工業(yè)測量的復(fù)習資料

1、工業(yè)測量的技術(shù)手段和儀器設(shè)備，伴隨著科學技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，其名目繁多。但歸納起來，最主要是以電子經(jīng)緯儀或全站儀，攝影儀或顯微攝影儀，激光掃描儀等傳感器，在電子計算機和軟件的支持下形成的三維測量系統(tǒng)，系統(tǒng)大概可分為三大類，以電子經(jīng)緯儀或全站儀為傳感器的工業(yè)大地測量系統(tǒng)；以攝影儀或顯微攝影儀為傳感器的工業(yè)攝影測量系統(tǒng)；以激光掃描儀為傳感器的激光掃描測量系統(tǒng)。除此以外，還有基于莫爾條紋的工業(yè)測量系統(tǒng)，基于磁力場的三維量測系統(tǒng)，用于空間拋物體運動軌跡測定的全球定位系統(tǒng)等。51工業(yè)大地測量系統(tǒng)工業(yè)大地測量系統(tǒng)發(fā)展最早，應(yīng)用較廣52工業(yè)攝影測量系統(tǒng)工業(yè)攝影測量系統(tǒng)，是借助目標的影像，通過圖像處理和攝影測量

2、處理過程，以獲取目標的幾何狀態(tài)和運動狀態(tài)。其優(yōu)點是通過像片提供大量信息，施測周期短，可在瞬間完成測量全過程，可對動態(tài)目標進行測量，可多重攝影，有多余觀測值，精度可靠，相對精度可達百萬分之一。特別適用于待測點密集的目標，適用于目標環(huán)境不甚穩(wěn)定，乃至劇烈變化的目標，適用于工業(yè)生產(chǎn)流水線上產(chǎn)品的快速檢測53地面激光雷達系統(tǒng)，前面32節(jié)中所說的地面激光雷達系統(tǒng)，最初是為工業(yè)測量設(shè)計的三維工業(yè)測量系統(tǒng)，如瑞士研制Cyrax激光掃描儀，具有掃描范圍大，速度快，分辨率高、建模快，拼接好的特點，激光掃描“點陣”可再現(xiàn)所測物體的三維立體景觀，可直接用于點對點的量測，利用擬合軟件，點陣可以轉(zhuǎn)換成三維模型，二維平面

3、圖，等高線圖或斷面圖。它的問世，使三維工業(yè)測量系統(tǒng)加速向自動化、智能化、多用途方向發(fā)展。三維工業(yè)測量系統(tǒng)是在制造業(yè)和機械安裝檢測行業(yè)中，利用各種測量儀器包括電子經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀、掃描儀、專業(yè)相機等組合，在計算機的控制下，對工件和產(chǎn)品進行精密三維坐標測量的復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)測量數(shù)據(jù)的獲取方式不同總體上可分為接觸式和非接觸式兩類。接觸式測量設(shè)備的主要代表是三坐標測量機(CoordinateMeasuringMachine，CMM)，它是傳統(tǒng)的通用坐標精密測量設(shè)備，在制造業(yè)乃至世界范圍內(nèi)得到了很廣泛的應(yīng)用，并已經(jīng)成為3D檢測工業(yè)標準設(shè)備。該設(shè)備主要是通過探頭在被檢測物體上移動的方式獲取工件特征

4、點的三維坐標。在逆向工程應(yīng)用的初期，CMM是數(shù)據(jù)采集的主要手段，它的優(yōu)點是測量精度高(三維空間精度可達12u叫，成本低，適應(yīng)性強，可對具有復(fù)雜形狀的工件的空間尺寸進行測量，缺點是測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行測量，數(shù)據(jù)需進行測頭半徑補償，且受到直線型導軌運動的限制，測量范圍有限，一般不超過2米。此外，采用非接觸式測量方法的還有基于機器人的柔性坐標測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以機器人本體為運動平臺，配合精密測頭，實現(xiàn)空間測量。它是將CMM的直線導軌形式轉(zhuǎn)化為靈活的關(guān)節(jié)運動形式，因而具有很好的運動效率和緊湊的安裝空間，缺點是受到運動形式的影響，測量精度和測量范圍受到了很大的限制。非接觸式測量方法是利

