導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇三維掃描，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

[關(guān)鍵詞]參考點(diǎn)、掃描測(cè)量、三維光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-914X（2014）18-0374-01

汽車(chē)工業(yè)是當(dāng)今世界上最大的制造業(yè)之一，隨著市場(chǎng)需求的改變，汽車(chē)的更新?lián)Q代速度日趨加快，其設(shè)計(jì)、制造速度的快慢直接制約著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，由此而提出的逆向工程在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用將大大地促進(jìn)汽車(chē)制造業(yè)的發(fā)展。逆向工程技術(shù)可以通過(guò)掃描測(cè)量獲取實(shí)物外形坐標(biāo)點(diǎn)、重建實(shí)物的三維數(shù)字模型。在此基礎(chǔ)上可以方便地進(jìn)行模型再設(shè)計(jì)、快速原型制造與快速模具制造等后續(xù)工作，從而大大節(jié)省研發(fā)時(shí)間，縮短設(shè)計(jì)周期。

1、三維光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)工作原理

三維光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)由左右兩個(gè)高分辨率的工CCD相機(jī)和中央光柵投影單元組成，采用結(jié)構(gòu)光測(cè)量的方式， 由光柵投影單元將一組具有相位信息的光柵條紋投影到測(cè)量工件表面，左右兩個(gè)相機(jī)進(jìn)行同步的測(cè)量， 利用立體相機(jī)測(cè)量的原理，可以在1 秒時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確獲得500萬(wàn)到 800萬(wàn)個(gè)高密度的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)；自動(dòng)識(shí)別參考點(diǎn)和自動(dòng)拼接，將不同位置和角度的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)齊在統(tǒng)一的坐標(biāo)系，獲得完整零件的掃描結(jié)果。

2、三維光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)掃描測(cè)量汽車(chē)工件的前期準(zhǔn)備

三維光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)每次（第一次除外）自動(dòng)將掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合并統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，實(shí)現(xiàn)完整的工件三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。因此，為保證單幅掃描的點(diǎn)云能精度較高地拼合在統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，需要對(duì)固定參考點(diǎn)提出一定的要求。

2.1 固定參考點(diǎn)的要求

參考點(diǎn)粘貼于被測(cè)工件表面或被測(cè)工件周?chē)Ｕ迟N參考點(diǎn)的直徑大小要合適，必須保證從斜的透視圖中能看到參考點(diǎn)的直徑范圍內(nèi)至少包含6～10個(gè)像素，以便ATOS系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別。在工件的掃描測(cè)量過(guò)程中，為保證兩個(gè)CCD鏡頭的單幅測(cè)量能以較小的拼合偏差合并到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，兩個(gè)CCD鏡頭的單幅照片應(yīng)至少能看見(jiàn)前面已經(jīng)標(biāo)識(shí)過(guò)的3個(gè)固定參考點(diǎn)（第一張照片除外）；若能看見(jiàn)4個(gè)或更多已經(jīng)標(biāo)識(shí)且不在一條線上的參考點(diǎn)時(shí)，掃描測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)拼合精度會(huì)更高，建議最好有4個(gè)（或更多）公共參考點(diǎn)，這樣精度才會(huì)高，否則測(cè)量后期誤差會(huì)很大。

3、掃描測(cè)量方式

1）工件在掃描測(cè)量范圍內(nèi)。這種掃描測(cè)量方式可保證在單幅掃描中能清楚地看見(jiàn)已識(shí)別的3個(gè)及更多的參考點(diǎn)，容易保證拼合精度。

2）工件尺寸比掃描儀掃描測(cè)量范圍大，又沒(méi)有使用Tritop相機(jī)。采用這種掃描測(cè)量方式時(shí)，通常被掃描工件比ATOS掃描儀的掃描測(cè)量范圍大2～3倍，并要求參考點(diǎn)有較好的分布。從被掃描工件的中部開(kāi)始向兩邊掃描測(cè)量。

3）工件尺寸大，ATOS掃描儀配合Tritop相機(jī)使用。首先通過(guò)Tritop照相系統(tǒng)獲取參考點(diǎn)坐標(biāo)值：先拍比例尺和參考點(diǎn)；移開(kāi)比例尺和編碼參考點(diǎn)后用ATOS掃描儀單幅掃描。系統(tǒng)能精確地自動(dòng)將單幅掃描合并到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，測(cè)量精度高。

4） 工件自身遮擋，利用單眼掃描。采用這種掃描方式前需要標(biāo)定，首先打開(kāi)投射光源，將白色平板放在標(biāo)準(zhǔn)距離上，調(diào)整光強(qiáng)掃描白色平板；然后把設(shè)備與白色平板靠近些，再調(diào)整光強(qiáng)掃描白色平板；最后把設(shè)備與白色平板離遠(yuǎn)些，再調(diào)整光強(qiáng)掃描白色平板，計(jì)算，完成標(biāo)定過(guò)程。需要特別注意的是兩個(gè)CCD相機(jī)都要完全看到白色平板，否則不能進(jìn)行單眼掃描。

4、整車(chē)測(cè)量思路

對(duì)于整車(chē)應(yīng)該采用掃描儀配合Tritop相機(jī)來(lái)測(cè)量。結(jié)合我公司三位光學(xué)掃描測(cè)量系統(tǒng)對(duì)掃描對(duì)象的要求，采用直徑為5mm的參考點(diǎn)。

1）根據(jù)汽車(chē)對(duì)稱(chēng)性，選擇較好的一側(cè)（一般是左側(cè)）進(jìn)行完整測(cè)量。汽車(chē)左側(cè)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的一側(cè)。測(cè)量前先定好哪些特征是完全對(duì)稱(chēng)，掃描時(shí)要特別留意。

2）為了保證填充參考點(diǎn)質(zhì)量，在粘貼參考點(diǎn)時(shí)要注意避開(kāi)有特征的區(qū)域及一些工件的邊緣；參考點(diǎn)數(shù)量要盡可能多一些，保證在560mm×420mm范圍內(nèi)有6～9個(gè)參考點(diǎn)。

3）測(cè)量前先選擇貼7個(gè)（或者>7個(gè)）不同長(zhǎng)、寬、高位置的參考點(diǎn)，來(lái)保證最后測(cè)量坐標(biāo)統(tǒng)一到車(chē)身坐標(biāo)系。

4）測(cè)量過(guò)程中對(duì)于完全對(duì)稱(chēng)的，可完整掃描一側(cè)，另一側(cè)按要求掃描；對(duì)于有所區(qū)別的對(duì)稱(chēng)，應(yīng)該完整掃描不同的地方。

5）測(cè)量完，認(rèn)真檢查點(diǎn)云文件的完整性。將測(cè)量好的數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化處理。

篇2

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；文物考古；點(diǎn)云；數(shù)字線劃圖；模型

中圖分類(lèi)號(hào)：K85文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

三維激光掃描技術(shù)概述

三維激光掃描技術(shù)又稱(chēng)為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是20 世紀(jì) 90 年代中期出現(xiàn)的一種以三維激光掃描儀和掃描信息處理技術(shù)為核心的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，其革命性的數(shù)據(jù)采集方式開(kāi)創(chuàng)了面式數(shù)據(jù)采集的新紀(jì)元，因其滿足了文物考古測(cè)繪領(lǐng)域非接觸、高速度、高密度、全數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集要求，在短短幾年時(shí)間內(nèi)迅速在考古發(fā)掘、古建筑測(cè)繪等文物保護(hù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

（一）工作原理

三維激光掃描技術(shù)，通過(guò)內(nèi)部的激光脈沖發(fā)射器向目標(biāo)物發(fā)射激光脈沖，反光鏡旋轉(zhuǎn)，發(fā)射出的激光脈沖掃過(guò)被測(cè)目標(biāo)，信號(hào)接收器接收來(lái)自目標(biāo)體反射回來(lái)的激光脈沖，通過(guò)每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到被測(cè)物表面返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間可以獲得被目標(biāo)體到掃描中心的距離，同時(shí)掃描控制模塊控制和測(cè)量每個(gè)激光脈沖的水平掃描角α和豎向掃描角β，后處理軟件自動(dòng)解算得出被測(cè)點(diǎn)的相對(duì)三維坐標(biāo)（云點(diǎn)），進(jìn)而轉(zhuǎn)換成絕對(duì)坐標(biāo)系中的三維空間位置坐標(biāo)或三維模型。

（二）三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

非接觸式

三維激光掃描技術(shù)采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，不需反射棱鏡，直接對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行掃描，采集目標(biāo)體表面云點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣、人員無(wú)法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無(wú)法完成，此時(shí)三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)

三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示。而且后處理軟件用戶(hù)界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機(jī)、GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。

高分辨率

三維激光掃描技術(shù)可以進(jìn)行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。

應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)

由于其良好的技術(shù)特點(diǎn)，在工程建設(shè)各領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛。對(duì)使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適合野外測(cè)量。

三維激光掃描在文物考古中的實(shí)施步驟及應(yīng)用成果

（一）實(shí)施步驟

三維激光掃描作為一種獲取三維空間信息手段，其工作流程與傳統(tǒng)的測(cè)量手段有很多的相似之處但也有其自身的特點(diǎn)。主要過(guò)程和技術(shù)要點(diǎn)如下圖所示：

圖 三維激光掃描工作流程圖

（二）應(yīng)注意的問(wèn)題

1、現(xiàn)場(chǎng)踏勘時(shí)，認(rèn)真分析現(xiàn)場(chǎng)地形、地物分布特點(diǎn)，合理設(shè)置掃描站點(diǎn)，盡量的避免掃描盲區(qū)的出現(xiàn)，重點(diǎn)保證重要的地形、地物不會(huì)在盲區(qū)中出現(xiàn)。 

