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在測(cè)量逐步數(shù)字化的今天,三維已經(jīng)逐漸的代替二維,因?yàn)槠渲庇^性是二維無法表示的。三維激光掃描儀就是近年來迅速發(fā)展起來的先進(jìn)測(cè)量?jī)x器,由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性,將其引入測(cè)量裝置中,在精度、速度、易操作性等方面均表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì),它的出現(xiàn)是測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次突破性技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法,能夠提供掃描物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過對(duì)觀測(cè)對(duì)象進(jìn)行多角度的立體掃描、得到被測(cè)對(duì)象的位置及高度等信息,然后對(duì)這些信息進(jìn)行處理、建模,拼接成圖,即可獲取高精度高分辨率的數(shù)字模型。三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點(diǎn)的信息,還包括R,G,B顏色信息,同時(shí)還有物體反色率的信息,這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實(shí)再現(xiàn)的感覺,是一般測(cè)量手段無法做到的。
1 三維激光掃描儀分類
三維激光掃描儀種類很多,按照掃描平臺(tái)的不同可以分為:機(jī)載(或星載)激光掃描系統(tǒng)、地面型激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。
按照有效掃描距離可分為:
(1)短距離激光掃描儀:其最長(zhǎng)掃描距離不超過3m,一般最佳掃描距離為0.6~1.2m,通常這類掃描儀,不僅掃描速度快且精度較高,適合用于小型模具的量測(cè)。
(2)中距離激光掃描儀:最長(zhǎng)掃描距離小于30m的三維激光掃描儀屬于中距離三維激光掃描儀,其多用于大型模具或室內(nèi)空間的測(cè)量。
(3)長(zhǎng)距離激光掃描儀:掃描距離大于30m的三維激光掃描儀屬于長(zhǎng)距離三維激光掃描儀,其主要應(yīng)用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測(cè)量。例如,奧地利Riegl公司出品的LMS Z420i三維激光掃描儀和加拿大Cyra技術(shù)有限責(zé)任公司出品的Cyrax2500激光掃描儀等,屬于這類掃描儀。
(4)航空激光掃描儀:最長(zhǎng)掃描距離通常大于1公里,并且需要配備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng),其可用于大范圍地形的掃描測(cè)量。
要保證掃描數(shù)據(jù)的精度,就必須根據(jù)項(xiàng)目的需要,在相應(yīng)類型掃描儀所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)使用。
2 三維激光掃描儀外業(yè)數(shù)據(jù)采集
要進(jìn)行外業(yè)數(shù)據(jù)的采集,首先要選擇合適的位置設(shè)置測(cè)站。選取視野開闊,行人車輛較少的地方,架好三腳架,將三維激光掃描儀固定在三角架上,再選擇合適的位置(或者已知點(diǎn))擺放球狀標(biāo)靶,并依次對(duì)其進(jìn)行編號(hào),以便于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的編輯操作。
首先要開機(jī)預(yù)熱約5分鐘左右,然后在儀器設(shè)置中輸入工程名稱,量取儀器高,并將儀器高及標(biāo)靶的坐標(biāo)、高程等數(shù)據(jù)輸入儀器,選擇掃描方式,可以進(jìn)行全景掃描,也可以指定角度范圍進(jìn)行掃描。設(shè)置好后保存,完成設(shè)站。設(shè)站完成后,就可以進(jìn)行掃描數(shù)據(jù)采集了,直到設(shè)置范圍內(nèi)景物掃描完畢。
一般情況下由于掃描物范圍過大,或者被掃描物體的形狀較復(fù)雜,一次設(shè)站往往不能完成物體的掃描,這就需要多次遷站,重復(fù)上述過程,以完成整個(gè)物體的掃描。為了拼接建模的需要,各測(cè)站中,要保持三個(gè)以上公共點(diǎn)。
3 掃描數(shù)據(jù)的內(nèi)業(yè)處理
3.1 掃描數(shù)據(jù)的預(yù)處理
野外數(shù)據(jù)采集完成后,回到室內(nèi),將點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳入電腦,應(yīng)用相應(yīng)專業(yè)軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
由于外業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜,在數(shù)據(jù)采集過程中避免不了人員及車輛的通過。人員及車輛的數(shù)據(jù)信息就會(huì)被采集到儀器中,數(shù)據(jù)量大大增加,對(duì)于三維建模沒有用處,且會(huì)影響程序的運(yùn)行速度,需要將其剔除,這就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪聲。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的是海量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)量過大會(huì)影響程序的運(yùn)行速度,因此在不影響曲面模型重構(gòu)和保持一定精度的前提下需要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)刪除精簡(jiǎn)。常用的精簡(jiǎn)方法有:平均精簡(jiǎn)即原點(diǎn)云中每n個(gè)點(diǎn)保留1個(gè);按距離精簡(jiǎn)即刪除一些點(diǎn)后使保留的點(diǎn)云中點(diǎn)與點(diǎn)間的距離均大于某值。
3.2 三維建模
