。

比如寺廟是我國的藝術(shù)瑰寶庫，也是我國悠久歷史文化的象征。有效的進(jìn)行資料存檔對于寺廟的維修、保護(hù)、文化傳承、都具有重要的意義。三維激光技術(shù)用于寺廟的數(shù)字化存檔，無論從精度、效率、成果等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法。目前這項(xiàng)技術(shù)在秦俑二號(hào)坑和樂山大佛這類國家重點(diǎn)文物保護(hù)工程項(xiàng)目中，都已有了成功的應(yīng)用。蘇州科技學(xué)院引進(jìn)了三維激光掃描儀對羅漢院雙塔及正殿遺跡、開元寺無梁殿進(jìn)行了精準(zhǔn)測繪，其局部精度甚至可以達(dá)到1毫米；而且信息采集快速，省時(shí)省工，數(shù)據(jù)保存又完善詳實(shí)。

故宮文化資產(chǎn)數(shù)字化應(yīng)用研究所也在廣泛應(yīng)用三維掃描、數(shù)碼攝影、三維建模等數(shù)字化手段，采集、加工、存儲(chǔ)古建筑和其他文物的數(shù)據(jù)，致力于建立故宮古建筑和文物的三維數(shù)據(jù)庫；利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其他數(shù)字技術(shù)，立體再現(xiàn)文化遺產(chǎn)的原貌，更好地促進(jìn)對于文化遺產(chǎn)的研究和展示。

還有上海河南路橋三維數(shù)字化保護(hù)也是非常成功的案例之一。河南路橋擁有100多年歷史，上海規(guī)劃中的軌交10號(hào)線要從河南路橋下河底穿過，所以該橋即將拆除重建。為了保留河南路橋的歷史風(fēng)貌，相關(guān)公司應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對該橋進(jìn)行數(shù)字化存檔，準(zhǔn)確記錄了橋墩、橋面胸墻、橋上花飾、雕刻等細(xì)節(jié)，并為施工方提供了三維數(shù)字化模型、工程圖紙等資料，確保重建后的“河南路橋”保留了昔日的風(fēng)貌。

另外，三維掃描在礦山測量方面還可以對施工巷道、已廢棄采空區(qū)和巷道進(jìn)行測量，并完成對礦房采礦和充填驗(yàn)收。三維掃描儀在礦山的應(yīng)用具有效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低的優(yōu)點(diǎn)，是礦山技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。它的使用可以大量減輕技術(shù)人員的體力勞動(dòng)，從而可以使他們有更多的時(shí)間進(jìn)行成礦規(guī)律、工程管理、做好礦山中長期規(guī)劃等工作。

國內(nèi)產(chǎn)品即將進(jìn)入發(fā)展成熟期

隨著工業(yè)智能化的推進(jìn)，市場對工業(yè)三維掃描儀的掃描精度、速度、穩(wěn)定性以及抗干擾性等要求都會(huì)越來越高。目前國際上主要的設(shè)備生產(chǎn)商有Faro（法如）、Topcon（拓普康）、Optch（歐普泰克）、Leica（徠卡）、Riegl（瑞格）、Trimble（天寶）。

我國很多企業(yè)逐漸打破了國外產(chǎn)品在三維激光掃描領(lǐng)域的技術(shù)限制和封鎖。

深圳市華朗科技有限公司立足國際工業(yè)三維測量技術(shù)前沿，致力于工業(yè)產(chǎn)品三維數(shù)字化制造，研發(fā)并生產(chǎn)拍照式三維掃描儀、手持式三維激光掃描儀、三維攝影測量系統(tǒng)與3D動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等。主要應(yīng)用方向：逆向工程、三維檢測、3D打印與產(chǎn)品三維數(shù)字化展示等領(lǐng)域。

杭州先臨三維自主研發(fā)的Shining3D-Metric三維攝影測量系統(tǒng)，性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)外同類產(chǎn)品水平，不受距離、機(jī)械行程、大小、體積、外形限制，廣泛應(yīng)用于汽車、航天航空、船舶工業(yè)、建筑、大型文物、發(fā)電設(shè)備及工程機(jī)械等領(lǐng)域。先臨三維自主研發(fā)的Shining3D-Camera系列三維相機(jī)，基于多目視差法、光影梯度法等，可一次性生成180度的真實(shí)立體模型及其表面色彩信息，具有成像速度快、建模精度高的特點(diǎn)，特別適用于三維信息快速獲取。

當(dāng)然，目前國產(chǎn)的三維掃描儀與國外先進(jìn)產(chǎn)品還有不小的差距。比如美國的FARO Technologies新推出具有高動(dòng)態(tài)范圍成像（HDR）功能的新型三維激光掃描儀，能夠在明亮或黑暗的光照條件下生成無比清晰的圖像，并具有更高的分辨率和更佳的色彩顯示效果。一般激光掃描儀數(shù)字圖像的對比度范圍通常為255：1，而新推出的FARO激光掃描儀能夠捕捉的亮度范圍高達(dá)40億：1。加上更高的彩色分辨率（每次掃描最高可達(dá)1億7千萬像素），新型Focus3D激光掃描儀能確保以最佳的清晰度捕捉最小的細(xì)節(jié)。

一位企業(yè)負(fù)責(zé)人說，也應(yīng)該看到，當(dāng)前我國在高分辨率和遠(yuǎn)程三維激光掃描技術(shù)領(lǐng)域基礎(chǔ)依然薄弱，這有待繼續(xù)努力。

隨著的國內(nèi)三維掃描儀產(chǎn)品即將進(jìn)入發(fā)展成熟期，國產(chǎn)三維掃描儀的市場占有率也逐步提升，隨著國產(chǎn)三維掃描儀應(yīng)用的大規(guī)模使用，國內(nèi)三維掃描儀產(chǎn)業(yè)已經(jīng)步入實(shí)質(zhì)階段。同時(shí)，受益于智慧城市建設(shè)和三維打印機(jī)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，三維掃描儀產(chǎn)業(yè)也獲得了高速成長的機(jī)會(huì)。但是為了避免惡意價(jià)格戰(zhàn)以及慘烈的競爭，相關(guān)企業(yè)必須進(jìn)一步深入分析市場和消費(fèi)者，以尋找出潛在的或尚未滿足的需求，從而推出有差異化的產(chǎn)品來滿足不同細(xì)分的市場。