2、對(duì)古建掃描時(shí)，建議對(duì)不同的部分采用不同分辨率掃描。比如對(duì)地面或者表面平整的墻壁，天花板等可采用較小的分辨率（一般情況下2cm）。但對(duì)于體形較小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)建要用相對(duì)密集的點(diǎn)云表示（毫米級(jí)），有時(shí)候要用最大掃描密度來(lái)掃描（比如對(duì)分布在帶有浮雕的墻壁、柱子等）。 

3、使用外置相機(jī)系統(tǒng)拍攝照片時(shí)，可以在掃描之前自然光線較好的條件拍攝，因?yàn)榭赡茉趻呙柰戤吅螅瑸闀r(shí)已晚或遇到下雨天氣等情況，耽誤了拍照的時(shí)機(jī)。拍照時(shí)可設(shè)置自動(dòng)包圍曝光，每個(gè)場(chǎng)景有三張照片：當(dāng)前曝光值照片、正補(bǔ)償值照片、負(fù)補(bǔ)償值照片，然后內(nèi)業(yè)在作選擇。

（三）應(yīng)用成果

1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)

代表掃描對(duì)象的一個(gè)個(gè)“測(cè)點(diǎn)”形成的“點(diǎn)集合”構(gòu)成了三維激光掃描最原始的成果，稱(chēng)為“點(diǎn)云”。點(diǎn)云雖然經(jīng)過(guò)了掃描算法的處理，但相對(duì)于傳統(tǒng)單點(diǎn)式測(cè)量方法所具有的高密度和全息化的特點(diǎn)，可作為原始資料進(jìn)行存檔。同時(shí)，點(diǎn)云作為掃描對(duì)象的全數(shù)字化實(shí)景模型，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的真實(shí)量測(cè)。在考古挖掘的不同階段，對(duì)挖掘現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行掃描，可實(shí)現(xiàn)考古挖掘行為的動(dòng)態(tài)化管理和考古過(guò)程數(shù)字化再現(xiàn)。在建筑遺產(chǎn)保護(hù)領(lǐng)域，借助于高精度的地面控制網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)文物建筑遺產(chǎn)的連續(xù)性掃描監(jiān)測(cè)。

2、二維數(shù)字線劃圖

二維數(shù)字線劃圖是文物保護(hù)工程領(lǐng)域所習(xí)用的工程語(yǔ)言，三維激光掃描系統(tǒng)為繪制不同部位、不同方向的二維數(shù)字線劃圖提供了強(qiáng)大的繪制功能，使處于前端的文物測(cè)繪調(diào)查工作和后續(xù)的保護(hù)規(guī)劃制定、修繕工程設(shè)計(jì)、施工等實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫對(duì)接。二維線劃圖的繪制根據(jù)測(cè)繪對(duì)象的特點(diǎn)可以采用下述幾種技術(shù)路線實(shí)現(xiàn):

（1）對(duì)于局部構(gòu)件的繪制，直接在點(diǎn)云上量取繪圖所需要的長(zhǎng)、寬、高數(shù)據(jù)，然后借助繪圖工具繪制二維圖；

（2）對(duì)于剖面圖等截割投影圖，根據(jù)繪圖部位和繪制精度形成繪圖區(qū)域的點(diǎn)云“切片”，將點(diǎn)云切片導(dǎo)入 AUTO-CAD 等圖形繪制軟件形成二維線劃圖；

（3）對(duì)于空間關(guān)系不明顯、不易識(shí)別的測(cè)繪對(duì)象，借助高分辨率照片形成被測(cè)對(duì)象的正攝影像，然后繪制二維線劃圖。

二維線劃圖是對(duì)被測(cè)對(duì)象高度抽象化的結(jié)果，抽象的過(guò)程不可避免地造成了大量信息損失。實(shí)際上，在許多情況下二維線劃圖無(wú)法完整表達(dá)邊界模糊對(duì)象的真實(shí)情況，如出土器物、建筑紋樣、彩畫(huà)、淺浮雕等。作為二維線劃圖的重要補(bǔ)充表現(xiàn)方式，基于三維激光掃描點(diǎn)云形成的正攝影像圖消除了一般相片所固有的投影誤差及高程誤差，同時(shí)又兼具普通相片高分辨率、易于辨識(shí)的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了“邊界模糊類(lèi)對(duì)象”難以精細(xì)化表達(dá)的難題。利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)“邊界模糊類(lèi)對(duì)象”的數(shù)字化監(jiān)測(cè)。譬如，通過(guò)比對(duì)不同時(shí)間段內(nèi)壁畫(huà)的高清晰正攝影像圖，可精細(xì)地描述壁畫(huà)顏色、形態(tài)等的變化。

高程模型和三維模型

對(duì)雕像等這類(lèi)由連續(xù)曲面構(gòu)成的測(cè)繪對(duì)象，以等值線的形式表現(xiàn)的數(shù)字高程模型是其最基本的表現(xiàn)方式。相對(duì)于以往全站儀單點(diǎn)測(cè)繪，三維激光掃描技術(shù)高密度點(diǎn)云實(shí)現(xiàn)了等值線精細(xì)測(cè)繪和三維建模。

此外，由于三維激光掃描結(jié)合傳統(tǒng)控制測(cè)量可以較容易得到點(diǎn)云統(tǒng)一的地理坐標(biāo)屬性，據(jù)此建立的三維模型可很方便實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的三維漫游。

4、平面圖、立面圖、剖面圖

建筑物的線畫(huà)圖作是傳統(tǒng)建筑測(cè)繪的成果之一，是建筑物的測(cè)繪圖件，包括平面圖，立面圖和剖面圖。這些二維的圖件可以表示房屋內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或構(gòu)造形式、分層情況，說(shuō)明建筑物的長(zhǎng)、寬、高的尺寸，地面標(biāo)高，層頂?shù)男问剑T(mén)窗洞口的位置和形式，外墻裝飾的設(shè)計(jì)形式和各部位的聯(lián)系、材料及其高度等。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是手工描繪加皮尺測(cè)量。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可在Auto CAD中利用Cloud worx插件，可以方便的做出建筑物的平面、立面和剖面圖。不但生產(chǎn)速度大大提高，且更簡(jiǎn)單，能讓現(xiàn)有CAD技術(shù)人員充分利用自有的CAD制圖技術(shù)。

5、彩色點(diǎn)云網(wǎng)上 

掃描的彩色點(diǎn)云可以在互聯(lián)網(wǎng)上，讓遠(yuǎn)方的人可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)有如置身于真實(shí)的建筑物之中。的點(diǎn)云不但可以網(wǎng)上瀏覽，還可以實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的量測(cè)、標(biāo)注等。有利于數(shù)據(jù)共享和現(xiàn)有文物、建筑物的網(wǎng)上展示，宣傳。尤其是對(duì)于一些不宜長(zhǎng)期向公眾開(kāi)放的文物景點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)上的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以滿足公眾的網(wǎng)上虛擬瀏覽的需求，也有利于文物保護(hù)工作的開(kāi)展。

（三）傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)具有傳統(tǒng)測(cè)量方法不具備的諸多優(yōu)勢(shì)，如變 “單點(diǎn)采集”為批量面式采集、實(shí)現(xiàn)了“外業(yè)測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)化”、“非接觸”工作方式不需要測(cè)量輔助設(shè)施、“所見(jiàn)即所得”的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了考古過(guò)程記錄的定量化和動(dòng)態(tài)“回放”。無(wú)論是微觀的手持式掃描儀、中觀的地面掃描儀，還是宏觀的機(jī)載掃描儀，為了得到掃描目標(biāo)的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，都需要從不同掃描站對(duì)同一目標(biāo)的不同部分進(jìn)行掃描，然后將各個(gè)掃描站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起。數(shù)據(jù)拼接是三維掃描的最核心環(huán)節(jié)，但單憑三維掃描技術(shù)本身很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云高精度拼接。

將傳統(tǒng)測(cè)量方法與三維激光掃描技術(shù)結(jié)合，是解決上述問(wèn)題的基本途徑。為保證最末端掃描站掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量，同時(shí)使整個(gè)點(diǎn)云模型的精度均勻，除需要控制自由拼接的測(cè)站數(shù)外，還需要在掃描測(cè)繪過(guò)程中引入控制測(cè)量的思想，按照“先控制，后碎部；從整體，到局部”的基本誤差限定在容許范圍內(nèi)。掃描測(cè)繪前，首先利用精密水準(zhǔn)儀、電子全站儀、衛(wèi)星定位儀等傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器布設(shè)三維掃描控制網(wǎng)，測(cè)算各個(gè)控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)；在外業(yè)掃描過(guò)程中同步測(cè)量拼接點(diǎn)的大地坐標(biāo)，將單一測(cè)站的掃描數(shù)據(jù)直接納入大地測(cè)量坐標(biāo)系中，提高拼接精度的同時(shí)，保證測(cè)繪對(duì)象不同部位的精度均勻。對(duì)于三維激光掃描無(wú)法測(cè)量的隱蔽部位可充分利用傳統(tǒng)手工測(cè)量的靈活性特點(diǎn)以彌補(bǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]白成軍．三維激光掃描在古建筑測(cè)繪中的應(yīng)用[D].天津大學(xué)建筑學(xué)院，2007.