對(duì)空間信息進(jìn)行可視化表達(dá),即進(jìn)行三維建模,通常有兩類方法:基于圖像的方法和基于幾何的方法。基于圖像的方法是通過照片或圖片來建立模型,其數(shù)據(jù)來源是數(shù)碼相機(jī)。而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數(shù)據(jù)來建立三維模型,這種方法含有被測(cè)場(chǎng)景比較精確的幾何信息。
掃描時(shí)往往在一站不能測(cè)出所有數(shù)據(jù),而需要從不同位置、多視角進(jìn)行多次掃描,即多次設(shè)站。各測(cè)站采集的點(diǎn)云就需要對(duì)齊、拼接。點(diǎn)云對(duì)齊、拼接可以通過在物體表面布設(shè)同名控制點(diǎn)(各測(cè)站間的重合標(biāo)靶)來實(shí)現(xiàn)。
為了真實(shí)地還原掃描物體,需要將掃描數(shù)據(jù)用準(zhǔn)確的曲面表示出來,這個(gè)過程叫曲面重構(gòu)。常見曲面有以下幾類:三角形網(wǎng)格、細(xì)分曲面、明確的函數(shù)表示、暗含的函數(shù)表示、參數(shù)曲面、張量積B樣條曲面、NURBS曲面、曲化的面片等。
曲面重構(gòu)完成后,下一步就可以進(jìn)行掃描物體的三維建模,還原掃描物體的本來面目,點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理步驟基本完成。
4 注意事項(xiàng)
進(jìn)行三維激光掃描測(cè)站的選擇,應(yīng)注意該選在視野相對(duì)開闊的地方,四周遮擋物較少,這樣掃描范圍廣,減少測(cè)站的設(shè)置,提高工作效率,加快工作進(jìn)程。
其次測(cè)站的選擇離觀測(cè)對(duì)象不宜過近,以免仰角太大,影響成像的效果。
在掃描過程中,人員盡量減少在儀器前的走動(dòng),以免影響掃描結(jié)果,增加數(shù)據(jù)的采集。
各測(cè)站間一定要有3個(gè)以上重合點(diǎn),且要有相應(yīng)的編號(hào),便于數(shù)據(jù)的拼接建模。
5 三維激光掃描儀發(fā)展前景
三維激光掃描的主要特點(diǎn)是實(shí)時(shí)性、主動(dòng)性、適應(yīng)性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡(jiǎn)單的處理就可以直接使用,無需復(fù)雜的費(fèi)時(shí)費(fèi)力的數(shù)據(jù)后處理;且無需和被測(cè)物體接觸,可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用;并且可以和GPS等集合起來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)、更多的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)作為目前發(fā)展迅猛的新技術(shù)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(cè)、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)域已有了廣泛的應(yīng)用,相信隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展三維激光掃描技術(shù)將會(huì)在越來越多的領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用。
【參考文獻(xiàn)】
[1]花向紅,馬立廣.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2005.
關(guān)鍵詞:三維激光掃描 數(shù)據(jù)處理 地形圖 誤差 精度
中圖分類號(hào):P2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2015)04(b)-0058-01
地形測(cè)量一體化是運(yùn)用測(cè)量?jī)x器及技術(shù),對(duì)某一地形進(jìn)行外業(yè)測(cè)量,并通過內(nèi)業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模、生成地形圖的一體化生產(chǎn)過程。對(duì)于地形測(cè)量,常見的技術(shù)方法是全站儀測(cè)圖、GPS-RTK測(cè)圖、攝影測(cè)量等。而對(duì)于危險(xiǎn)區(qū)域的地形測(cè)量,如高海拔、地形險(xiǎn)峻、環(huán)境惡劣區(qū)域的地形數(shù)據(jù)采集,傳統(tǒng)的測(cè)量方法如全站儀測(cè)圖不能快速的獲取數(shù)據(jù),且存在采點(diǎn)困難、作業(yè)效率低下等問題,而攝影測(cè)量雖然可以一次性獲取大量空間信息,但存在周期長(zhǎng)、效率低等問題。三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)測(cè)量方法所不具有的優(yōu)點(diǎn):無需接觸被測(cè)地形、高效率、高精度、快速獲取高密度的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)是一種新型的空間信息數(shù)據(jù)獲取手段,已經(jīng)在變形監(jiān)測(cè)、文物保護(hù)、土木工程、工業(yè)測(cè)量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用[1-3]。
1 三維激光掃描儀在地形測(cè)量一體化中的運(yùn)用
1.1 測(cè)區(qū)概況
本次測(cè)區(qū)為一滑坡,其位于四川省漢源縣縣城東南約20公里的萬工集鎮(zhèn),地處大渡河瀑布溝庫區(qū)左岸,屬于高中山地形,掃描區(qū)域的地形起伏略大,植被較少,減少了對(duì)采集到的云數(shù)據(jù)的干擾,對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理比較有利,提高了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。
鑒于本項(xiàng)目的地形特點(diǎn),決定采用Leica Scanstation2三維激光掃描儀進(jìn)行測(cè)量,使用拓普康GPT-7502全站儀布設(shè)控制網(wǎng),其測(cè)角精度為2”,測(cè)距精度為±(2mm+2ppm)。
1.2 控制網(wǎng)布設(shè)
