三维测量范文

三维测量篇1

Abstract： A new three—dimensional probe data acquisition circuit is designed for CNC gear measuring center. Sensing circuit of Linear Variable Differential Transformer （LVDT） is designed based on AD698. Signal conditioning circuit and A/D transfer circuit based on AD7982 are designed. ADC interface circuit， central processing circuit and USB interface circuit also are designed. The new circuit send measuring result with digital data， thus the stability and reliability of the system are improved greatly.

关键词： 三维测头；差动变压器；信号调理；USB接口

Key words： 3D probe；Differential Transformer；Signal Conditioning；USB interface

中图分类号：TG86 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0017—03

0 引言

CNC齿轮测量中心不同于普通的三坐标测量机，它对动态测量的速度和精度要求更高，需要对电感侧头三路信号进行同步采集，测头是CNC齿轮测量中心的关键部件之一，它的精度直接影响测量中心的测量精度[1]，测头的数据采样速率也是影响测量中心的速度的主要因素。目前绝大所属CNC齿轮测量中心采用一维模拟电感测头[2]，一些高端CNC齿轮测量中心采用三维模拟电感测头[3—5]。

近年来，许多研究人员研究了各种三维测头[6—10]，但模拟式电感侧头依然应用最为广泛。目前市场上三维电感测头基本依靠进口，同时，模拟式测头在应用中存在对环境和走线要求高，抗干扰能力差等问题，针对这一不足，本文设计了一种智能三维测头电路系统，完成电感信号采集、处理和数字化传输，提高了测头的集成度和智能成都，其数字传输方式提高了侧头信号的抗干扰性，为进一步简化CNC齿轮测量中心测控电路，提高测量精度和稳定性奠定了基础。

1 信号调理电路

差动变压器（LVDT）位移传感器是一种精密的位移检测部件，利用电磁感应原理将机械位移变化转换成电信号输出。具有结构简单、精度高高、线性好，抗干扰性好的特点，在CNC齿轮测量中心上有着广泛的应用。

根据差动变压器的位移测量原理，需要的电路主要有激励信号产生电路，差动整流电路和方向辨别的相敏检波电路。激励信号送入LVDT的初级线圈，然后次级线圈感应的信号通过相敏解调电路和滤波电路，经过运放电路处理后送入A/D转换器。

AD698是美国ADI公司生产的专门用于LVDT场合的单芯片信号调理电路。与LVDT配合，能将机械位移高精度的转换为单极性或双极性电压。并且AD698具有LVDT检测电路所有的电路功能，只需要简单的元件即可。AD698的应用简图如图1所示。

另外，AD698采用的是比率译码的方式，即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定LVDT的位置和方向，所以温漂对激励信号造成的变化不会影响测量精度，测量稳定性好。

2 硬件电路

LVDT的信号处理电路主要结构如图2所示。包含了模拟信号处理电路，A/D转换电路，ADC数据接口电路和USB接口电路。

2.1 模拟信号处理电路 LVDT包含一个初级线圈和两个次级线圈。初级线圈接AD698的正弦波激励源，两个次级线圈反向串联。当LVDT内的磁芯移动时可改变线圈之间的耦合磁通，产生不同幅值的交流电压信号。

AD698通过内部的正弦波振荡器和功率放大器来驱动LVDT，输出频率在20Hz～20kHz可调，幅值在2V～24V可调，总谐波失真的典型值为50dB。

再通过两个同步解调将初级线圈信号B和次级线圈信号A送入AD698，计算B和A的比率。这种方式同时消除了激励源的漂移对测量结果的影响。

由于LVDT处于零位时，A通道可能为0V，所以A通道解调器有B通道触发。同时通过一个相位补偿网络给A通道增加一个相位超前或滞后量，用于补偿LVDT初级对次级的相位偏移。