5、用某種與物體表面發(fā)生相互作用的的物理現(xiàn)象來獲取三維信息，根據(jù)測量原理的不同可以分為：反射式和投射式兩類，在反射式中根據(jù)采用媒介的不同又可分為：光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式，其中較為成熟的是光學測量，包括三角形法、激光掃描、結(jié)構(gòu)光法、莫爾條紋、攝影視覺圖像處理等方法。使用反射式測量方法的三維工業(yè)測量系統(tǒng)主要有：經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)、近景數(shù)字攝影測量系統(tǒng)、激光跟蹤測量系統(tǒng)等，本文研究的主要對象一地面三維激光掃描系統(tǒng)也屬于這一范疇。以上各系統(tǒng)的原理及特點歸納總結(jié)如下：1)經(jīng)緯儀工業(yè)測量系統(tǒng)以空間交會三角測量原理為基礎(chǔ)，采用多經(jīng)緯儀組合，結(jié)合精密定向技術(shù)，理論上可實現(xiàn)10umm的精度，且便于攜帶

6、，但測量效率低，需人工瞄準，工作強度大，測量結(jié)果易受到人為因素影響。代表設(shè)備有美國制造的解析工業(yè)測量系統(tǒng)_AIMSRT。2)近景數(shù)字攝影測量系統(tǒng)采用類似于經(jīng)緯儀系統(tǒng)的空間交會三角測量模型，不同的是它采用高性能數(shù)字成像器作為傳感元件，結(jié)合圖像處理及模式識別技術(shù)實現(xiàn)對目標物體的自動識別、瞄準和測量。優(yōu)點是測量過程實現(xiàn)了自動化，消除人為誤差，有效提高了測量的精度，施測周期短，測量效率大大提高。我國近景數(shù)字攝影測量系統(tǒng)一般精度較低，但也得到較多的應(yīng)用并卓有成效，如北京市測繪設(shè)計研究院將其用于測繪大飛機外型；武漢測繪科技大學將其用于葛洲壩船閘變形監(jiān)測、龍口及上下游水面流速動態(tài)測量等。3)激光跟蹤測量系統(tǒng)

7、是建立在激光干涉長度測量和角度精密測量基礎(chǔ)上的極坐標測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于空間極坐標測量原理，給定點的坐標由跟蹤頭輸出的兩個角度，即水平角H和垂直角V，以及反射鏡到跟蹤頭的距離S來計算，它具有快速、動態(tài)、精度高等優(yōu)點，在航空航天、機械制造、核工業(yè)等測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，Leica公司、API公司、以及SMX公司都先后推出了各具特色的激光跟蹤測量系統(tǒng)。4)三維激光掃描系統(tǒng)也是建立在長度精密測量和角度精密測量基礎(chǔ)上的極坐標測量系統(tǒng)，具有快速、動態(tài)、精度高的優(yōu)點，它通過用戶主動設(shè)置掃描區(qū)域、掃描間隔等參數(shù)進行自動化掃描，掃描數(shù)據(jù)的單點位精度可達到毫米級。目前國內(nèi)外使用較多的設(shè)備有Leica的HDS系列、

8、北京榮創(chuàng)興業(yè)科技發(fā)展有限公司的ViScan系列、美國的FARO等公司推出的產(chǎn)品。本文研究的主要對象三維激光掃描系統(tǒng)，也稱為三維激光成圖系統(tǒng)，主要由三維激光掃描儀硬件和數(shù)據(jù)后處理軟件組成。一般來講，測繪用激光掃描儀根據(jù)掃描的空間位置或者系統(tǒng)的運行平臺來劃分可以分為三類：機載型激光掃描系統(tǒng)。這類系統(tǒng)由激光掃描儀、飛行慣導系統(tǒng)、DGPS定位系統(tǒng)、成像裝置、計算機以及數(shù)據(jù)采集器、記錄器、處理軟件和電源等構(gòu)成。DGPS系統(tǒng)給出成像系統(tǒng)和掃描儀的精確空間三維坐標，慣導系統(tǒng)給出其空中的姿態(tài)參數(shù)，由激光掃描儀進行空對地式的掃描來測定成像中心到地面采樣點的精確距離，再根據(jù)幾何原理計算出采樣點的三維坐標。地面激光