為了在統(tǒng)一的坐標(biāo)系下對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配拼接,在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)埋設(shè)了用于設(shè)站和定向的控制點(diǎn)K1~K6,其均勻布設(shè)在測(cè)區(qū)內(nèi)。掃描站點(diǎn)選擇在視野開闊的區(qū)域,在保證精度的情況下,能最大范圍的掃描到目標(biāo)。
1.3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集
考慮到該地形的特殊性,采用分站式的掃描方式對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行大面積的掃描,即以測(cè)站為中心,對(duì)周圍一定距離半徑的區(qū)域進(jìn)行掃描。
該三維激光掃描儀與常規(guī)全站儀測(cè)量不同,可采用已知后視點(diǎn)坐標(biāo)的自由設(shè)站法,置平后無須定向即可測(cè)量。將儀器安置在K1上,在測(cè)區(qū)選擇3個(gè)不在同一條直線上的點(diǎn)安放藍(lán)白標(biāo)靶,將其中一個(gè)標(biāo)靶安置在K2上,啟動(dòng)配套的Cyclone軟件并建立數(shù)據(jù)庫與工程文件,通過設(shè)置角度范圍對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行拍照,設(shè)置好參數(shù)后對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描。然后依次把掃描儀架設(shè)在K3、K5、K6、K4、K2上,采用相同方法進(jìn)行掃描,直到所有掃描完成。
每測(cè)站掃描結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)檢查,判斷是否有區(qū)域掃描遺漏,檢查標(biāo)靶的采樣率是否符合要求,檢查無誤后對(duì)每一測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行命名,包括測(cè)站名稱、掃描順序等,然后保存。
1.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理
點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后,應(yīng)用Cyclone軟件及Geomagic Studio 12軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其處理過程主要包括:不同測(cè)站點(diǎn)云的拼接、噪聲處理、點(diǎn)云濾波平滑、抽稀壓縮、空洞修補(bǔ)及數(shù)據(jù)輸出。
1.5 地形圖的繪制
經(jīng)過預(yù)處理得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)其三維坐標(biāo)是基于掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)的,而地形圖采用的是國家坐標(biāo)系統(tǒng),因此,在用點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制地形圖前需將基于三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到國家坐標(biāo)系中。在此采用四參數(shù)模型進(jìn)行平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換,而高程的轉(zhuǎn)換采用平面擬合法。
轉(zhuǎn)換完成后,從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取居民地、交通設(shè)施、河流、陡坎、獨(dú)立地物等地物點(diǎn)坐標(biāo)并編輯制圖。其他高程點(diǎn)過濾植被后,按照成圖比例尺大小,選擇合適的點(diǎn)間距,稀釋點(diǎn)云數(shù)據(jù),將采樣得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到CASS中建立DTM模型,生成等高線。將地物和等高線圖形進(jìn)行疊加編輯,最終完成地形圖。
1.6 成圖質(zhì)量檢查
對(duì)三維激光掃描儀所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)所成的地形圖進(jìn)行質(zhì)量檢查,主要采用全站儀所測(cè)檢核點(diǎn)的三維坐標(biāo)和三維激光掃描儀掃描得到的點(diǎn)三維坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算,求出此類點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差[4],進(jìn)行質(zhì)量檢查。
本次在測(cè)區(qū)內(nèi)均勻布設(shè)了5個(gè)檢核點(diǎn),掃描時(shí)在檢核點(diǎn)上安置標(biāo)靶。采用全站儀測(cè)得5個(gè)檢核點(diǎn)的三維坐標(biāo)和掃描儀轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來檢查地形圖的可靠性,見表1。
通過表1可以看出,兩者獲取的檢核點(diǎn)平面坐標(biāo)差值的絕對(duì)值最小為4mm,最大值為17mm;高程差值的絕對(duì)值最小值為4mm,最大值為28mm。采用表1中的數(shù)據(jù),計(jì)算得到檢核點(diǎn)的平面中誤差和高程中誤差為:M??x=±15mm,My=±14mm,Mh=±20mm。
對(duì)采用三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與利用全站儀測(cè)得的三維坐標(biāo),其檢核點(diǎn)的平面坐標(biāo)中誤差
2 結(jié)論
將三維激光掃描儀用于地形測(cè)量是完全可行的,在地形測(cè)量一體化中,采用三維激光掃描技術(shù)完全能夠滿足一般地形圖測(cè)量的需要,與其他地形圖測(cè)量方法相比較,其能夠?qū)崿F(xiàn)真正的一體化,利用三維激光掃描儀與計(jì)算機(jī)相結(jié)合得出的地形圖,大大提高了效率,節(jié)省大量人力物力,尤其是在地形險(xiǎn)峻、人難以到達(dá)的地方有著極大的優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1] 彭維吉,李孝雁,黃颯.基于地面三維激光掃描技術(shù)的快速地形圖測(cè)繪[J].測(cè)繪通報(bào),2013(3):70-72.