A、B两个通道信号被解调和滤波后，通过除法电路计算比率A/B。除法器输出的是占空比为A/B的矩形波形，通过500μA的恒流源转换为电压值。传递函数为：

VOUT=IREF×■×R2

AD698的电路应用如图3所示。

三维测量篇2

[摘要]目的：通过对下颌角肥大女性人群颅面结构进行三维测量，发现下颌角肥大人群与正常人群颅面结构的差异。方法：对102例在中国医学科学院整形外科医院颅颌面中心行下颌角截骨整形的患者做三维CT检查，并对其颅面结构进行三维立体测量。结果：通过测量取得下颌角肥大女性群体颅面结构的三维数据，通过与文献中正常人群测量数据比较发现下颌角肥大与正常人群颅面结构的差异．结论：下颌角肥大女性群体颅面三维结构与正常女性人群存在明显差异。

[关键词]下颌角肥大；三维测量；颅面骨；螺旋CT

[中图分类号]R782　[文献标识码]A　[文章编号]1008―6455(2007)01―0070－04

东方民族传统上以鹅卵形或瓜子形面部轮廓为美，近年来，随着以美容为目的的面部骨骼外形重塑手术的广泛开展，下颌角肥大缩小整形术开展得越来越多。目前对于下颌角肥大的诊断尚无客观而准确的定义，临床上多凭借术者经验和患者要求决定是否对患者进行下颌角截骨整形术。我们通过三维CT扫描对下颌角肥大人群的下颌角角度、角区最大宽度、下颌升支长度及下颌体部长度等指标进行三维测量，与正常人群三维测量结果比较，研究下颌角肥大女性人群与正常人群在颅面结构上的差异，对下颌角肥大这种畸形做出明确诊断，进一步对下颌角肥大进行形态分类，指导手术治疗。

1　实验对象和方法

1．1研究对象：随机选取102例在中国医学科学院整形外科医院颅颌面中心行双侧下颌角截骨整形手术的女性患者，平均年龄29．8(18～42)岁。采用GE lightspeed plus 4层螺旋CT机进行头颅冠状扫描，受测者均在牙尖交错位。扫描参数：层厚1．25mm，螺距比为1．5：1，球管电流180mA，电压120kV,矩阵512×512，重建薄层厚度0．65mm。扫描后的数据传输到SUN AW4．0图像工作站，在此进行下颌骨影像三维重建，对所有患者的下颌骨及颅面结构进行三维测量，为保证实验结果的准确性，所有测量工作均由一人在同一工作站完成。

1．2定点及测量方法：利用重建的三维图像可以随意旋转和切割的优点，把三维图像、轴位图像、冠状位图像和矢状位图像相结合，精确标定鼻根点(N)、蝶鞍点(S)、颅底点(Ba)、前鼻棘点(ANS)、颧突点(Tp)、颏前点(P0g)、颏顶点(Gn)、颏下点(Me)、下颌角点(GO)、上齿槽座点(A)、下齿槽座点(B)、髁突内点(Cdi)、髁突外点(Cde)、髁突后点(Cdp)、乳突点(Mas)、冠状突点(CO)等测量标志点(见图1)。

线距测量指标包括：不同部位下颌骨宽度(中线、尖牙、颏孔、第七牙、角区、咬合平面、乙状切迹水平)、前颅底长度S-N)、后颅底长度(S-Ba)、全面高(N-Me)、前上面高(N－ANS)、前下面高(ANS-Me)、颧突间距(Tp-Tp)、下颌角间距(Go-Go)、双侧升支长度(Cd-Go)、双侧下颌骨体部长度(Go-Me)、髁突内侧点间距(Cdi-Cdi)、髁突外侧点间距(Cde-Cde)、乳突间距(Mas-Mas)、颏突度(Pog-NB)、面轴长度(S-Gn)、颅底长度(N-Ba)、冠状突颧弓间距和双侧下颌骨曲线长等，软组织测量包括中面部宽度、角区面部宽度、咬肌厚度、咬肌宽度和咬肌长度等指标。