篇3

本周晨會(huì)，申銀萬(wàn)國(guó)推薦了中海達(dá)（300177），公司此前宣布“多波束海底成像系統(tǒng)”、“三維激光掃描儀”等工程樣機(jī)已研制成功，這兩項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)目前基本被國(guó)外廠商所壟斷，國(guó)內(nèi)暫無(wú)成熟產(chǎn)品。

如果結(jié)合市場(chǎng)此前對(duì)新產(chǎn)品的研制預(yù)期來(lái)看，兩項(xiàng)新產(chǎn)品的樣機(jī)面世時(shí)間早于預(yù)期。多波束海底成像系統(tǒng)樣機(jī)預(yù)計(jì)年底研制成功，2013年批量上市；三維激光掃描儀原計(jì)劃2012年完成方案設(shè)計(jì)，2013年研制成功樣機(jī)，2014年批量推向市場(chǎng)。公告顯示多波束產(chǎn)品樣機(jī)時(shí)間略早于預(yù)期，三維激光掃描儀樣機(jī)和批量上市時(shí)間均早于預(yù)期。申銀萬(wàn)國(guó)認(rèn)為，研制樣機(jī)時(shí)間提前說(shuō)明公司已完全掌握兩項(xiàng)新技術(shù)，并且在產(chǎn)品量產(chǎn)前公司外資品牌打通渠道，提早量產(chǎn)時(shí)間則提高了自有品牌和產(chǎn)品被市場(chǎng)接受的可能性。

二級(jí)市場(chǎng)上，中海達(dá)明顯表現(xiàn)出區(qū)別于大盤(pán)的強(qiáng)勢(shì)走勢(shì)，目前已突破均線系統(tǒng)的壓制，后市持續(xù)穩(wěn)步上漲的可能性較大，投資者可積極關(guān)注，并結(jié)合自身的投資策略進(jìn)行短線或中線操作。

據(jù)了解，我國(guó)共有671家甲級(jí)資質(zhì)、2077 家乙級(jí)資質(zhì)的測(cè)量單位。海洋測(cè)繪甲級(jí)資質(zhì)要求兩套多波束產(chǎn)品，乙級(jí)資質(zhì)要求一套，由于進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格過(guò)高，大部分測(cè)量單位該項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。因此申銀萬(wàn)國(guó)預(yù)計(jì)多波束產(chǎn)品的國(guó)內(nèi)需求接近30億元到50億元，假設(shè)下游客戶(hù)在5到8年時(shí)間完成采購(gòu)，每年市場(chǎng)空間為5億元—6億元。按每臺(tái)100萬(wàn)元，毛利率70%進(jìn)行測(cè)算，中海達(dá)每銷(xiāo)售10臺(tái)多波束測(cè)深產(chǎn)品，大約能增厚EPS0.015元。

據(jù)悉，三維激光掃描技術(shù)是國(guó)際上近期發(fā)展的一項(xiàng)前沿技術(shù)，激光測(cè)量技術(shù)采用非接觸主動(dòng)測(cè)量方式快速獲取物體表面大量采樣點(diǎn)三維空間坐標(biāo)。三維激光掃描儀用于對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。

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關(guān)鍵字：三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，濾波，Laplace算法

中圖分類(lèi)號(hào)：C35文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1 引言

激光具有單色性、相干性、方向性和高亮性等諸多特性，激光首先應(yīng)用于測(cè)量出現(xiàn)于上世紀(jì)八十年代，在此之后，激光技術(shù)在精度、速度等方面極大促進(jìn)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，甚至引發(fā)了測(cè)量技術(shù)的革命性變化。

三維激光掃描技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展日臻成熟的一門(mén)先進(jìn)測(cè)量技術(shù)，用三維激光掃描儀獲取的海量點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，包含了大量的噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)的存在影響了數(shù)據(jù)曲線的平滑性，往往使目標(biāo)物體產(chǎn)生收縮變形。為了避免這種情況的出現(xiàn)，我們需要采用合適的濾波手段，保持并凸顯點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的真實(shí)可靠信息。本文將以真實(shí)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)濾波技術(shù)在三維激光掃描測(cè)量中的具體應(yīng)用進(jìn)行探討。

2 基本原理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波的方法有多種，大體可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是首先根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建網(wǎng)格模型，然后再對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行去噪處理；第二類(lèi)是直接對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。

網(wǎng)格的濾波算法在業(yè)界已經(jīng)被廣泛研究探討（圖1），其中最具代表性的有：Laplace三維點(diǎn)云濾波算法、平均曲率流算法、雙邊帶濾波算法等等；基于點(diǎn)云的濾波算法有最小二乘法、卡爾曼濾波法、小波分析法等。

圖1 常見(jiàn)三維點(diǎn)云濾波算法

要進(jìn)行噪聲去除，首先要進(jìn)行噪聲分析。三維點(diǎn)云的噪聲分布特性包含以下幾種：

1)掃描線點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2a）。數(shù)據(jù)是一組組的位于掃描平面內(nèi)的掃描線，包括CMM、線結(jié)構(gòu)光掃描得到的數(shù)據(jù)和激光點(diǎn)三角測(cè)量系統(tǒng)沿直線掃描的數(shù)據(jù)。

2)陣列式點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2b）。數(shù)據(jù)是將點(diǎn)云格網(wǎng)化處理后獲得的，數(shù)據(jù)點(diǎn)與規(guī)則格網(wǎng)頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。

3)三角化點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2c），即數(shù)據(jù)呈三角網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這類(lèi)型數(shù)據(jù)常見(jiàn)于工業(yè)CT、磁共振成像等系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

4)散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖2d），即該數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯幾何特征，呈散亂無(wú)序分布。

圖2點(diǎn)云排列方式圖

其中，第一種數(shù)據(jù)屬于部分有序數(shù)據(jù)，第二、三種數(shù)據(jù)屬于有序數(shù)據(jù)，第四種是無(wú)序數(shù)據(jù)。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)屬于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，屬于第四種數(shù)據(jù)類(lèi)型，因此本文實(shí)驗(yàn)采用的濾波方法為無(wú)序點(diǎn)云濾波算法。

無(wú)序點(diǎn)濾波算法有多種，經(jīng)對(duì)比選擇，本文選擇Laplace濾波算法。Laplace濾波算法的基本原理是對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)運(yùn)用Laplace算子表示如下：

點(diǎn)云模型中，利用Laplace算子的濾波可以看做是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程：

通過(guò)這一過(guò)程，數(shù)據(jù)曲面上的噪聲擴(kuò)散到周?chē)徲颍瑥亩拐麄€(gè)曲面變得更加光滑。若采用顯式的歐拉積分法，則為：

其中，qj表示點(diǎn)pi的k鄰域，為一個(gè)小正數(shù)。Laplace濾波通過(guò)迭代的方式將當(dāng)前點(diǎn)移動(dòng)到其鄰域幾何重心處，從而達(dá)到濾波目的。

3 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

我們?cè)趶V州市白云區(qū)劃定的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了三維激光掃描實(shí)驗(yàn)，選取了兩棟建筑作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。目標(biāo)建筑經(jīng)三維激光掃描后的結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)圖中存在大量噪聲。

我們使用Laplace濾波算法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到的結(jié)果如圖4所示，我們可以通過(guò)目視看出，濾波處理后的建筑比之前更加逼真，更加清晰，線條輪廓更加平滑。為了定量地分析濾波前后點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度，我們采用高程驗(yàn)證的方法。利用全站儀在圖3和圖4所示的紅色矩形區(qū)域內(nèi)采集若干高程點(diǎn)，然后分別將濾波前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和濾波后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與全站儀采集的高程信息進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示，圖中條形圖的高度代表誤差。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，濾波后的數(shù)據(jù)與全站儀實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近，這表明我們采用的濾波方法極大地去除了噪聲對(duì)三維激光掃描測(cè)量帶來(lái)的誤差影響，不僅在視覺(jué)效果上讓模型更加真實(shí)，而且在測(cè)量精度上也有顯著提高。

圖3 帶有噪聲的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖4 經(jīng)過(guò)濾波去噪之后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖5 三維激光掃描與全站儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比

4 小結(jié)

本文首先總結(jié)了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波的常用算法，通過(guò)對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)及其噪聲特性的探討，進(jìn)一步闡釋了三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波的基本原理，并以LapLace算法為例進(jìn)行了一次真實(shí)的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單的驗(yàn)證和分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：Laplace算法對(duì)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的濾波效果十分明顯，不僅在視覺(jué)效果上，使模型變的更加平滑和真實(shí)，在精度上也更加準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)

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【關(guān)鍵詞】三維激光掃描技術(shù)；測(cè)繪工程；應(yīng)用分析

中圖分類(lèi)號(hào)： P2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

1三維激光掃描技術(shù)的工作原理

掃描儀的發(fā)射器通過(guò)激光二極管發(fā)射一種接近紅外線波長(zhǎng)的無(wú)害光束，對(duì)測(cè)繪對(duì)象進(jìn)行立體面狀的掃描，借助設(shè)備獲取對(duì)激光的反射時(shí)間差，從而測(cè)量激光與物體之間的距離，最后用編碼器來(lái)測(cè)量鏡頭旋轉(zhuǎn)角度與激光掃描儀的水平旋轉(zhuǎn)角度,獲取測(cè)量對(duì)象表面每個(gè)采樣點(diǎn)空間立體坐標(biāo),得到被測(cè)對(duì)象的采樣點(diǎn)集合,稱(chēng)之為“距離影像”或“點(diǎn)云”。所獲取的由點(diǎn)云組成的影像與通常的掃描的柵格影像最大的區(qū)別就是具有矢量化的特性,點(diǎn)云之間具有可量測(cè)性。