[關(guān)鍵詞]RIEGL VZ-1000 地面三維激光掃描儀 點(diǎn)云
[中圖分類號(hào)] F407.1 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X(2015)-2-116-2
1引言
地面激光掃描儀技術(shù)采用高速激光測(cè)量技術(shù),以高精度高密度離散點(diǎn)云形式來反射測(cè)量目標(biāo)對(duì)象表面的三維形態(tài)信息,然后對(duì)點(diǎn)云觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取目標(biāo)對(duì)象矢量化三維空間形態(tài)信息。
RIEGL VZ-1000三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀,軟件部分包括系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件RISCAN_PRO等,除此之外還配有GPS定位系統(tǒng)全站儀等常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)為后續(xù)進(jìn)行地面空間數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)拼接提供支持。
瑞格三維激光掃描儀其掃描原理是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集設(shè)備,主要包括激光發(fā)射器措施控制系統(tǒng)和測(cè)量每個(gè)激光脈沖水平角度與垂直角度根據(jù)空間三角函數(shù)的的原理計(jì)算出激光點(diǎn)在被測(cè)場(chǎng)景中的三維三坐信息,其工作原理是三維激光掃描儀發(fā)射出一個(gè)激光脈沖信號(hào)給物體表面反射后幾乎沿相同的路徑返向傳到接收器。測(cè)程范圍達(dá)到1400米,掃描精度5mm@100m。
2野外數(shù)據(jù)采集處理
數(shù)據(jù)采集包括根據(jù)掃描對(duì)象和周圍環(huán)境進(jìn)行設(shè)站,站點(diǎn)標(biāo)靶點(diǎn)的安置采集參數(shù)的設(shè)置掃描區(qū)間(角度設(shè)置)相機(jī)分辨率等外業(yè)數(shù)據(jù)掃描等。在擺放標(biāo)靶點(diǎn)反射片時(shí)應(yīng)該形成不規(guī)則三角形或多邊形一般距離控制到3-5米范圍內(nèi),這樣可以傾斜掃描時(shí)掃描高度大一些,一般反射片不少于3個(gè),同時(shí)在點(diǎn)云容易找到標(biāo)靶反射片的位置,這一點(diǎn)非常重要否則可能導(dǎo)致掃描站作廢。反射片的實(shí)地坐標(biāo)可配合GPS RTK采集。
3數(shù)據(jù)后處理
(1)建立工程及數(shù)據(jù)下載:下載點(diǎn)擊工具欄“project”命令-“New”-選擇工程在計(jì)算機(jī)中存貯位置并為工程命名;雙擊工程名在出現(xiàn)的對(duì)話框中點(diǎn)擊“Instrument”命令并且在“Network”命令下設(shè)置對(duì)應(yīng)掃描儀中IP地址。點(diǎn)擊工具欄“HELP”-“download and convert”-選取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行下載。(可右鍵工程名稱點(diǎn)”check all”全選所有數(shù)據(jù))
(2)選取反射片或公共點(diǎn):在新接觸RIEGL掃描儀或無明顯公共特征地物的情況下不建議運(yùn)用選取公共點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接,最好是每站擺設(shè)3個(gè)反射片來進(jìn)行粗拼和坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。選取反射片一般在2D視圖下灰度模式中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取在反射片的中心點(diǎn)擊右鍵,選擇“create tiepoint here”輸入點(diǎn)名稱(點(diǎn)名稱應(yīng)便于記住并且與選取的公共點(diǎn)區(qū)分開)在2D視圖中選取反射片后,可在3D視圖中拖入標(biāo)記的反射片來檢查標(biāo)記的反射片位置是否正確。
(3)導(dǎo)入外業(yè)實(shí)測(cè)反射片坐標(biāo):把外業(yè)RTK點(diǎn)(TXT格式或者CSV格式)導(dǎo)入TPL(GLCS)需要注意X6位Y7位; 如果我們是用選取公共點(diǎn)進(jìn)行站站之間的粗拼,或用反射片進(jìn)行粗拼,可以在TPL(GLCS)中選取所有點(diǎn)右鍵,復(fù)制到TPL(PRCS)。注意:一般我們?cè)谝巴庾鳂I(yè)時(shí)都是用磁羅盤進(jìn)行定向配合GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描,內(nèi)業(yè)一般就可以不用進(jìn)行粗拼,所以我們不用將TPL(GLCS)中的點(diǎn)復(fù)制到TPL(PRCS)中。
(4)粗拼:就是將站站之間的位置在一定的誤差范圍內(nèi)重合。粗拼有三種方法,①在野外作業(yè)時(shí)都是用磁羅盤進(jìn)行定向配合GPS進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描,相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生太大的變化。某些個(gè)別站因?yàn)楦鞣N原因可能會(huì)發(fā)生相對(duì)位置變化很大的情況,我們可以通過改變某站掃描數(shù)據(jù)的X、Y、Z坐標(biāo)進(jìn)行粗拼。通過掃描儀中反射片坐標(biāo)TPL(SOCS)與RTK所測(cè)坐標(biāo)進(jìn)行點(diǎn)與點(diǎn)匹配進(jìn)行粗拼。將RTK所測(cè)的TPL(GLCS)在每站的TPL里面選擇TPL(GLCS) 尋找“同名點(diǎn)”(和導(dǎo)入的控制點(diǎn)匹配)點(diǎn)到點(diǎn),設(shè)置正確的容差和匹配點(diǎn)個(gè)數(shù)。②如果無法匹配的時(shí)候首先檢查容差設(shè)置和匹配點(diǎn)數(shù)量的設(shè)置,如果還不行打開3D點(diǎn)云看選取的位置是否在所要選取的位置上。③如果在這一站里沒有找到這三個(gè)反射片可以通過手選3個(gè)公共點(diǎn)與有公共部分的站進(jìn)行匹配。