角度测量指标包括：∠SNA、∠SNB、面轴角、∠Go-N-Go、∠Go-Me-Go、∠Cdi-Me-Cdi、∠Cde-Me-Cde、双侧下颌角角度(∠Cdp-Go-Me)、下颌弓角度(仰头位下颌骨体部切线之间夹角，代表下颌体扩展程度)、双侧下颌角外翻角、双侧下颌骨体部与升支交角。

2　结果

将测量结果输入SPSS12．0软件，首先使用Kolomogorov-Smirnov正态分布假设检验，证实所得各项测量指标的计量数据符合正态分布，然后分析各结果的平均值、标准差并分析各测量值的相关性以及各测量值之间比例关系，结果见表1～3。

3　分析

3．1测量原理：随着计算机软件的完善和CT机的发展，出现了螺旋CT和完备的三维成像软件，C7图像质量可靠，通过薄层连续扫描，所得数据传送到计算机工作站，由相应的软件进行三维影像的重建，由于三维图像结构在计算机里是由三维矩阵表达，任一点的三维座标是确定的，这样任意两点在三维空间中的相对位置是恒定的，无论影像怎样旋转或放大、缩小，这种相对位置关系如实地反映了颅面结构的客观位置关系。因此测量不需要再确定定位平面，重建后的颅面骨图像可以在计算机屏幕上作任意角度的旋转，可以显示图像的任何一个侧面，可以测量该三维影像中任何两点间的直线距离，任意二点间的角度，多点间的面积和体积，甚至可以“切除”一部分重建影像而显露深部结构，也可以行肌肉等软组织的重建。

颅面骨三维重建测量是传统X线头影测量的有力补充，它可以把轴位、冠状位、矢状位和三维图像相结合，具有精确定点、多方向、多角度观察、无重叠影像、测量值精确，可以做内部结构测量的优点。对下颌角肥大患者行三维CT检查，可以明确而直观的分析患者颅面形态和结构特征，而且还可以通过调节不同的CT值窗口对软、硬组织进行观察，明确分析引起患者下面部宽大的各种影响因素。

既往有学者曾对正常人群颅面结构进行三维测量，但是关于下颌角肥大女性群体的大样本量三维测量尚未见到有关报导。为了证实三维CT测量的准确性，我们将张海钟对正常人群三维测量结果与杨振军对12例男性、3例女性尸体标本测量所得的结果进行比较，以张海钟测量的女性下颌角间距平均值×3加上男性下颌角间距平均值×12，然后除以15，所得结果为108mm，与杨振军对尸体标本测量所得的下颌角间距平均值相近，这说明头颅三维CT测量与实体标本测量所得结果基本一致，三维CT测量所得结果是真实可靠的。

3．2线距分析及意义：既往有学者曾对国人正常青年女性颅面结构的三维结构进行立体测量，但是在我们所参考的文献中只有测量指标的平均值和标准差，没有给出原始测量数据，我们只能以平均值的大小进行比较，无法进行更进一步的统计学分析。

通过与文献数据比较我们发现下颌角肥大群体在颅面结构上与正常女性之间存在明显的差异，具体表现在下颌角肥大人群的下颌角间距、升支长度和下颌体长度大于正常人群，说明下颌角肥大人群存在明显的下颌骨过度发育现象。在下颌角肥大人群各项三维测量数值的相关性分析中发现下颌角间距与下颌角区骨最大宽度、下颌骨体部曲线长度、全面高、颧骨间距、升支长度、下颌体直线长、颅底长、乳突间距、中面宽、角区面宽、耳垂口角平面面宽、咬肌厚度、下颌弓角度、下颌角外翻角度、下颌体升支交角呈现正相关性，而与双侧下颌角角度呈负相关性。