9、掃描儀系統(tǒng)。此類別又可劃分為兩類，一類是移動式掃描系統(tǒng)，一類是固定式掃描系統(tǒng)。所謂移動式掃描系統(tǒng)是集成了激光掃描儀、CCD相機及數(shù)字彩色相機的數(shù)字采集和記錄系統(tǒng)、GPS接收機、基于車載平臺，由激光掃描儀和攝影測量獲得原始數(shù)據(jù)作為三維建模的數(shù)據(jù)源。而固定式的掃描儀系統(tǒng)類似于傳統(tǒng)測量中的全站儀，它有一個激光掃描儀和一個內(nèi)置或外置的數(shù)碼相機以及軟件控制系統(tǒng)組成，二者的不同之處在于固定式掃描儀采集的不是離散的單點三維坐標，而是一系列的“點云數(shù)據(jù)，這些點云數(shù)據(jù)可以直接用來進行三維建模，而數(shù)碼相機的功能是提供對應(yīng)模型的紋理信息。手持型激光掃描儀。這是一種便攜式的激光測距系統(tǒng)，可以精確的對物體進行長度、面積

10、、體積測量?？梢詭椭脩粼跀?shù)秒內(nèi)快速的測得精確可靠的成果，此類型的儀器配有聯(lián)機軟件和反射片，如Leica的迪士通系列產(chǎn)品。工業(yè)測量的內(nèi)容、技術(shù)、手段、特點(精度和適用場合)多種工業(yè)測量的實際作業(yè)方法和過程工業(yè)攝影測量方法的應(yīng)用場合1）目標上待測點密集，單一目標上有很多待測點；2）目標處于震動、水下、高速運動、有毒害、難以接近等環(huán)境，即便是待測點數(shù)不多的情況。測角儀器的應(yīng)用場合v 經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀和全站儀等測角儀器，在工業(yè)測量中適用于目標上待測點稀疏但精v 度要求較高，而又無法或不利于使用專用傳感器和攝影測量方法的場合。工業(yè)測量的內(nèi)容任務(wù)：v 工業(yè)測量(IndustrialMeasurment

11、System)：工業(yè)測量是將測量方法和技術(shù)應(yīng)用于精密制造工業(yè)、精密機械安裝工業(yè)和精密變形監(jiān)測等，對部件、產(chǎn)品及構(gòu)筑物的形體進行精密的一維到三維坐標的測量。通過數(shù)據(jù)處理與分析來解決設(shè)計、仿制（含仿真）、檢測、放樣、質(zhì)量控制（含流水線和機器人運動軌跡測定）和動態(tài)監(jiān)測中與目標的形狀尺寸及運動狀態(tài)等有關(guān)的問題。內(nèi)容：外形測量放樣、安裝、變形測量風洞試驗室、水工實驗室中、汽車碰撞試驗油船艙體容積的測定；大量人工構(gòu)筑物內(nèi)結(jié)構(gòu)測量，如鐵路公路隧道、城市地下鐵道、海底或水下髓道、礦山大型巷道和采空區(qū)、各類地下軍事工程、地下防空工程、艦艇洞庫、飛機洞庫、油庫與彈藥庫、水電站的排水泄水洞、排沙洞、機組葉片和壩內(nèi)結(jié)

12、構(gòu)、各類運輸車船的內(nèi)結(jié)構(gòu)等；文物測量質(zhì)量檢測iGPS特點與工程測量的比較v 常規(guī)工程測量：1 土木工程等露天目標，空間坐標和幾何尺寸2 全站儀，GPS，水準儀為主要設(shè)備3 點位絕對精度低，目標尺寸大v 工業(yè)測量：車間或?qū)嶒炇覂?nèi)設(shè)備，工業(yè)產(chǎn)品和零部件為測量目的n1 幾何量：坐標，長度同軸度、跳動.幾何點位精度高2 絕對精度高，目標尺寸小，測量頻率較高工業(yè)測量技術(shù)v 一維、二維測量技術(shù)1 角度測量2 傾斜測量3 精密高程測量4 準直測量5 距離測量6 長度測量v 機械法（溫度，拉力）：游標卡尺、千分尺1 用于測量孔、軸的內(nèi)、外直2 徑或者物體的厚度3 電子讀數(shù)的分辨率達到幾個微米電磁波測距法（大氣