(5)手動(dòng)拼接:在相關(guān)兩站點(diǎn)云中分別選擇至少三對(duì)同名點(diǎn),通過每一站的TPL(SOCS)中的“尋找同名點(diǎn)功能”與其他站進(jìn)行拼接。用此拼接方法時(shí)需注意設(shè)定一站為基礎(chǔ)站,其他站一次往這站上拼,每進(jìn)行一次粗拼,就要馬上做一次精拼(例如scanpos001為基準(zhǔn)站,首先在scanpos001和scanpos002的點(diǎn)云中選取至少三對(duì)同名點(diǎn),然后在scanpos002的TPL中點(diǎn)擊尋找同名點(diǎn),勾選scanpos001站進(jìn)行粗拼,之后馬上對(duì)這兩站進(jìn)行精拼,然后在選取scanpos003與scanpos002的同名點(diǎn)進(jìn)行粗拼)。
(6)精拼(多站點(diǎn)拼接):①準(zhǔn)備數(shù)據(jù),在工具欄拼接命令下進(jìn)行創(chuàng)建用于拼接的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),設(shè)置參數(shù)(如果是做地形max plane error=0.02m(建筑的話為0.015)、max edge lenth=2m(建筑的話為1)、reference range=設(shè)置站站重疊長(zhǎng)度或測(cè)程的一半)。②精拼打開多站點(diǎn)拼接命令,鎖定基礎(chǔ)站,如果多站已拼接好需將拼好站鎖定(拼好一站鎖一站),在拼接過程中一定要一站一站拼。需要設(shè)置的參數(shù)(設(shè)置搜索半徑,半徑大小根據(jù)粗拼的結(jié)果來定;設(shè)置誤差遞減,幅度不要太大;)根據(jù)計(jì)算的結(jié)果重復(fù)設(shè)置更小參數(shù)直至達(dá)到最優(yōu)結(jié)果;檢查點(diǎn)云數(shù)據(jù),看無明顯分層即可。
(7)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換:三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云是以掃描儀激光發(fā)射器位置為原點(diǎn)的掃描坐標(biāo)系(SP),每一個(gè)點(diǎn)的位置都能準(zhǔn)確的在此坐標(biāo)系中體現(xiàn)出來,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到我們測(cè)量施工坐標(biāo)系中的話,就需要計(jì)算一個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),高精度GPS的作用就是為了提供計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)需要的數(shù)據(jù)。SP坐標(biāo)系為每一站的掃描坐標(biāo)系,gl坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系,將sp坐標(biāo)系數(shù)據(jù)都統(tǒng)一轉(zhuǎn)換到gl坐標(biāo)系中。
若采用每站三個(gè)反射片粗拼的方法(即粗拼方法二),首先需要?jiǎng)h除TPL(prcs)里的所有點(diǎn),之后將每一站TPL(socs)中的點(diǎn)復(fù)制到TPL(prcs),打開TPL(prcs)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)匹配(坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)。
若沒有才用三個(gè)反射片粗拼的方法,可直接將每一站TPL(socs)中的點(diǎn)復(fù)制到TPL(prcs),打開TPL(prcs)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)匹配(坐標(biāo)轉(zhuǎn)換)。
(8)數(shù)據(jù)分塊:對(duì)于較大區(qū)域的測(cè)圖,由于GPS誤差、拼接誤差等多方面因素的影響,外業(yè)所采集的控制點(diǎn)在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中不可能完全應(yīng)用,為了提高精度我們需要將數(shù)據(jù)分為幾塊,保證每一塊內(nèi)采集的所有控制點(diǎn)都能在滿足精度要求的情況下使用。
(9)數(shù)據(jù)合并和抽稀:在OBJECTS里面的POLYDATA中右鍵新建一個(gè)POLYDATA文件,然后再出現(xiàn)的對(duì)話框中選擇所要合并的文件,并在設(shè)置中點(diǎn)擊octree命令在increment欄中確定抽稀的間隔距離,勾選Conbine命令合并選擇的數(shù)據(jù)。
(10)剔除植被打開合并好的數(shù)據(jù),通過正視圖、側(cè)視圖等刪除噪點(diǎn);部分選取數(shù)據(jù),點(diǎn)擊terrian filter 按鈕,選擇工程坐標(biāo)系(GLCS)設(shè)置vegetation 剔除植被、mining-object剔除礦上上的物體、mining-points below terrain為剔除低于地面的點(diǎn)。在運(yùn)行剔除植被之后,所有被計(jì)算機(jī)認(rèn)為是植被的點(diǎn)將處于選擇狀態(tài),在這當(dāng)中通常會(huì)有一些坡坎點(diǎn),我們需要手動(dòng)的將這些有用的點(diǎn)進(jìn)行保留,進(jìn)入選擇狀態(tài),選擇空五角星圖標(biāo),手動(dòng)選擇需要保留的點(diǎn)。
對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行檢查把不參與生成等高線的點(diǎn)(噪點(diǎn)、植被、房屋等)手動(dòng)框選刪除。