下颌角肥大人群前上面高(N-ANS)为(52．62±2．89)mm，略大于正常人群，而其前下面高(ANS-Me)为(65．43±4．80)mm，略小于正常人群，但是在前上面高和前下面高比例上，下颌角肥大人群为0．81±0．07，正常人群为0．74，差值明显，说明下颌角肥大人群存在上、下面高比例失调，这可能与部分下颌角肥大患者存在颏部发育不良有关。下颌角肥大人群颏突度的平均值为(1．66+1．77)mm，其95％可信区间为1．30～2．03mm，小于2～5mm的正常参考值范围，而且其变异范围较大，说明下颌角肥大人群中颏部发育不良的发生率较高而且颏形态差异较大。但是下颌角肥大人群前、后颅底长度与正常人群测量值接近，说明下颌角肥大人群的脑颅发育与正常人群相比无明显差异，下颌角肥大人群的脏颅发育与正常人群存在明显的差异。

3．3角度测量及意义：通过与正常人群三维测量结果比较发现，下颌角肥大人群的∠Cdp-Go-Me明显小于正常人群，而∠Go-Me-Go明显大于正常人群，相关性分析结果显示两角度之间存在负相关性，这可能是下颌角肥大患者存在下颌角间距增大和下颌角点向后下方移位所导致。下颌角肥大人群∠GoMeGo增大主要由下颌角间距增大所引起，其数值与下颌角间距呈现正相关性，而∠Cdp-Go-Me变小主要是由于下颌角肥大时下颌角点向后下方移位引起，其数值与角区宽度、下颌角间距、升支长度、中面宽、下面宽、咬肌厚度、咬肌宽度、咬肌长度、下颌角外翻角度等指标呈负相关性。所以这两个角度可以作为下颌角肥大诊断的重要依据。

下颌角肥大人群∠SNA和∠SNB略小于正常人群，∠SNA和∠SNB主要反应上颌骨和下颌骨相对于颅底的位置，∠SNA、∠SNB减小说明上颌、下颌相对于颅底的位置较正常人群偏后，下颌骨在过度发育、下颌角间距增大的同时向后移位，将进一步在视觉上加重下颌角肥大引起的下面部宽大。

3．4下颌角肥大的三维测量诊断标准：目前对下颌角肥大尚缺乏统一的诊断标准，根据张海钟等对正常女性人群的测量结果，对比分析我们的测量结果并结合临床实践，我们提出一个关于下颌角肥大的三维测量诊断标准，以供临床参考：①下颌角间距与全面高比值大于0．8；②下颌角角度小于120°；③∠GoMeGo大于65°；④下颌角间距大于95mm；⑤下颌骨升支长度大于57mm；⑥下颌骨体部长度大于82mm，Ⅶ角区最大宽度大于35mm。将三维测量上具备第一条标准并符合其它任意两条标准者定义为下颌角肥大。

3．5下颌角肥大的分类及于术方案的选择：根据肥大下颌角的形态和我们的临床工作经验将下颌角肥大分类为：Ⅰ类――外翻型：符合下颌角肥大诊断标准，下颌角外翻角度大于0°，手术方案首选下颌角截骨整形术；Ⅱ类――后下突出型：符合下颌角肥大诊断标准并且具备第七条诊断指标，下颌角外翻角度在0°左右，手术方案首选下颌角截骨整形术；Ⅲ类――内收型：符合下颌角肥大诊断标准并且具备第七条诊断指标，下颌角外翻角度小于0°，手术方案首选下颌角截骨整形术或下颌骨外板去除术；Ⅳ类――下颌角肥大伴小颏畸形：符合下颌角肥大的诊断标准同时伴有颏突度不足，根据下颌角外翻角度选择下颌角截骨整形术或下颌骨外板去除术，同时行颏部水平截骨颏成形术或人工合成材料隆颏术；Ⅴ类――下颌角肥大伴有咬肌肥厚：根据下颌角外翻角度选择下颌角截骨整形术或下颌骨外板去除术，术后根据咬肌萎缩情况决定是否需要行咬肌肉毒素注射术；Ⅵ类――轻型：不符合上述诊断标准，下颌角外翻角度为负值，但是患者强烈要求缩窄下面部宽度，排除心理障碍的患者，手术方案首选下颌骨外板去除术。

