工业测量系统在国内外的发展现状.doc

工业测量系统在国内外的发展现状科技信息高校理科研究工业测量系统在国内!;『昀发展坝状中国矿业大学(徐州)环境与测绘学院厉东伟[摘要]工业测量是现代工业技术的重要组成部分,是测绘学科的重要分支.工业测量是指测量方法和技术在空间测量和分析中的应用,其应用领域非常广泛.工业测量系统主要包括坐标测量机系统,电子经纬仪工业测量系统,全站仪极坐标测量系统,数字近景摄影测量系统,激光跟踪测量系统,激光扫描测量系统等凡大类技术.本文介绍了目前国内外工业测量系统各类技术的发展现状.[关键词]工业测量系统坐标测量机测量机器人近景摄影测量激光跟踪测量激光扫描测量1.前言随着现在科技的迅猛发展,特别是计算机技术,通信技术等的发展,在我们测绘领域出现了很多的技术创新.其中工业测量系统就是应用广阔,测量精度高,简单方便的一种测量新技术.工业测量(IndustrialMeasurment)是指测量方法和技术在空间测量和分析中的应用.其目的是根据设计图纸和规范的要求,高精度地对三维部件,工件,整机或结构进行检查,检核,调整,装配,安装和维护;包括为了获取三维坐标,进行准直,水准,几何形状拟合,质量保证审核,静态/动态变形监测等而进行的精密测量l】】.其应用范围非常广泛,包括航空,航天,汽车,造船,石油,大然气,钢铁,大型设备加工和维护;在建筑,天线安装与检校,机器人,钢结构,起重机,涡轮机,发电机和装配架等领域中也有应用"1.2.工业测量系统的分类二十世纪八十年代开始,工业测量系统在现代工业部门得到广泛的应用.这里指的工业测量系统,主要是用于精密定位待测物的三维坐标.根据所用的测量仪器的不同,可分为坐标测量机系统,电子经纬仪工业测量系统,全站仪极坐标测量系统,数字近景摄影测量系统,激光跟踪测量系统,激光扫描测量系统等J.2.1坐标测量机系统坐标测量机系统又包括了固定式的i坐标测量机和便携式的关节式坐标测量机.三坐标测量机(CMM)是指在一个三维空间内,能够对几何形状,长度等进行测量的仪器,它是传统通用三维坐标测量仪器的代表,通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量121.目前,通过计算机自动控制的运用,计算机数字控制测量机(如图1)已经出现并在生产实践中得到广泛的应用.具有自动瞄准定位的功能同时能按照预先编制好的程序自动完成全部测量和计算过程.其优点是测量精度高,效率高,操作便捷,应用广;其不足是属于接触式测量,对非刚体的测量误差大,同时是固定的,只适合室内作业,适用性弱.因此,一般测绘单位已经不配备这类仪器,只在工厂等生产单位使用.图1计算机控制的测量机关节式坐标测量机是一种便携的接触式测量仪器,对空间不同位置待测点的接触实际上模拟人手臂的运动方式.目前生产关节式坐标测量机的厂家较多,主要有美国Faro公司和ROMER公司,德国ZeuMess公司,意大利的Gardo公司等.2.2经纬仪测量系统(MTS)经纬仪测量系统是由多台高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统.1995年以前Leica推出了ManCAT系统和ECDs3系统,最多可接8台电子经纬仪.所用的高精度的电子经纬仪包括T2000/T3000/TM5000系列等.Axyz—MTM测量系统可选用TPS5000系列的TM5005/TM5100从而使联机电子经纬仪最多可接16台.2_3全站仪测量系统全站仪测量系统采用的是极坐标测量系统,通过测角,测距精确定位三维坐标.1995年前推出的商业化系统PCMSpIus,其全站仪采用TC2002,测角精度为0.5",测距标称精度为lmm+1ppm.极坐标测量系统的发展趋势是自动极坐标测量系通(APS).其可以由TCAl800/TC2003/TDAS005自动跟踪全站仪组成.如其中的TCA1800全站仪采用的自动目标识~Jt](ATR)技术,能自动瞄准棱镜进行测量.APS的照准和观测完全自动化,特别适用于露天矿建设工地等的滑坡变形监测.测量机器人一130一就是集成了ATR技术的全站仪,它是一种能代替人进行自动搜索,跟踪,辨识和精确照标目标并获取角度,距离,3维坐标以及影像等信息的全站仪Fi.国外生产的测量机器人较多,如Leica公司的TCA2003(~13图2),其角度测量精度在水平和垂直方向上达到0.5",测距最远可达2500m.图2TCA2003测量机器人2.4激光跟踪测量系统(LTS)激光跟踪测量系统(LTS)可全自动地跟踪反射装置,只要将反射装置在被测物的表面移动,就可实现该表面的快速数字化.目前LTD600和LTD800的测量距离(直径)可达80米,LTD700的测量距离(直径)为50米.其中LTD700/800可以选配徕卡的"全合一"测量解决方案——-T系列产品(T—Probe,T—Scan等等),从而增加了三坐标测量机和扫描仪的功能,极大地拓展了激光跟踪仪的功能和效率.坐标测量误差"UXYZ"在干涉测量和绝对测量的模式下均为1Om/m.2.5激光扫描测量系统(LSS)激光扫描测量系统是三维数据获取和重构技术体系中最新的技术【41.激光扫描测量系统能够快速获取物体表面每个采样点的空间位置坐标,得到一个表示实体的点的集合,即"点云"(pointclouds)~.其具有直接反映客观事物实时的,动态的,真实的形态特性的优点.国内外都有生产三维激光扫描仪的公司,如Trimble公司的TrimbleGX200(如图3)是目前比较先进的设备.其点位精度在50米距离达±6mm,loo.