(11)選取地物點(diǎn)為了在CAD中描圖更加明顯,我們通常選取原始點(diǎn)云中的地物進(jìn)行繪制,打開有地物點(diǎn)的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù),手動(dòng)選擇地物部分,用復(fù)制命令將這些點(diǎn)創(chuàng)建為一個(gè)新的polydata。
(12)點(diǎn)云附色:在原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)上點(diǎn)擊右鍵,選擇color from image,本站拍攝的照片將會(huì)附到點(diǎn)云數(shù)據(jù)上,之后通過在視圖中選卻ture color一項(xiàng)查看彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
(13)導(dǎo)出點(diǎn)云數(shù)據(jù):在polydata中選取處理好的數(shù)據(jù)點(diǎn)擊右鍵選取export命令-選擇保存類型1、選擇ascii格式導(dǎo)出ID X Y Z,加一列逗號(hào)當(dāng)高程點(diǎn)導(dǎo)入CAD;2,選擇地物導(dǎo)出DXF格式可以作為底圖導(dǎo)入南方CASS成圖軟件進(jìn)行展點(diǎn)繪制不同比例尺地形圖。
4結(jié)束語
三維激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,是近年來研究的熱點(diǎn),只有三維激光掃描基礎(chǔ)知識(shí)掌握后不斷完善測(cè)量技術(shù),經(jīng)過不斷的探索才能廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,目前國內(nèi)沒有計(jì)量檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)及各項(xiàng)規(guī)范要求,如何建立客觀和統(tǒng)一的計(jì)量評(píng)判尺度,這是擺在我們面前需要和值得去探討的問題。
【關(guān)鍵詞】激光 掃描 裝置
1 前言
在現(xiàn)代檢測(cè)領(lǐng)域的很多場(chǎng)合,我們需要快速、準(zhǔn)確、有效地獲取空間三維信息。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)主要是單點(diǎn)精確測(cè)量,可以很方便的測(cè)量出工件的幾何參數(shù),但是用來建模就很困難。理論上,我們可以對(duì)一個(gè)物體測(cè)量許多個(gè)點(diǎn),然后根據(jù)這些點(diǎn)的參數(shù)來建立物體的三維模型。為了準(zhǔn)確描述目標(biāo)結(jié)構(gòu)的完整屬性,需要大量的測(cè)量點(diǎn)采集,少則幾萬個(gè),多則幾百萬以上,如果用傳統(tǒng)的測(cè)量方法,工作量太大,效率太低。
傳統(tǒng)的檢測(cè)方法和技術(shù)很難快速準(zhǔn)確地獲取各種大型、復(fù)雜、不規(guī)則被測(cè)物體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)信息。利用三維激光掃描技術(shù),可以迅速地獲取將被測(cè)物體的多維數(shù)據(jù)信息,進(jìn)而可以快速復(fù)現(xiàn)被測(cè)物體的三維實(shí)體模型。同時(shí),還可以對(duì)激光掃描中獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析、仿真分析、任務(wù)模擬等后續(xù)的處理工作,也可以作為UG、CAD、有限元等各種正向工程工具對(duì)稱應(yīng)用的工具。三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用廣泛,但是成本也較高。本文介紹一種簡(jiǎn)易的三維激光掃描實(shí)驗(yàn)裝置,利用一些簡(jiǎn)單的元器件即可組裝,完成基本的掃描任務(wù),可較好地應(yīng)用于課堂教學(xué)。
2 實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理
由激光發(fā)射器將紅外光照射到被掃描物體上,利用改進(jìn)后的攝像頭(只能吸收紅外光)對(duì)物體進(jìn)行拍攝。攝像頭采集的信息經(jīng)軟件處理后生成點(diǎn)云,再將點(diǎn)云模擬成物體的具體形狀,實(shí)現(xiàn)三維掃描功能。
3 元器件的選用
3.1 激光發(fā)射器的選用
激光發(fā)射器的作用是產(chǎn)生激光并將其照射到被掃描物體上。激光照射到物體表面一般有兩種類型,點(diǎn)狀和線狀。線型光照射到被測(cè)物體反射后得到的是一個(gè)掃描截面的數(shù)據(jù),所以采用線型光可以加快掃描速度,精度也較高。雖然線型光的光亮強(qiáng)度會(huì)隨著距離的增加而衰減,但是當(dāng)被掃描的物體距離較近時(shí),完全可以滿足要求。
對(duì)于激光發(fā)射器的選擇,主要考慮發(fā)射波長(zhǎng)和功率。本裝置建議選用波長(zhǎng)為850nm的紅外激光發(fā)射器,與后續(xù)的紅外濾光片相配套(見“攝像頭的選用”)。為了能夠縮短攝像機(jī)曝光速率進(jìn)而從畫面上過濾到環(huán)境光的干擾,一般選擇較高的激光器功率。選擇較高功率的激光器還可以增加掃描距離。但是,選擇激光發(fā)射器時(shí)還應(yīng)考慮安全問題,功率越大,存在的安全隱患也越大。所以,本裝置不宜選取功率較大的激光發(fā)射器,建議選擇功率小于100MW的激光器,并時(shí)刻注意在使用時(shí)不能用眼睛直視。
3.2 攝像頭的選用
攝像頭的作用是采集圖像信息。如果攝像頭只能采集物體表面被照射的光線而不采集其他光線,這樣成像的效果最好,可大大減小環(huán)境干擾。一般市面常見的USB VGA攝像頭(像素越高越好)即可滿足要求,但是需要對(duì)其做一改進(jìn)。為了能夠使攝像頭只采集物體表面上的光線,需要移除攝像頭鏡片中的紅外截止濾光片,自行安裝一個(gè)紅外濾光片。
紅外濾光片允許紅外光透過而對(duì)可見光截止,它的透光波長(zhǎng)范圍要與前面所選的紅外激光發(fā)射器波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)。如果不移除紅外截止濾光片,則只能夠感受到很微弱的紅外信號(hào)。