4　结论

通过测量及比较发现下颌角肥大女性人群与正常女性人群的颅面结构三维测量上存在明显差异，而且下颌角间距、下颌骨体部长度、升支长度、下颌角角度和∠GoMeGo等指标可以作为下颌角肥大的重要诊断指标，并且可以根据三维测量结果指导手术方案的选择。

三维测量篇3

[关键词]工程测量 三维测绘 探究

中图分类号：P271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）15-0111-01

一、前言

工程测量的准确性直接决定着工程的质量，不管对于施工企业来说，还是对于监理方来说，掌握好正确的工程测量方法，有利于工程的进展，而通过探究三维测绘技术则更能对为工程测量带来益处。

二、维测绘技术在测量中的应用

三维测绘就是测量目标的空间三维坐标，确定三维目标的几何形状、空间位置和空间姿态，对目标进行三维重建并尽可能真实地在计算机上再现目标的技术。目前的测绘都是基于2+1维理论而建立起来的测量体系：二维确定目标的平面位置，一维确定目标的高程。

1.三维测绘的现状

三维测绘的需求是迫切的，但其现状并不乐观，发展很不平衡。下面从三维测量仪器说明三维测量技术的现状。三维测量仪器有卫星定位测量系统、全站仪、摄影测量仪器、三维激光扫描仪、激光跟踪仪、关节臂三坐标量测仪。前三种仪器是大家所熟悉的三维测量仪器。

2.卫星定位测量系统

卫星定位系统所获得的点位坐标是地心直角坐标系中的三维坐标，是真正的三维测量系统。其测量精度非常高，双频GPS的点差分测量精度可到亚毫米计。目前有一种错误的做法，将卫星定位的结果转换到大地坐标系，与传统的2+1维测量结果进行比较，其差值肯定很大。原因是二维平面测量受大地水准面不精 确的影响，精度较差。

3.全站仪

全站仪可以同时测量角度和距离，是一个标准的三维测量仪器。但在传统的2+1维测量中，采用水准面作为基准面，使其结果受到大地水准面精度的影响。

4.三维激光扫描仪

三维激光扫描仪是近几年发展起来的一种三维测量仪器，由于其扫描速度快、点位精度高、点密度大，应用普及速度非常快。该仪器不依赖于水准面，不受大地水准面精度的影响。

三、测绘信息三维可视化技术的研究与应用

1.三维可视化技术。三维可视化技术是指在计算机图形学和图像处理基础上，将数据和结果转换为三维图像的技术。房产测绘信息三维可视化技术是三维可视化技术在房产测绘领域的具体应用。这种技术遵循的原则是突出房产要素的同时淡化其他要素。秉承这一原则，房产测绘信息三维可视化技术的重点就放在了房产测绘信息的主体部分，即房产建筑物的三维可视化上。这种技术目前是基于网络地理信息系统，也就是说，在网络地理信息系统的基础上实现房产测绘信息三维可视化。通过这种技术，用户可以通过网络资源掌握自己关心区域内的房产测绘场景。

2.相关技术研究。和房产测绘信息三维可视化技术相关的技术主要有地理信息系统技术、可视化技术、虚拟现实技术和网络地理信息系统技术。地理信息系统技术是能够管理和研究空间数据的技术，在计算机的支持下，可以对空间数据进行各种处理，可以促进数据的有效管理，并能以地图和数据的形式来呈现处理结果。可视化技术是对人脑印象构造的仿真技术，可以将传输过程中的数据转换为图像信息，并能交互式地对数据进行分析。虚拟现实技术是当前计算机图形领域的热点，是三维可视化技术的主要技术来源，在未来也可能会成为地理信息系统三维可视化的核心。网络地理信息系统技术是在网络信息技术不断发展的基础上建立起来的。