13、）4 測程超過100米 毫米級精度5 高精度遠程測距儀 測程5km +-0.2mm6 雙色測距儀 消除大氣影響100m0.2mm電磁波測距影響因素7 儀器本身的誤差：加常數(shù)、乘常數(shù)、周期誤差8 大氣折光引起的誤差：溫度、濕度、氣壓激光干涉法（大氣）9 激光絕對干涉測距 10 距離變化測量 檢測孔和軸的同軸度及跳動度； 檢測工件的平行度和直線度或用作某些測量裝置的測量元件。角度測量11 經(jīng)緯儀角度測量-絕對編碼法增量編碼法 12 角度測量精度有限13 動態(tài)測角法 0.1秒14 激光干涉角度測量0.082秒15 圓光柵測量法 可獲得運動物體的角度16 測角儀法 全站儀經(jīng)緯儀原理17 自準直儀法 1

14、8 正弦規(guī)測量3秒到5秒高程測量1) 精密幾何水準2) 流體靜力水準n3) 三角高程準直測量1 光學準直2 機械準直3 波帶板激光準直4 光學自準直30m1-2“三維坐標測量技術(shù)1) 經(jīng)緯儀系統(tǒng)2) 極坐標系統(tǒng)3) 工業(yè)攝影測量激光跟蹤測量系統(tǒng)坐標測量機關(guān)節(jié)臂測量機iGPS激光掃描測量系統(tǒng)經(jīng)緯儀系統(tǒng)1)經(jīng)緯儀交會系統(tǒng)的特點u 設(shè)備簡單，價值低u 精度高（亞毫米） 基準尺精度優(yōu)于0.01mm 測角精度高0.5” 有內(nèi)覘標及照準標志 望遠鏡焦距長，利于清晰照準目標 自準直功能(平面鏡)u 可以進行無接觸測量u 操作較復(fù)雜u 速度慢u 需要合適空間，需要可視u 精度不均勻，與距離有關(guān) 適合于小空間、

15、少量點的高精度測量極坐標系統(tǒng)（全站儀測量系統(tǒng)）高經(jīng)濟性 靈活性定向 測角 測距工業(yè)全站儀的特點 精度高，120m范圍內(nèi)測距絕對精度為0.5mm左右； 增加目標自動識別功能，可用于目標跟蹤 不存在構(gòu)型問題應(yīng)用 在線質(zhì)量控制 自動化操作 遠程控制工業(yè)攝影測量工業(yè)攝影測量是重要手段，特別適用于目標上待測點眾多、目標不可接近、目標處于運動狀態(tài)、目標處于變形、震動、有害環(huán)境、無穩(wěn)定的傳感器架設(shè)平臺等情況被測物體距攝影機的距離小于100米左右時稱之為近景攝影測量n瞬間獲取被測物體大量表面信息，動態(tài)測量和形狀測量非接觸手段，適合在惡劣環(huán)境的測量n常用交向攝影測量，保證測點的有較大的重疊度可以快速提供高精度的

16、測量成果，相對精度可達到千分之一到百萬分之一攝影測量設(shè)備按照攝影設(shè)備的的測量功能：量測相機：多用于各種高精度的測量任務(wù)（工業(yè)測量）；半量測相機；非量測相機：適是用于各種中、低精度的測量任務(wù)按照攝影設(shè)備的結(jié)構(gòu)：模擬相機；數(shù)碼相機按照攝影作業(yè)方法：單個相機；立體相機方法流程測量計劃（要求、測量方案等）測量物體范圍和工作量；能達到的精度；是否需要人工標志；環(huán)境條件如何（攝影地點，閃光、干擾等）；檢驗方法或者精度驗證；現(xiàn)場允許測量的時間；數(shù)據(jù)處理時間；成果遞交形式（坐標、圖像、接口、實時等）攝影測量與數(shù)據(jù)處理測量結(jié)果的后續(xù)處理對水下人工構(gòu)筑物（如鉆井平臺、沉船、古建筑）以及其他目標的精確測量，惟一的方