3.3 伺服電機(jī)的選擇
為了能夠掃描物體的全部或某一特定輪廓形狀,需要激光發(fā)射器與攝像頭一起相對(duì)被掃描物體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)這一運(yùn)動(dòng)有兩種方式,即手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式。手動(dòng)形式最簡(jiǎn)單的方法就是手持物體或激光器使其旋轉(zhuǎn),另外一種方法就是將激光器安裝在專用支架上,然后手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整。自動(dòng)形式則需要采用步進(jìn)電機(jī),通過步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái),帶動(dòng)激光器或者物體做精確的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)某一指定的角度。
本實(shí)驗(yàn)裝置中選用的攝像頭幀率是30fps,掃描速度不快,對(duì)步進(jìn)電機(jī)無太高要求,只要能夠直接控制定位到指定角度,驅(qū)動(dòng)相對(duì)容易即可。普通的標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)雖然精度相對(duì)較低,但是考慮到本裝置的成本與使用場(chǎng)合,可滿足要求。
4 圖像的處理和渲染
利用專門軟件對(duì)攝像頭采集的圖像信息進(jìn)行處理,生成點(diǎn)云,從而建立被掃描物體的三維模型。由于采用了紅外激光器,在加裝濾光片后,背景光干擾被有效的去除。畫面上除了激光光斑外,幾乎看不到別的內(nèi)容。紅外激光在攝像頭中將以偏紫色的色彩顯示。一般情況下,可自行編寫軟件來查看3D點(diǎn)云,也可以利用開源的MeshLab、Matlab、Blender等工具查看點(diǎn)云。對(duì)于一般的實(shí)驗(yàn)裝置,可以選擇david-laserscanner或者blender軟件,這兩款軟件使用方便、功能強(qiáng)大。
5 結(jié)語
現(xiàn)在市面上有很多三維激光掃描裝置,功能強(qiáng)大并且精度很高,但是價(jià)格不菲。文中介紹的掃描實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,只要明白了工作原理,完全可以自己組裝,能夠?qū)崿F(xiàn)基本的掃描功能,價(jià)格低廉,非常適用于課堂教學(xué)和學(xué)生的課外知識(shí)拓展。但是本實(shí)驗(yàn)裝置也存在一些問題,比如掃描精度有待提高,如何將多次掃描的點(diǎn)云對(duì)接起來等。相對(duì)于幾千元甚至數(shù)萬元的激光掃描儀,該實(shí)驗(yàn)裝置具有非常高的性價(jià)比。
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[關(guān)鍵詞]三維激光掃描系統(tǒng) 測(cè)量原理 數(shù)據(jù)采集 精度
[中圖分類號(hào)] TU198+.5 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X(2014)-1-138-1
0引言
三維激光掃描系統(tǒng)是可深入到所有復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和空間中,透過三維激光掃描可以將各種大型的、不規(guī)則、復(fù)雜的、非標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)景或?qū)嶓w的三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦上,快速地重構(gòu)目標(biāo)的三維實(shí)體模型,在采集的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)也能把目標(biāo)的完整數(shù)據(jù)應(yīng)用在各種后處理工作對(duì)稱應(yīng)用的工具。
1三維激光掃描儀的測(cè)量原理
三維激光掃描儀是在激光的相干性、方向性、單色性和高亮度等特性的基礎(chǔ)上,在同時(shí)注重操作簡(jiǎn)便和測(cè)量速度上,從而保證了測(cè)量的綜合精度,而其測(cè)量的原理是主要分為有測(cè)距、掃描、測(cè)角、定向這四個(gè)方面。
1.1三維激光掃描儀的測(cè)距原理
由于激光測(cè)距是激光掃描技術(shù)十分重要的組成部分,對(duì)于激光掃描的定位以及獲取空間三維信息是具有十分重要的作用。現(xiàn)階段的測(cè)距方法主要是有:相位法、三角法、脈沖法。
測(cè)距方法都有其優(yōu)缺點(diǎn),而主要是集中在測(cè)程和精度的關(guān)系上,脈沖測(cè)量的距離最長(zhǎng),可是精度會(huì)隨距離的增加而降低。相位法用于中程測(cè)量,具有比較高的測(cè)量精度,可它是通過兩個(gè)間接測(cè)量才能夠得到距離值,三角測(cè)量測(cè)程最短,可是精度最高,適用于近距離、室內(nèi)的測(cè)量。
1.2三維激光掃描儀的測(cè)角原理
區(qū)別于常規(guī)儀器的度盤測(cè)角方式,激光掃描儀是通過改變激光光路而獲得掃描角度。把兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)與掃描棱鏡安裝在一起,進(jìn)而分別實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向掃描。步進(jìn)電機(jī)也是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的控制微電機(jī),它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)激光掃描儀的精確定位。
1.3三維激光掃描儀的掃描原理