2設(shè)備分類(lèi)及性能

三維激光掃描設(shè)備可分為機(jī)載類(lèi)和地面類(lèi)。地面掃描設(shè)備根據(jù)掃描的方式不同可以分為車(chē)載、地面和船載。地面掃描設(shè)備按其功能可以分為ILRIS—3DVP、ILRIS—3DER、ILRIS—36D和ILRIS—3DMC四種型號(hào)。ILRIS—3DVP是最基本的掃描設(shè)備，使用范圍比較廣；ILRIS—3DER距離增強(qiáng)型,能夠遠(yuǎn)距離進(jìn)行工作；ILRIS—36D的掃描空間比較廣，面積達(dá)，可以旋轉(zhuǎn)掃描；ILRIS—3DMC適合于車(chē)載和船載進(jìn)行移動(dòng)掃描。

3系統(tǒng)組成

三維激光掃描設(shè)備由軟件和硬件組成，硬件為三維激光掃描儀，軟件包括點(diǎn)云影像后處理系統(tǒng)。

4系統(tǒng)工作流程

工作流程是:方案制定外業(yè)掃描數(shù)據(jù)處理(點(diǎn)云定向、點(diǎn)云處理等)成果輸出。點(diǎn)云間的相對(duì)位置在掃描的距離影像中是完全正確的，則取決與將它們能否通過(guò)轉(zhuǎn)換統(tǒng)一在同一坐標(biāo)系下。一般情況下，一幅點(diǎn)云圖像無(wú)法反映測(cè)區(qū)整體，多幅點(diǎn)云影像的拼接，就要在數(shù)據(jù)處理階段完成坐標(biāo)糾正，使多幅圖像處于同一坐標(biāo)系下，這就是所謂的點(diǎn)云定向。

實(shí)際點(diǎn)云影像定向就如兩個(gè)不同空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換一樣，需要解決的轉(zhuǎn)換參數(shù)共有七個(gè)：三個(gè)平移參數(shù)，三個(gè)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和一個(gè)尺度比參數(shù).實(shí)際應(yīng)用中有兩種方式可以完成定向：相對(duì)方式和絕對(duì)方式。相對(duì)方式就是以一幅點(diǎn)云圖像坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，其他點(diǎn)云圖像統(tǒng)一在該掃描圖的坐標(biāo)系下，前提條件是不同點(diǎn)云圖像之間存在重疊或者事先設(shè)置有控制點(diǎn)和靶點(diǎn)。實(shí)際測(cè)繪過(guò)程中，要求將點(diǎn)云圖像統(tǒng)一在大地坐標(biāo)系下或者某一特定的坐標(biāo)系下，絕對(duì)轉(zhuǎn)換方式就是將所有掃描圖都轉(zhuǎn)換到控制點(diǎn)的坐標(biāo)系中，該種方式最大的優(yōu)點(diǎn)是消除轉(zhuǎn)換誤差的累積,通常實(shí)際應(yīng)用中，可將兩種方式綜合起來(lái)應(yīng)用。掃描得到的是散亂的海量數(shù)據(jù)，需要對(duì)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行噪音濾除、點(diǎn)數(shù)據(jù)平滑處理、剪裁等處理步驟，另外對(duì)于某些觀測(cè)死角和暗部，需要進(jìn)行必要的“織補(bǔ)”，或采用特殊方式進(jìn)行掃描處理。

5三維激光掃描技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是方便、精確、快捷、實(shí)時(shí)和全數(shù)字化，測(cè)量精度高，測(cè)量方式比較靈活，不接觸所測(cè)對(duì)象，可以及時(shí)的采集物體空間的三維數(shù)據(jù)，建立其立體模型，并對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。三維激光掃描技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法的弊端，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)位密度大，數(shù)據(jù)信息豐富，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化測(cè)繪，同時(shí)提高了測(cè)量效率，減少了測(cè)量成本。

6應(yīng)用與前景

(1)立體模型的建立。三維激光掃描技術(shù)主要用于物體立體模型的建立、工業(yè)設(shè)備計(jì)測(cè)、考古與文物保護(hù)、三維城市漫游建立和三維數(shù)字地面模型建立等。

(2)完成水域和地面掃描。借助機(jī)載和船載激光掃描設(shè)備可以完成水域和地面地形掃描測(cè)量。

(3)滑坡監(jiān)測(cè)和確定滑坡區(qū)域。通過(guò)對(duì)掃描數(shù)據(jù)的兩次或多次比較，從而能夠確定和完成滑坡區(qū)域的檢測(cè)，達(dá)到減災(zāi)防災(zāi)和對(duì)災(zāi)害造成范圍的確定。

（4）洪水區(qū)域的分析：通過(guò)對(duì)洪災(zāi)發(fā)生前后的三維地形對(duì)比分析，一是可以確定降水量，預(yù)測(cè)洪水達(dá)到的區(qū)域，達(dá)到預(yù)防的目的；二是通過(guò)對(duì)洪水前后掃描數(shù)據(jù)的對(duì)比，計(jì)算受災(zāi)區(qū)洪水的體積。

（5）變形監(jiān)測(cè)：傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)方式是通過(guò)全站儀或GPS以及其他形式監(jiān)測(cè)方式，在易發(fā)生變形的地方設(shè)置檢測(cè)點(diǎn),通過(guò)連續(xù)和定期觀測(cè),對(duì)多次觀測(cè)的數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，完成對(duì)工程安全性的確定,此種方式只是對(duì)離散監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化分析，做出安全與否判斷，結(jié)果可能存在瑕疵，而三維激光掃描技術(shù),可以高精度，高密集對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象，進(jìn)行立體空間面狀掃描，獲取監(jiān)測(cè)體的整體數(shù)據(jù)，通過(guò)定期或周期對(duì)監(jiān)測(cè)體的掃描數(shù)據(jù)對(duì)比分析，做出對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的正確評(píng)估。補(bǔ)充、擴(kuò)充和完善地理信息系統(tǒng)：三維激光掃描技術(shù)可以完成對(duì)空間數(shù)據(jù)信息的確認(rèn)，作為下一代的測(cè)量手段加上數(shù)據(jù)管理功能，可以作為電子手簿或GIS的有利工具和數(shù)據(jù)采集手段，改變舊的數(shù)據(jù)管理方式具有重要的意義，同時(shí)豐富和完善了測(cè)繪信息的獲取手段和表現(xiàn)形式。

7結(jié)束語(yǔ)

伴隨三維激光技術(shù)的不斷完善與發(fā)展,以及三維控制信息需求的增加,三維空間技術(shù)將和現(xiàn)代經(jīng)典測(cè)量技術(shù)相互融合,作為一種新的空間數(shù)據(jù)采集手段,三維激光掃描技術(shù)具有廣闊的發(fā)展空間,將成為一種普遍應(yīng)用的技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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關(guān)鍵詞：三維激光掃描；隧道變形監(jiān)測(cè)方法；全站儀；采樣密度；測(cè)量精度；數(shù)據(jù)采集 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U456 文章編號(hào)：1009-2374（2017）10-0218-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.10.110

1 概述

三維激光掃描技術(shù)為非接觸式主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，與傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量有很大差異。該技術(shù)通過(guò)掃描便可快速獲得高密度、高精度、大面積的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，得到目標(biāo)表面的三維坐標(biāo)，掃描速度快，可達(dá)萬(wàn)點(diǎn)每秒。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)的光線條件沒(méi)有明確要求，即使在黑暗環(huán)境下也可進(jìn)行測(cè)量，一次測(cè)量便可獲得隧道內(nèi)部的全面數(shù)據(jù)，再根據(jù)測(cè)量要求和目的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便可獲得隧道任一斷面的變形數(shù)據(jù)，了解隧道當(dāng)前的運(yùn)行狀況。由此可見(jiàn)，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于隧道變形監(jiān)測(cè)具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，便于操作和數(shù)據(jù)

處理。

2 三維激光掃描系統(tǒng)構(gòu)成和工作流程

三維掃描技術(shù)又名實(shí)景復(fù)制技術(shù)，該技術(shù)是在激光測(cè)距技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，可以獲得隧道內(nèi)部實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)的處理分析可以建立相應(yīng)的三維實(shí)體模型，其精確度較高。然后結(jié)合坐標(biāo)控制對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異化分析與比較即可獲得實(shí)體變形特征數(shù)據(jù)。

為了便于點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、斷面提取、斷面對(duì)比分析和斷面收斂變形分析等諸多功能，需要建立完善的三維激光掃描數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，如圖1。該系統(tǒng)聯(lián)合了Matlab數(shù)據(jù)平臺(tái)，根據(jù)三維激掃描系統(tǒng)的工作原理采集隧道變形數(shù)據(jù)，該系y的具體優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：第一，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理，該系統(tǒng)可直接對(duì)隧道測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并在處理過(guò)程中剔除無(wú)效信息，如激光反射光束、隧道管線、現(xiàn)場(chǎng)人員的噪聲點(diǎn)等；第二，點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，在各站數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化工作結(jié)束后，其坐標(biāo)系統(tǒng)一，便于后期數(shù)據(jù)的再處理；第三，斷面處理，對(duì)于已經(jīng)設(shè)定的間隔提取斷面點(diǎn)云，需對(duì)隧道中心軸線進(jìn)行最小二乘擬合；第四，對(duì)隧道的變形量進(jìn)行計(jì)算與分析，依據(jù)每個(gè)斷面的測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面擬和，并將其與設(shè)計(jì)圖紙和以往工程資料進(jìn)行比對(duì)了解隧道收斂變形情況；第五，數(shù)據(jù)輸出，可以通過(guò)文本或圖形顯示數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)結(jié)果。作業(yè)流程如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)獲取與處理

3.1 布設(shè)控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)