~为±12ram,距离精度在5O米达±4ram,100米时达±7mm,角度精度在水平和垂直方向上可达≤±12".三维激光扫描技术真正做到了直接从实物进行快速的逆向三维数据采集及模型重构,即从二维到三维的全景三维实测数据重构[41.利用三维激光扫描技术进行高效率,低成本,高质量的空间数据采集,处理是工业测量的一个发展趋势.'2.6数字近景摄影测量系统(DCRPS)图3TrimbleGX200三维激光扫描仪摄影测量在工业测量和工程测量中的应用一般称为近景摄影测量或非地形摄影测量.其发展历程经历了从模拟,解析到数字方法的变革,在硬件上也从胶片相机发展到数字相机的过程.数字近景工业摄影测量是通过在不同的位置和方向获取同一物体的2幅以上的数字图像,经计算机图像匹配等处理及相关数学计算后得到待测点精确的三维坐标.其测量原理和经纬仪测量系统一样,均是三角交会法.数字近景摄影测量系统国外的生产厂家和产品很多,如美国大地测量服务公司(GSI)的V—STARS系统,挪威(下转第132页)科技信息高校理科研究算出来之后,按灰度化的方法计算,即可得到由灰度表示的相位差数据,也就是干涉图(如图3所示),它是以干涉条纹的形式表现出来的.在生成干涉图的同时,可以根据相干系数生成相干图(如图4所示).图3干涉图图4相干图2.4相位解缠在生成干涉图并进行一定的处理后,即可进行相位解缠.由于从干涉图中得到的相位差实际上只是主值,要得到真实的相位差必须在这个值的基础上加上或减去2的整数倍.对干涉相位进行相位解缠,得到反映地形变化的地形相位(如图5所示).它对后面生成DEM的精度影响很大,受到广泛地关注.2.5基线估计基线是获取DEM不可缺少重要的参数.基线的长短将直接影响图像对的干涉性,进而影响DEM的质量.本实验采用的是基于牛顿迭代法的干涉SAR基线估计.2.6DEM的生成利用解缠相位和干涉测量的几何参数,进行相位到高程的转换,将转换后的高程结果转换到特定坐标系下,生成DEM(如图6所示).图5解缠干涉图图6DEM3.INSAR获取DEM的精度分析图6是利用INSAR获取DEM的结果,从获取DEM的数据流程来看,DEM的精度主要受以下因素的影响:3.1影像配准对DEM精度的影响影像的配准精度是影响INSAR对DEM精度的关键因素之一.如果两幅复数影像的同名点相互错开一个像素,则两幅影像的相位信息将完全不相干,干涉相位为纯噪声.因此,配准精度越高越好,一般要达到1/8像素精度.3_2干涉相位对DEM精度的影响干涉相位误差具有随机误差的特性.它描述了数字高程图上每～点的统计变化,影响每个像元的高程,是INSAR技术获取DEM的主要误差源:引起干涉相位误差的主要因素有人工处理,系统热噪声,数据采样,时间抗相关,基线抗相关以及大气不均匀导致的.33相位解缠误差对DEM精度的影响相位解缠就是恢复雷达影像的原始相位值,而雷达信号的低信噪比,地形起伏引起的迭掩,阴影以及其他各种原因造成的去相关等都会造成相位数据的不连续,都会导致干涉相位图中相位趋势和周期性的破坏,这对INSAR最终的成果DEM有很大的影响.4.结束语利用ERS一1/2串行模式SAR数据获取了DEM,并对其精度进行了分析.结果表明INSAR干涉测量的数据处理是一个比较复杂的过程,每一步骤的处理方法及算法都会对最终的成果DEM产生很大的影响.但是它有很高的自动化特征,可减少人的工作量,有着广泛应用的前景,随着大地测量及GPS技术的发展,地面控制点的精度由了很大的提高,从而可以利用控制点来提高基线的精度,提高相位解缠的可靠性,从而提高DEM的精度.参考文献l1JMichaelVoigt,BianYang,ChristophBusch.ReversibleWater—markingof2D—vectorDatalAj.Proceedingsoftthe2004ACMIntema—tionalWorkshopOHMultimediaandsecuritylCJ.Germany,Magdeburg,2004:160-165.12jSolachidisVassilios,NikolaidisNikos,PitasloannisWatermarkingpo~gonalfinesusingfourierescriptorslAj.ProceedingsofIEEEInterna—tionalConferenceOnAcoustics,SpeechandSignalProcessing(ICASSP'2000)lCj.Turkey,lstanbul,2000:1955-1958[3]袁孝康.星载合成孔径雷达导论[M].北京:国防工业出版社,2003[4]王超,张红,刘智.星载合成孔径雷达干涉测量[M].北京:科学出版社,2002.33—98[5]苗放,梁军,叶成名,杨智翔.用INSAR技术提取数字高程模型的研究物探化探计算技术,200703[6]杨成生,赵超英,季灵云INSAR技术用于西安地区DEM生成的精度分析.工程勘察,2008.06(上接第130页)Metronor公司的Metronor系统和德国AICDN3D公司的DPA—Pro系统等.以美国GSI公司的V—STARS系统为例,它是采用数字近景摄影测量原理,通过两台高分辨率的柯达数字相机对被测物同时拍摄,得到物体的数字影像,经计算机图像处理后得到精确的x,Y,z坐标[61.国内的有西安交通大学研制的XJTUDP三维光学点测量系统(如图4).其可以精确地获得离散的目标点三维坐标,是一种便携式,移动式的三坐标光学测量系统,可以用于静态T件的质量控制和静态变形分析实时测量.近景摄影测量的研究应用领域已涉及空间飞行器制造,航空工业,船舶工业,汽车工业,。