對(duì)于三維激光掃描儀是透過內(nèi)置的伺服驅(qū)動(dòng)馬達(dá)系統(tǒng)的精密控制的多面掃描棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng),決定著激光束的出射方向,能夠讓脈沖激光束能夠沿著橫軸方向與縱軸方向進(jìn)行快速的掃描。掃描的控制裝置為:擺動(dòng)掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡。對(duì)于擺動(dòng)掃描鏡是一個(gè)平面反射鏡,是由電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行往返振蕩,這種測(cè)距方式就是一種間接測(cè)距的方式,通過檢測(cè)發(fā)射和接收信號(hào)之間的相位差,從而獲得被測(cè)目標(biāo)的距離。測(cè)距精度較高,主要應(yīng)用在精密測(cè)量和醫(yī)學(xué)研究,精度可達(dá)到毫米級(jí)。
1.4三維激光掃描儀的定向原理
三維激光掃描儀掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都在其自定義的掃描坐標(biāo)系中,但是數(shù)據(jù)的后處理要求是大地坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù),這就需要將掃描坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下,這個(gè)過程就稱為三維激光掃描儀的定向。
2三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1三維激光掃描技術(shù)原理
三維激光影像掃描技術(shù)又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”,全部所采集的三維建模數(shù)據(jù)和三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)都能夠通過標(biāo)準(zhǔn)接口的格式轉(zhuǎn)換更為方便地為各種工程軟件來直接使用。
2.2三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀
應(yīng)用范圍非常廣泛,主要有建筑物、地形以及其他對(duì)象進(jìn)行的高精度測(cè)量。
2.2.1能夠塑造出高精度的數(shù)字地面模型以及城市模型
三維激光掃描影像數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫與GIS系統(tǒng)更新一個(gè)重要的信息來源。其所采集到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)在經(jīng)過拼接與合并之后,從而進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理剔除粗差,而應(yīng)用數(shù)據(jù)濾波與分類算法而得到地面高程數(shù)據(jù)以及地物數(shù)據(jù)。地面高程數(shù)據(jù)是應(yīng)用在塑造高精度的一個(gè)數(shù)字地面模型,地物數(shù)據(jù)在經(jīng)過目標(biāo)識(shí)別的處理和提取就可以實(shí)現(xiàn)建立城市三維模型。
2.2.2帶狀地形的測(cè)圖數(shù)據(jù)采集
地面三維激光影像掃描儀能夠進(jìn)行野外局部帶狀地形區(qū)域的分段掃描。在具有一定重復(fù)掃描的區(qū)域內(nèi),可進(jìn)行三維影像合并與拼接從而生成了帶狀影像圖。亦可以透過一些測(cè)量控制點(diǎn)來轉(zhuǎn)換到城市或國家坐標(biāo)系中,利用地物和地形三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)來建立模型,進(jìn)而帶狀地形圖亦可以生成。而對(duì)于公路、鐵路、大渠大江兩岸部分不規(guī)則的呈帶狀地形圖的測(cè)量,可比常規(guī)的測(cè)量速度還要快、精度還要高。
2.2.3古文物建筑物測(cè)量和逆向工程的應(yīng)用
地面三維激光影像掃描技術(shù)能夠?yàn)槿S測(cè)量及逆向工程、三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、快速模具制造等相關(guān)技術(shù)方面而提供相應(yīng)的服務(wù)。也能夠快速高精度地完成復(fù)雜的古建筑結(jié)構(gòu)測(cè)量,大型景觀(如建造大佛景觀)三維數(shù)字設(shè)計(jì)與模板制作。
2.2.4其它方面的應(yīng)用
此外,地面三維激光影像掃描儀也可以應(yīng)用在復(fù)雜工業(yè)設(shè)備的建模與測(cè)量、房產(chǎn)圖測(cè)量與房屋建模、災(zāi)害三維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、工程建筑物變形監(jiān)測(cè)、礦山及隧道測(cè)量、事故災(zāi)害評(píng)估和大型水利工程安全監(jiān)測(cè)與研究等方面。
3結(jié)語
(1)三維激光掃描系統(tǒng)是具有快速、細(xì)致以及高精度的這些特點(diǎn)。而如果讓其應(yīng)用在地形測(cè)繪的領(lǐng)域,就可以減輕測(cè)繪工作人員的作業(yè)強(qiáng)度,和減少作業(yè)時(shí)間,進(jìn)而提高測(cè)繪效率,而且測(cè)繪也能夠得到一個(gè)讓人滿意的結(jié)果。
(2)運(yùn)用三維激光掃描系統(tǒng)在進(jìn)行地形的測(cè)繪成圖的工作時(shí),也需要GPS、全站儀等設(shè)備來進(jìn)行配合,從而空間每一個(gè)測(cè)站的位置也就確定了。
(3)若利用三維激光掃描系統(tǒng)得到的地形測(cè)繪成圖的質(zhì)量也會(huì)受到很多外在的因素影響,例如與測(cè)站的定位精度和目標(biāo)物體的反射面有關(guān)的誤差以及一些外界環(huán)境條件等。所以在使用的過程中就要盡可能地減少外在的因素對(duì)整個(gè)掃描質(zhì)量的影響,從而獲得更高質(zhì)量的測(cè)繪成果圖。
(4)三維激光掃描系統(tǒng)進(jìn)行地形測(cè)繪成圖的工作,是對(duì)于傳統(tǒng)地形測(cè)繪工作的有力補(bǔ)充,這個(gè)系統(tǒng)是在測(cè)繪工作人員難以到達(dá)的區(qū)域而開展數(shù)據(jù)采集方面占有十分大的優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)