17、法是水下攝影測量數(shù)字近景攝影測量系統(tǒng)V-STARS系統(tǒng)技術(shù)特點（1）高精度：單相機系統(tǒng)在10m范圍內(nèi)測量精度可以達到0.08mm，而雙相機系統(tǒng)則可以達到0.17mm；（2）非接觸測量：光學攝影的測量方式，無需接觸工件；（3）測量速度快：單相機幾分鐘即可完成大量點云測量，雙相機實時測量；（4）可以在不穩(wěn)定的環(huán)境中測量（溫度，震動）：測量時間短受溫度影響小，雙相機系統(tǒng)可以在不穩(wěn)定環(huán)境中測量；（5）特別適合狹小空間的測量：只要0.5m空間即可拍照、測量（6）數(shù)據(jù)率高，可以方便獲取大量數(shù)據(jù)：像點由計算機軟件自動提取并量測，測量1000個點的速度幾乎與10個點的一樣；（7）適應(yīng)性好：物體尺寸從0.5m到

18、100m均可用一套系統(tǒng)測量（8）便攜性好：單相機系統(tǒng)1人即可到現(xiàn)場開展測量工作該系統(tǒng)主要用于對靜態(tài)物體的高精度三維坐標測量，測量時只需要手持相機距離被測物體一定距離從多個位置和角度拍攝一定數(shù)量的數(shù)字像片，然后由計算機軟件自動處理（標志點圖像中心自動定位、自動匹配、自動拼接和自動平差計算）得到特征標志點的X、Y、Z坐標。V-STARS系統(tǒng)在國外航空航天、天線制造，汽車、造船、核工業(yè)等諸多領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用10m范圍的測量精度達到0.044mm三坐標測量機（CMM）將被測零件放入它允許的測量空間，三坐標量測機就是通過測頭在三個相互垂直導軌的動，精確的測出被測零件表面點在空間的三個坐標位置的數(shù)值。將這

19、些點的坐標數(shù)值經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學計算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。三坐標測量機的具體測量步驟測頭校準建立工件坐標系（原點、方向）工件測量測量分析基本元素的測量構(gòu)造相關(guān)幾何量檢測報告應(yīng)用：文物測量、機械、汽車、航空、軍工、家具、工具原型、模型、機器等中小配件；箱體、機架、齒輪、凸輪、渦輪、葉片、曲線曲面等測量；電子五金塑膠激光跟蹤測量系統(tǒng)可對空間運動目標進行跟蹤并實時測量其空間三維坐標，具有安裝快捷、操作簡便、實時掃描測量、測量精度及效率高等優(yōu)點，被譽為便攜式CMM。測量過程n布站公共基準點n建立測量坐標系測量截面點云n物體坐

20、標系轉(zhuǎn)換n測量數(shù)據(jù)處理和模型重構(gòu)應(yīng)用：（無需人員觀測，快速、動態(tài)、遠距離、高準確度）飛機、汽車、輪船部件的外形監(jiān)測核工業(yè)精密設(shè)備的安裝測量隱點在線監(jiān)測基于CAD的監(jiān)測大尺寸部件測量機器人的調(diào)整系統(tǒng)裝配和部件裝配工裝檢測和研發(fā)微型基準網(wǎng)的建立地面三維激光掃描系統(tǒng)特點n掃描式n漫反射n自動化作業(yè)流程制定作業(yè)計劃坐標系的選擇掃描儀及其配準靶標的選擇掃描站的選擇現(xiàn)場掃描連接設(shè)備，設(shè)置參數(shù)（重復(fù)次數(shù)，分辨率）靶標坐標測量應(yīng)用-土木工程測量：道路、大壩、隧道、軌道等形狀測量n地形測量：高陡變坡n數(shù)字工場：廠房結(jié)構(gòu)、管道的三維資料文物保護滑坡監(jiān)測建筑物檢測測量隧道虛擬現(xiàn)實（逆向工程）：實際形狀與設(shè)計形狀的對比高壓線交通事故現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集iGPSIndoorGPS主要應(yīng)用于飛機制造、衛(wèi)星制造等航空航天領(lǐng)域，汽車、造船以及工業(yè)測量等領(lǐng)域。它的主要功能體現(xiàn)在：實時監(jiān)控、移動導航、在線檢測、大部件的空間尺寸三維測量以及逆向工程等。即實時監(jiān)控被測物體在生產(chǎn)、安裝和維修過程中的位置和狀態(tài)；跟蹤和