本文研究采用的徠卡三維激光掃描儀，其為高速度和高精度的激光掃描儀，集合了多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用于各類(lèi)工程測(cè)量項(xiàng)目。單點(diǎn)測(cè)量精度高達(dá)6mm。測(cè)距范圍為300m，模型表面精度為±2mm。采用三維掃描儀可以快速獲得密集目標(biāo)物體表面的三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息，但是在使用三維掃描儀進(jìn)行測(cè)設(shè)之前需要做好準(zhǔn)備工作，合理布設(shè)控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)。因?yàn)槿S掃描技術(shù)特征以及獲取數(shù)據(jù)的后期處理要求有所差異，控制點(diǎn)的布設(shè)方案也就有所不同。依據(jù)不同掃描儀的有效測(cè)距范圍和多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)等相關(guān)要求進(jìn)行控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)工作。為了保證掃描數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一，便于后期數(shù)據(jù)處理，且可進(jìn)行多站數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，盡量不將控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在不同的直線與平面上。

這里對(duì)隧道掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)進(jìn)行詳細(xì)分析。所謂點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是指使兩幅點(diǎn)運(yùn)輸局同名點(diǎn)的點(diǎn)對(duì)（）滿足相同變換矩陣T，需滿足如下方程：

式中：P、Q分別為兩次掃描的點(diǎn)集；pi、qi分別為點(diǎn)集P以及Q中的某點(diǎn)。

在應(yīng)用上述公式解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，會(huì)遇到查找點(diǎn)對(duì)以及求解矩陣T的問(wèn)題，為此可以用所有同名點(diǎn)匹配誤差大小對(duì)配準(zhǔn)進(jìn)行判斷，如下：

式中：E為配準(zhǔn)誤差；Np為點(diǎn)對(duì)數(shù)量；D為兩個(gè)相似點(diǎn)的最近距離。

三維激光掃描數(shù)據(jù)處理軟件的配準(zhǔn)模塊中一般支持兩種配準(zhǔn)方式，即點(diǎn)云配準(zhǔn)和基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。部分軟件可以用于大地控制點(diǎn)的配準(zhǔn)。

第一，基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)。基于點(diǎn)云的配準(zhǔn)就是在兩副點(diǎn)云數(shù)據(jù)中找出不在統(tǒng)一直線上的三個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行電源匹配。軟件中基于電源的配準(zhǔn)方法是先選擇3個(gè)同名的點(diǎn)進(jìn)行初步配準(zhǔn)，然后按照式（1）進(jìn)行優(yōu)化，保證配準(zhǔn)精確，最高精度可達(dá)3mm；第二，基于目標(biāo)的配準(zhǔn)。三維激光掃描系統(tǒng)中有專(zhuān)用的平面標(biāo)靶，在每站測(cè)量工作中可將其作為標(biāo)志點(diǎn)，架設(shè)在變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)上用作變形點(diǎn)的分析工作，也可以隨意架設(shè)作為配準(zhǔn)目標(biāo)；第三，基于大地控制點(diǎn)的配準(zhǔn)。實(shí)地測(cè)量過(guò)程中會(huì)受到多種因素的影響，如儀器電源使用時(shí)間等，為了縮短測(cè)量工作時(shí)長(zhǎng)，需在不影響測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度的情況下制定最佳的測(cè)量方案。基于大地控制點(diǎn)的配準(zhǔn)方法綜合三維激光掃描儀測(cè)量工作的性質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)的布設(shè)要求，任意架設(shè)掃描儀，將標(biāo)靶在控制點(diǎn)上作為特征點(diǎn)便可快速獲得隧道的相關(guān)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需將測(cè)量得到的標(biāo)靶架設(shè)高度輸入至大地坐標(biāo)軟件中，輸入之后再進(jìn)行點(diǎn)云配準(zhǔn)便可。

3.2 數(shù)據(jù)采集

布設(shè)控制點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)后則可以定期對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行掃描。需要注意的是，在獲取數(shù)據(jù)過(guò)程中，需將掃描儀安裝在測(cè)站上，并調(diào)整好儀器的角度等，將其與計(jì)算機(jī)相連接，設(shè)置好功能參數(shù)，再啟動(dòng)掃描儀，需保證單獨(dú)測(cè)站之間有部分點(diǎn)云重合。

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關(guān)鍵詞：三維足部掃描 激光三角法 三維數(shù)字化

前 言：三維足部掃描儀是一款高科技立體腳型測(cè)量設(shè)備，該設(shè)備集合了光學(xué)、機(jī)械、電子領(lǐng)域的新興技術(shù)。利用激光平面光對(duì)腳進(jìn)行光切，在腳的某一個(gè)截面上形成封閉光帶，用三個(gè) CCD 攝像機(jī)對(duì)截面光帶成像，可一次獲得腳的某一個(gè)截面的二維輪廓信息，再沿光切的垂直方向步進(jìn)測(cè)量，就可以得到腳的整個(gè)三維曲面信息[1]。

一、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)

足部掃描儀的主要技術(shù)指標(biāo)為：掃描范圍、分辨率、掃描時(shí)間。

分辨率是評(píng)價(jià)掃描系統(tǒng)精度的重要參數(shù)，分辨率越高越能真實(shí)反映物體表面的細(xì)節(jié)，但也會(huì)對(duì)CCD攝像機(jī)提出更高的要求，導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加，掃描時(shí)間變長(zhǎng)，因此需要合理選擇。定義傳感器獲取圖像中每一像素代表的實(shí)際距離為系統(tǒng)的分辨率。由于被測(cè)物體距傳感器的遠(yuǎn)近會(huì)對(duì)分辨率產(chǎn)生影響，因此只能給出系統(tǒng)在典型位置處的分辨率，稱(chēng)為典型分辨率。定義系統(tǒng)測(cè)量的典型位置為距離人腳中心線左右各40mm處的兩個(gè)豎直平面。在典型位置處，傳感器獲得的圖像最為清晰，而在此位置內(nèi)外，則靠鏡頭的景深來(lái)調(diào)節(jié)。

對(duì)比國(guó)外足部掃描系統(tǒng)，結(jié)合對(duì)于人體足部數(shù)據(jù)測(cè)量[2-6]的考慮，提出了這樣的技術(shù)指標(biāo)：

掃描范圍：290mm*140mm*160mm（長(zhǎng)度*高度*寬度）

典型分辨率：0.1mm*0.2mm*0.3mm（長(zhǎng)度*高度*深度）

掃描時(shí)間的提出主要考慮縮短人體足部保持固定姿態(tài)的時(shí)間，所以掃描時(shí)間要在硬件條件允許的前提下盡量短，因此提出掃描時(shí)間為12s，對(duì)應(yīng)的掃描速度為30mm/s。同時(shí)，掃描儀器的空間尺寸盡可能小，設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體高度不超過(guò)350mm，寬度300mm左右。

下面將根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，對(duì)光路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足提出的技術(shù)指標(biāo)。

二、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)中的光路設(shè)計(jì)

光路設(shè)計(jì)主要利用光學(xué)的反射和折射原理來(lái)設(shè)計(jì)光路，在保證光程的基礎(chǔ)上縮小所需空間，對(duì)于左側(cè)和右側(cè)的激光器，激光器經(jīng)過(guò)一次反射打在被掃描的物體表面，左側(cè)和右側(cè)的CCD的接收則是有兩路光路，將一個(gè)CCD分成兩部分，得到兩部分圖片，用以代替激光三角法中的兩個(gè)CCD。下側(cè)激光器采用的是兩次反射，CCD采用的是和左右兩側(cè)相同的設(shè)計(jì)思路。

這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，將激光器，CCD和反射鏡結(jié)合在一起，既不影響攝像頭的信息采集，保證儀器的正常工作，又能極大的減小儀器的整體尺寸。

三、三維足部掃描光學(xué)系統(tǒng)中的硬件x取

（一）傳感器的選取

圖像采集系統(tǒng)的核心是傳感器，包括CCD和激光器，它們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中的位置關(guān)系由提出的技術(shù)指標(biāo)決定。

1、CCD的選擇

對(duì)于CCD的選擇，有如下考慮點(diǎn)：

（1）采集足部的外形輪廓信息，只需使用黑白圖像。

（2）像面尺寸和視場(chǎng)角能滿足掃描范圍和分辨率的要求。

（3）重量輕，減少系統(tǒng)的負(fù)載。

筆者建議可以選取深圳度申科技有限公司的微型全色相機(jī)M2S500M-H。

2.腳面?zhèn)鞲衅髟O(shè)計(jì)

對(duì)腳面的掃描采用安裝在左右對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)掃描臂上的兩組傳感器完成。針對(duì)于平行于腳底面的平面進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，距離中心線左右各40mm的兩條虛線是設(shè)定的分辨率的典型位置，代表兩個(gè)垂直于紙面的平面。以某一個(gè)CCD為例，在典型位置處，要達(dá)到的高度方向掃描范圍是120mm，即以點(diǎn)N為中心并垂直于紙面的距離，而CCD需要放置在掃描高度方向上60mm處的位置。那么根據(jù)CCD在該方向上的視場(chǎng)角為42°，計(jì)算得到CCD到典型位置的距離為PN =156.3mm[7]。

對(duì)于腳的寬度方向，CCD在該方向上的視場(chǎng)角為∠APB =32°。仍以CCD4為例，在典型位置處，需要達(dá)到的范圍是掃描寬度的一半：80mm，則BN R40mm；取AB =100mm，計(jì)算得BN =43.5mm，CCD攝像機(jī)與激光器的夾角為θ=∠BNP=65.8°。同時(shí)，d1=LN =64mm； h1=LP =142mm；l1=QN =PN =156.3mm。

對(duì)腳底的掃描采用一組傳感器。垂直于腳底面的平面進(jìn)行設(shè)計(jì)。以CCD為例，在腳底面上需要達(dá)到的掃描寬度是160mm， CCD在該方向上的視場(chǎng)角為∠ARB=42°，求得OR =208.4mm 。通過(guò)分析CCD在高度方向上的視場(chǎng)角為∠MPN=32°，讓CCD攝像機(jī)與激光器的夾角與腳面?zhèn)鞲衅鹘M中CCD與激光器的夾角保持一致，即θ=∠MOR=65.8°。計(jì)算得d2=DR =85mm， h2=OH =190mm。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)可以看出我們?cè)O(shè)計(jì)的足部掃描儀需要3個(gè)激光器和3個(gè)CCD攝像機(jī)，大大減輕了儀器的生產(chǎn)成本和外形尺寸。

（二）激光器的選擇

光源的擴(kuò)束方法有三種：

凸透鏡。這種擴(kuò)束方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是兩端是弧形的，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求；波浪棱鏡式。這種擴(kuò)束方法的優(yōu)點(diǎn)是中間部分光束比較集中，缺點(diǎn)是單線的兩端是不連續(xù)的一系列點(diǎn)，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求；鮑威爾棱鏡[8]（Powell Lenses）： 鮑威爾棱鏡是一種光學(xué)劃線棱鏡，它使激光束通過(guò)后可以最優(yōu)化地劃成光密度均勻、穩(wěn)定性好、直線性好的一條直線。鮑威爾棱鏡劃線優(yōu)于柱面透鏡的劃線模式，能消除高斯光束的中心熱點(diǎn)和褪色邊緣分布。

考慮激光器發(fā)出的光在豎直平面內(nèi)距離激光器LN = 64mm處要有足夠的寬度覆蓋豎直高度140mm的范圍（140mm為掃描為掃面范圍）；同時(shí)，激光束在豎直方向的高度不應(yīng)僅僅與掃描臺(tái)面相切，而且要向下多留一些余量，便于與腳底的激光束形成完整的閉合光帶；并要求光束較細(xì)，光線強(qiáng)度穩(wěn)定。

綜上所述，我們選擇了西安赫胥爾鐳得激光科技有限公司的藍(lán)光線光源激光器，主要技術(shù)指標(biāo)為：

光扇角：60度；線寬：0.3mm；波長(zhǎng)：475nm；額定功率15毫瓦；工作電壓5V。

根據(jù)激光發(fā)散角求出過(guò)點(diǎn)N的高度方向上光束長(zhǎng)度為152.5mm> 120mm，滿足掃描范圍的要求。

選擇藍(lán)光的原因重要根據(jù)CCD相機(jī)的感光度有關(guān)。根據(jù)所使用相機(jī)的感光度與波長(zhǎng)的關(guān)系圖可以知道，感光度曲線出現(xiàn)波峰時(shí)光的波長(zhǎng)在475nm左右，因此選擇藍(lán)光（475-496nm），此時(shí)相機(jī)有較好的感光度，可以使得光圈更小，這對(duì)于排除雜光的干擾有很大的作用。

結(jié)語(yǔ)：基于激光掃描原理的三維足部掃描儀的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，操作便捷等優(yōu)勢(shì)，將會(huì)給人工測(cè)量帶來(lái)極大的方便，同時(shí)也能夠進(jìn)行醫(yī)療方面的矯形鞋定制、假肢生產(chǎn)，包括足療機(jī)構(gòu)、醫(yī)學(xué)診斷等。除此之外，現(xiàn)在消費(fèi)者越來(lái)越追求高品質(zhì)的生活，追求個(gè)性化，定制化服務(wù)的市場(chǎng)越來(lái)越大，所以三維足部掃描儀將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

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篇8

關(guān)鍵詞：三維激光掃描技術(shù)；數(shù)據(jù)處理；精度控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

三維激光技術(shù)是一門(mén)新型的熱門(mén)高效的技術(shù)，它是繼GPS技術(shù)后又一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的誕生。其在數(shù)據(jù)處理方法和獲取方法以及服務(wù)能力水平上都進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

一、三維激光掃描系統(tǒng)的分類(lèi)

我國(guó)目前把三維激光掃描技術(shù)分為兩類(lèi)；機(jī)載型，地面型。在測(cè)量方式上還細(xì)化成移動(dòng)式激光掃描系統(tǒng)，手持式機(jī)關(guān)掃描系統(tǒng)。在當(dāng)前，地面型固定式三維激光掃描系統(tǒng)是目前最重要的掃描裝置。其一般有三維激光掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，軟件控制平臺(tái)，電源以及其它的相關(guān)的附件組成。

二、地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理

三維激光掃描儀的發(fā)射器在進(jìn)行工作時(shí)會(huì)項(xiàng)目表發(fā)射一個(gè)激光脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)在接觸到物體表面是被反射回來(lái)，順著相同的路線反向的傳回到接收器中，在這之中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就是三維激光掃描儀的工作目的。當(dāng)脈沖在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)時(shí)精密的時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)脈沖橫向掃描的觀測(cè)值和縱向掃描的觀測(cè)值。

三、三維掃描儀的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

在三維激光采集數(shù)據(jù)時(shí)采集的是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般包括有下列各個(gè)步驟；

（一）噪聲去除。噪聲去除就是指將點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，通過(guò)掃描的過(guò)程，把它給去除掉。由于某些原因的影響，會(huì)導(dǎo)致這一現(xiàn)象的發(fā)生。比如說(shuō)移動(dòng)的車(chē)輛和行人還有樹(shù)木，也同樣會(huì)被掃描儀所采集到，這些都是要在后續(xù)的工作中刪除帶掉的。

（二）多視對(duì)齊。多視對(duì)齊是說(shuō)被測(cè)量的物體的形狀多大或者比較復(fù)雜，那么在掃描時(shí)就不能一次性的測(cè)出所有的數(shù)據(jù)，這樣的情況需要我們從不同的位置，去進(jìn)行多視角的多次掃描，多視對(duì)齊的實(shí)質(zhì)就在于此。

（三）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)是指在海量的云技術(shù)數(shù)據(jù)中，在不影響曲面重構(gòu)和保持著一定精度的情況下需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)，而我們比較常用的精簡(jiǎn)模式有平均精簡(jiǎn)，按距離精簡(jiǎn)兩種。如若想真實(shí)的反映掃描目標(biāo)，那就需要準(zhǔn)確的將需要掃描的數(shù)據(jù)用曲面表示出來(lái)，這項(xiàng)過(guò)程就是曲面重構(gòu)。

（四）曲面重構(gòu)。我們比較常見(jiàn)的曲面的表示種類(lèi)中有；細(xì)分曲面，暗含的函數(shù)表示，明確的函數(shù)表示，三角形網(wǎng)絡(luò)，參數(shù)曲面，曲化的面片等。著里我主要說(shuō)說(shuō)參數(shù)曲面重構(gòu)和細(xì)分曲面重構(gòu)；參數(shù)曲面重構(gòu)是對(duì)對(duì)幾何形狀進(jìn)行的描述這項(xiàng)理論起源于60世紀(jì)，它的主要思想是用一組基函數(shù)做為分權(quán)因子，在通過(guò)一組初始的控制向量的線性組合獲得形體的連續(xù)表示，我們一般都采用的參數(shù)曲面有Bezier曲面，B樣條曲面和NURBS曲面等。細(xì)分曲面重構(gòu)主要針對(duì)復(fù)雜的物體表面模型重建和曲面的拼合問(wèn)題，是從初始的多面體控制網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始的，應(yīng)用某種細(xì)分規(guī)則，對(duì)新生成的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的定點(diǎn)進(jìn)行相繼歸集的計(jì)算，網(wǎng)格頂點(diǎn)生成是原始網(wǎng)格的幾個(gè)相鄰頂點(diǎn)的加權(quán)平均，通過(guò)不斷的細(xì)分，逐漸將控制網(wǎng)格磨光。在無(wú)窮多次細(xì)分后，最終將控制網(wǎng)格將收斂于一張光滑曲面，而這就是重建曲面。

四、三維激光掃描儀的精度分析

（一）三維激光掃描儀的測(cè)量誤差分析。三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量誤差可分為兩種；系統(tǒng)誤差和偶然誤差，系統(tǒng)誤差可能會(huì)引起掃描點(diǎn)的坐標(biāo)錯(cuò)誤，可以通過(guò)公式的改正后世修正系統(tǒng)來(lái)解決。測(cè)試系統(tǒng)的偶然誤差是一些隨機(jī)性的錯(cuò)誤的集中體現(xiàn)。在測(cè)量誤差上的影響因素較多，主要可以分為三類(lèi)，儀器誤差，與目標(biāo)物體反射有關(guān)的誤差和外界環(huán)境條件。在儀器誤差上又包括激光測(cè)距誤差，掃描角度測(cè)量誤差。與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差主要是目標(biāo)物體表面粗糙的原因。外界環(huán)境因素主要包括溫度和氣壓等因素。

（二）三維激光掃描儀精度控制。在了解到了相關(guān)的可能出現(xiàn)差錯(cuò)的原因后我們需要找到解決的對(duì)策來(lái)加以控制。在系統(tǒng)的測(cè)量誤差上激光測(cè)距的影響相對(duì)比較重要，我們要防止在掃描儀脈沖計(jì)時(shí)的系統(tǒng)誤差和測(cè)距技術(shù)中的不確定間隔的缺陷所引起的誤差。需要運(yùn)用一些好的技術(shù)處理相應(yīng)發(fā)生的各種突變的誤差，相對(duì)于激光測(cè)距誤差綜合體現(xiàn)為i測(cè)距中的固定誤差和比例誤差，我們可以用儀器檢定確定測(cè)距誤差的大小。在掃描角上引起的誤差可以通過(guò)保證其水平和豎直的掃描角度，在轉(zhuǎn)動(dòng)中減少其振動(dòng)，始終保持精確的角度。

（三）提高測(cè)量精度的方法。在相對(duì)一樣的條件下，通過(guò)調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的坐標(biāo)設(shè)定，相應(yīng)的減少坐標(biāo)系來(lái)調(diào)整。從而達(dá)到減少坐標(biāo)系誤差的目的。通過(guò)減少坐標(biāo)系堆疊的步數(shù)去相應(yīng)的調(diào)整三維激光掃描系統(tǒng)的誤差，相應(yīng)的減少單個(gè)曲面片坐標(biāo)系的堆疊的偏差來(lái)見(jiàn)減少誤差，利用這些方法來(lái)加強(qiáng)三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量上的精確度，使三維激光掃描儀的工作能夠更加有效的開(kāi)展。在這其中，數(shù)減少單個(gè)面片坐標(biāo)系堆疊便宜誤差的方法的控制效果最為明顯。

五、三維激光掃描儀技術(shù)在將來(lái)的發(fā)展

比較現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，我們知道在未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)會(huì)有更加廣泛地發(fā)招空間以及明確的發(fā)展方向；通過(guò)自身的技術(shù)力量發(fā)展降低國(guó)內(nèi)在三維激光掃描儀器的價(jià)格，提升我國(guó)的市場(chǎng)。規(guī)范三維激光掃描儀器的數(shù)據(jù)處理格式，制定相關(guān)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)與傳統(tǒng)的手段相結(jié)合，來(lái)克服精度和測(cè)距上的矛盾，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高精度的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。在不斷提高技術(shù)的基礎(chǔ)上，側(cè)重于研究技術(shù)核心下的新的測(cè)量數(shù)據(jù)方式，以及測(cè)量操作方式，從而提高測(cè)量的初始精度，采取改善數(shù)據(jù)算法的方式來(lái)不斷降低數(shù)據(jù)在計(jì)算上的誤差。

結(jié)語(yǔ)

三維激光掃描技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展是時(shí)代進(jìn)步的體現(xiàn)，推動(dòng)了我們身邊許多的行業(yè)發(fā)展和進(jìn)步。同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)使測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域在數(shù)據(jù)的提供上，有了更高的精準(zhǔn)度。盡管現(xiàn)在的三維激光掃描技術(shù)的價(jià)格過(guò)高，在有些的數(shù)據(jù)處理和精度測(cè)量上存在著缺陷，但我相信隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷研究發(fā)展和各種各種的不斷合理化與規(guī)范化，在不久的將來(lái)這項(xiàng)技術(shù)一定會(huì)在數(shù)據(jù)處理和精確度上有一個(gè)質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)

篇9

關(guān)鍵詞：三維激光掃描儀；控制測(cè)量；標(biāo)靶測(cè)量；

文物作為一個(gè)國(guó)家、一個(gè)民族文明程度的有效載體，代表著這個(gè)國(guó)家的歷史和底蘊(yùn)，顯示著這個(gè)民族的淵源和風(fēng)采，文物保護(hù)工作對(duì)兩個(gè)文明建設(shè)有著十分重要的意義和作用。天龍山石窟是全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位,是列入世界文化遺產(chǎn)保護(hù)名錄的國(guó)寶。

天龍山佛像實(shí)體與三維模型

1 控制網(wǎng)的布設(shè)方案

本次天龍山石窟三維激光掃描項(xiàng)目,目的是利用激光三維掃描技術(shù)對(duì)天龍山石窟進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)其再現(xiàn)、保護(hù)和仿制，具有重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義。由于掃描之前沒(méi)有現(xiàn)成的高等級(jí)的控制點(diǎn)可用，因此我們需要首先對(duì)天龍山石窟作整體控制測(cè)量，以服務(wù)后邊的標(biāo)靶點(diǎn)測(cè)量。整個(gè)控制測(cè)量分兩部分，平面控制和高程控制。平面控制擬采用城市一級(jí)導(dǎo)線測(cè)量，高程控制擬采用二等水準(zhǔn)測(cè)量。

2三維激光掃描儀的特點(diǎn)及原理

三維激光影像掃描儀是一種集成多種高新技術(shù)的影像掃描測(cè)量系統(tǒng)。主要包括激光測(cè)量系統(tǒng)、激光掃描儀、可便攜三角架、線纜、便攜電腦及控制裝置、定標(biāo)球及標(biāo)尺、測(cè)控軟件、信息后處理軟件等，同時(shí)也集成CCD數(shù)字?jǐn)z影和儀器內(nèi)部校正等系統(tǒng)。三維激光掃瞄儀是內(nèi)含掃瞄棱鏡的快速激光測(cè)距儀，可以快速方便準(zhǔn)確地獲取近距離靜態(tài)物體的空間三維模型，以及對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析和數(shù)據(jù)處理。它不需反射棱鏡即可精確測(cè)得掃瞄點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其掃瞄速度目前可達(dá)數(shù)萬(wàn)點(diǎn)/秒。其主要優(yōu)點(diǎn)有：非接觸式主動(dòng)測(cè)量，可操作空間小，便于架設(shè)。不需要可見(jiàn)光源，所以在黑暗中也可進(jìn)行測(cè)量，這種特點(diǎn)對(duì)坑道或自然洞穴的測(cè)量非常有幫助；在有可見(jiàn)光源時(shí)，可同時(shí)獲取被測(cè)點(diǎn)的色彩值，形成三維影像，可方便建立虛擬實(shí)境。三維激光影像掃描儀的核心技術(shù)有兩個(gè)：其一是空間點(diǎn)陣掃描技術(shù)，其二是激光無(wú)反射棱鏡長(zhǎng)距離快速測(cè)距技術(shù)。

三維激光掃描儀的工作過(guò)程實(shí)際上就是一個(gè)不斷重復(fù)的數(shù)據(jù)采集和處理過(guò)程。它通過(guò)具有一定分辨率的空間點(diǎn)坐標(biāo)x y z 其坐標(biāo)系是一個(gè)與掃描儀設(shè)置位置和掃描儀姿態(tài)有關(guān)的儀器坐標(biāo)系所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)物體表面的采樣結(jié)果。三維激光掃描儀所得到的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)主要是： (1)激光束的水平方向值和豎直方向值(2)儀器到掃描點(diǎn)的距離值(3)掃描點(diǎn)的反射強(qiáng)度等。

前兩種數(shù)據(jù)用來(lái)計(jì)算掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)值的,反射強(qiáng)度則用來(lái)給反射點(diǎn)匹配顏色脈沖。

3求解三維坐標(biāo)原理

非接觸式三維數(shù)據(jù)獲取方法按其測(cè)量原理的不同，大致分為光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量，電磁波測(cè)量等。其中，超聲波測(cè)量和電磁波測(cè)量在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中比較廣泛，在空間信息科學(xué)領(lǐng)域里，光學(xué)測(cè)量方法應(yīng)用最普遍且一般采用激光作為光源。本文研究的主體就是三維激光掃描儀。激光三維數(shù)字化儀利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象來(lái)獲取其三維信息。

原理：基于脈沖飛行時(shí)間測(cè)距。此類(lèi)三維激光掃描儀利用激光脈沖發(fā)射器周期地驅(qū)動(dòng)一激光二極管向物體發(fā)射近紅外波長(zhǎng)的激光束，然后由接收器接收目標(biāo)表面后向反射信號(hào),產(chǎn)生一接收信號(hào)，利用一穩(wěn)定的石英時(shí)鐘對(duì)發(fā)射與接收時(shí)間差作計(jì)數(shù)，又光的速度是常量，所以可測(cè)得被測(cè)目標(biāo)至掃描中心的距離S，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值α和縱向掃描角度觀測(cè)值θ。激光掃描系統(tǒng)一般使用儀器自己定義的坐標(biāo)系統(tǒng)：X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直(如圖1所示)。內(nèi)部伺服馬達(dá)系統(tǒng)精密控制多面反射棱鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)，使脈沖激光束沿X、Y兩個(gè)方向快速掃描,實(shí)現(xiàn)高精度的小角度掃描間隔、大范圍掃描幅度。通過(guò)一個(gè)線元素和兩個(gè)角元素計(jì)算空間點(diǎn)位的X、Y、Z坐標(biāo)，空間點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算公式如下：

4 標(biāo)靶的布設(shè)方案及實(shí)施

掃描儀標(biāo)靶是一種掃描儀配套的能精確識(shí)別其中心的像豎著的乒乓球拍形狀的標(biāo)靶，分為底座和標(biāo)靶面兩部分，標(biāo)靶面可以繞著標(biāo)靶中心旋轉(zhuǎn)。標(biāo)靶點(diǎn)作為轉(zhuǎn)換坐標(biāo)和控制誤差的控制點(diǎn)，一般要分布均勻，保證有足夠的密度，能控制整個(gè)建筑而且易于掃描和短期保留。在布設(shè)時(shí)需要根據(jù)實(shí)際需求，針對(duì)需要掃描的目標(biāo)確定標(biāo)靶的個(gè)數(shù)和位置。為了方便標(biāo)靶辨認(rèn)，我們對(duì)所測(cè)標(biāo)靶點(diǎn)統(tǒng)一編上號(hào)，這樣每個(gè)標(biāo)靶都有自己的編號(hào)，這樣掃描完內(nèi)業(yè)處理時(shí)就不會(huì)認(rèn)錯(cuò)標(biāo)靶。

水平角觀測(cè)：在角度測(cè)量中，為了消除視準(zhǔn)軸誤差、水平軸傾斜誤差、照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的彈性帶動(dòng)誤差等儀器誤差，需要用盤(pán)左和盤(pán)右兩個(gè)位置進(jìn)行觀測(cè)。為了有效減弱各種誤差影響，保證觀測(cè)果的必要精度，水平角觀測(cè)采用全圓方向觀測(cè)法。測(cè)量時(shí)，由于標(biāo)靶距離一般都比較短，所以為了減少照準(zhǔn)誤差，我們?cè)诤笠朁c(diǎn)上豎上一枚大頭針，這樣就大大減少了后視的照準(zhǔn)誤差。

豎直角觀測(cè)：用十字絲橫絲橫切目標(biāo)于某一位置，豎直角觀測(cè)有兩種方法：中絲法和三絲法，我們用的是中絲法，即只用十字絲的中絲瞄準(zhǔn)目標(biāo)。在測(cè)站上安置儀器，對(duì)中、整平量取儀器高，測(cè)水平角的同時(shí)測(cè)量豎直角。

距離和高差測(cè)量：在瞄準(zhǔn)目標(biāo)后，測(cè)出測(cè)站到標(biāo)靶點(diǎn)中心的水平距離，并且按三角高程測(cè)量計(jì)算出測(cè)站和標(biāo)靶中心間的高差，顯示到全站儀屏幕上。

結(jié)束語(yǔ)：

三維激光掃描儀最大的特點(diǎn)就是能建立高清晰的三維數(shù)字模型，不僅能對(duì)古跡當(dāng)時(shí)的真實(shí)面貌進(jìn)行再現(xiàn)，而且可將掃描數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成CAD數(shù)據(jù)資料。這就很好地解決了長(zhǎng)久以來(lái)文物古跡保護(hù)的難題：沒(méi)有用于維護(hù)和翻新的古跡的CAD數(shù)字資料。模型建立后，可對(duì)物體上的任意點(diǎn)、尺寸進(jìn)行量測(cè)量，通過(guò)掃描的精度比較可以看出，用三維激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果可以非常精確地測(cè)出建筑物及物體的尺寸，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)量方法。與傳統(tǒng)的古建測(cè)量相比，三維激光測(cè)量能在不損傷建筑物的條件下，快速采集建筑物外部表面的精確數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力物力，可以做到花最合理的價(jià)格，最大效率地完成所需的工作。

參考文獻(xiàn)

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[4]《控制測(cè)量學(xué)》，楊國(guó)清等編著，黃河水利出版社，2005

[5]《測(cè)量學(xué)》，陸國(guó)勝等編著，測(cè)繪出版社，2002

篇10

【關(guān)鍵詞】足踝部外傷；計(jì)算機(jī)體層攝影；圖像處理；三維重建

文章編號(hào)：1009-5519（2008）23-3506-02 中圖分類(lèi)號(hào)：R81 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

足踝部骨折臨床多見(jiàn)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重疊較多，普通X線片及常規(guī)橫軸位CT很難全面完整地顯示骨折及骨碎片，而CT三維重建技術(shù)不斷完善，圖像質(zhì)量不斷提高，能更好地顯示足踝部骨折的立體形態(tài)，更有利于臨床分型及手術(shù)治療。回顧性分析我院自2005~2008年螺旋CT對(duì)足部外傷病例進(jìn)行三維重建的處理，并從中選出具有代表性的45例經(jīng)臨床、手術(shù)證實(shí)的足踝部骨折進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 臨床資料：本組45例，男28例，女17例，年齡14~67歲，平均34.5歲。受傷原因：車(chē)禍傷16例，墜落傷15例，扭傷14例，45例足踝部骨折均進(jìn)行X線正側(cè)位平片、螺旋CT掃描，并行三維重建。

1.2 方法：采用西門(mén)子多排螺旋CT機(jī)(SIEMENS SOMATOM SENSATION)進(jìn)行掃描，各病例掃描條件均相同，掃描層厚1～1.35 mm，螺距1∶1，重建1 mm。在獲得優(yōu)質(zhì)的橫斷圖像后尋找出感興趣（VOI）的足部部位，用掃描保留下的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行薄層重建，其間采用三維重建中的遮罩（Mask）功能刪除多余的結(jié)構(gòu)如石膏固定板，排除組織結(jié)構(gòu)之間的干擾后，使用表面重建（SSD）、容積重建（VR）及多平面重建（MPR）等方法處理，將圖像任意轉(zhuǎn)動(dòng)，取最佳角度觀察，也可將VOI的部分進(jìn)行編輯（Edit），并捕獲為512×512的新系列圖組。

2 結(jié)果

本組45例骨折病人中，采用SSD、VR及MPR處理后，骨折端均完整性表現(xiàn)出來(lái)，尤其是對(duì)較為復(fù)雜的足踝部多處骨折、碎裂、分離、小骨片及游離骨塊的數(shù)量均能很好地顯示，見(jiàn)圖1~4。

3 討論

足踝部由多塊骨骼組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨折范圍廣泛，包括踝關(guān)節(jié)、跟骨、距骨、舟骨、楔骨、骰骨及趾骨等骨折，無(wú)論哪塊骨折都會(huì)引起相應(yīng)癥狀和體征，足部中踝關(guān)節(jié)為人體最大的負(fù)重屈戍關(guān)節(jié)，局部缺乏軟組織保護(hù)，骨折的類(lèi)型也復(fù)雜多樣，X線片及常規(guī)CT雖然可顯示各型骨折的骨折位置、成角、分離和骨折斷端形態(tài)，但是X線片為平面圖像，對(duì)足踝部骨折進(jìn)行全面診斷很困難，而常規(guī)CT掃描為橫軸位掃描，也存在一定的局限性，對(duì)骨折部位的大小及移位程度無(wú)法立體顯示，缺乏在整體上對(duì)骨折的全面認(rèn)識(shí)[1]，所以，二者對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的足踝部骨折，往往由于其結(jié)構(gòu)的重疊、干擾，不能準(zhǔn)確地做出診斷，不能確定骨折片及游離塊的準(zhǔn)確位置及其與踝關(guān)節(jié)的相互關(guān)系，甚至于誤診、漏診。國(guó)內(nèi)有報(bào)道單評(píng)踝關(guān)節(jié)X線正側(cè)位平片漏診率為14%[2]，而螺旋CT通過(guò)其優(yōu)質(zhì)的二維橫斷圖像及三維重建，可以從不同的角度、多個(gè)平面進(jìn)行觀察，克服了X線平片及常規(guī)CT掃描中對(duì)此的弊端，它可以全面、準(zhǔn)確地顯示病變的情況，為外科術(shù)前準(zhǔn)備提供重要依據(jù)。

在實(shí)際工作中要獲得滿意的三維圖像，提高診斷的準(zhǔn)確性，在掃描中應(yīng)盡量取得病人的合作，力求雙側(cè)對(duì)稱(chēng)，掃描期間禁動(dòng)，以減少運(yùn)動(dòng)偽影，操作時(shí)動(dòng)作要熟練、準(zhǔn)確。選擇好掃描參數(shù)，最好采用1~1.35 mm的層厚，1∶1螺距，1 mm重建掃描，這樣生成的三維圖像就越平滑，同時(shí)盡可能放大興趣區(qū)的二維圖像重建，采用旋轉(zhuǎn)圖像，多角度、多平面觀察，在此基礎(chǔ)上，三維重建才能很好地顯示復(fù)雜骨折的解剖關(guān)系及骨外形有無(wú)改變等情況。三維圖像質(zhì)量的好壞，取決于層厚，掃描層厚越薄，空間分辨率越高，圖像的逼真性就越好[3]。MPR與VR及SSD各有優(yōu)缺點(diǎn)，MPR重建適用范圍最廣，是一種日常工作中最實(shí)用的重建方式，對(duì)無(wú)錯(cuò)位的骨折線及骨內(nèi)部結(jié)構(gòu)病變較VR及SSD有優(yōu)勢(shì)；VR重建可調(diào)參數(shù)多，層次豐富，可根據(jù)診斷目的自行設(shè)定重建，在整體性、直觀性方面有較大的優(yōu)勢(shì)，VR及SSD對(duì)伴有骨皮質(zhì)中斷，骨的主體結(jié)構(gòu)、骨外形、骨折端錯(cuò)位、骨碎片移位、骨缺損范圍具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)于復(fù)雜骨折、脫位、畸形效果更好[4]，對(duì)軟組織及軟骨不佳。三維重建還能發(fā)現(xiàn)一些平片易漏診的細(xì)微骨折及游離骨塊。部分伴有關(guān)節(jié)腔內(nèi)碎骨的病例，由于踝關(guān)節(jié)面與X線束平行，橫斷面CT在發(fā)現(xiàn)碎骨方面有較大的局限性，三維重建起了關(guān)鍵作用[2]。MPR與VR及SSD同時(shí)使用，互為補(bǔ)充，重建的數(shù)量以顯示病情和臨床需要為原則，并非越多越好。

三維重建對(duì)機(jī)器性能、工作站的軟硬件功能要求較高，易受人為因素的干擾，如閾值的選定、操作者的熟練程度、其對(duì)解剖結(jié)構(gòu)的熟悉程度以及診斷水平的高低等因素有關(guān)。在實(shí)際操作中進(jìn)行三維重建時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）重建的源圖像尺寸應(yīng)相同。（2）重建的源圖像都應(yīng)平行。（3）重建的源圖像的重建中心應(yīng)一致。（4）重建的源圖像越多成像越精確。

總之，螺旋CT掃描在二維橫斷圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)行三維重建對(duì)足部骨折、踝關(guān)節(jié)骨折具有較高的診斷價(jià)值，能彌補(bǔ)常規(guī)CT橫軸位及X線平片的局限性，提高足部及踝關(guān)節(jié)骨折的檢出率，避免誤診、漏診，為臨床診斷提供更完整的影像資料。

參考文獻(xiàn)：

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