四、三维测绘技术的发展趋势

1.21世纪初是实现地图生产为主向，地理信息服务为主的转变阶段，即向信息化测绘发展的阶段。信息化测绘是在网络环境下，充分利用空间技术和信息技术，实现快速灵活地为社会经济提供地理信息综合服务的一种现代化测绘模式，它是继传统测绘和数字化测绘后，测绘发展的一个新阶段。它具有数据获取实时化、数据处理自动化、信息服务网络化、信息应用社会化等特征。在这样的形势下，三维测绘技术正向着高科技和数字化方向发展，其中“3S”技术是现代三维测绘技术的代表。

2.大地测量自采用快速高精度空间定位技术，特别是GPS技术以来，逐步从静态大地测量发展到动态大地测量，作用范围从地球局部区域扩展到全球，研究对象从地球表面几何形态深入到研究地球内部物理结构及其动力学机制，传统大地测量理论和技术将产生重大变革。应用大地测量技术对地壳运动和海平面变化进行精确监测和研究，及时对因环境变化而产生的自然灾害做出精确预报将受到普遍的重视。

3.地理信息系统已在某些专业已经从实验阶段进入了市场推广阶段，即GIS系统已经面向市场，被广泛应用。计算机技术和通讯技术的迅速发展，使GIS向多样化和分布式处理迈进。在侧重信息存储、数据库建立、查询检索、统计分析和自动制图等基本功能的基础上，GIS逐步进入开发分析、评价、预测、决策支持模型以及增加智能化功能的发展阶段。

4.三维可视化技术在房产测量领域的应用

目前，三维可视化技术在各行各业的应用都已逐渐展开，在房产测绘方面也有着重要的应用。三维可视化技术在房产信息的管理、信息的展示和成果的输出等方面都带来了重大的变革。通过三维可视化技术，可以对建筑工程内的房产信息产生立体的了解，信息的展示也更加具体和完整，便于加快工程测量进度，成果的输出也更加方便，能把重点放在测绘的主体部分，给工程测量带来了极大的便利。

5.三维测绘等新型技术在房产建筑工程测量中的应用展望

总体来说，房产建筑工程中的测绘技术由最开始的一维、二维到三维，对信息的获取方式也取得了也从点信息到面信息、从静态到动态、从后期处理到实时处理的巨大进步，同时伴随各种新型测量技术的产生，测量方式将更加高明，测量范围将更加广大，测量精度也将更加细微。

在三维测绘等新型技术的影响下，工程测量技术将在房产建筑领域得到显著发展。未来几年，多传感器集成系统在人工智能方面一定会得到进一步的发展，应用范围将不断扩大，在影像和数据处理方面的技术也会进一步提高；在大型工程建设中，房产建筑工程的信息系统将得到完善，同时与其他学科的优势相结合，实现技术的多边化；基于多种传感器的混合测量系统也将随着技术的不断更新而发展并得到广泛应用，这样在较大的区域内也能实现无人测量和定位工作。

五、三维测绘技术在工程测量中的应用

1.城市规划方面

随着社会经济的不断发展，城市化水平不断提高，对城市发展有了全新的定位和规划。尤其是旧城改造规划方面，工程测量的地位和作用越来越突出，关系着城市的现代化建设，因而，为城市规划和工程规划服务的工程测量，应逐步实现三维测绘，为城市发展建设提供可靠依据。

2.工程设计方面

三维设计是新一代数字化、虚拟化、智能化设计平台的基础，与传统二维设计相比，三维设计使得目标更加立体化、更形象化。在现代工程设计中，三维CAD的软件已逐渐普及，在现状图基础上进行的工程设计，三维测绘须跟进。

3.工程施工方面

在工程施工方面，工程的技术和要求越来越高，工程量及工程复杂性随之增高。若按照传统的施工方法进行施工，则无法满足现代工程的需要，现代工程如鸟巢、水立方等大型建筑物的施工，通常采取立体式吊装式施工，传统逐层施工已经无法满足。

六、结束语

随着我国建筑业的继续发展，新的测量方法将会不断出现，同时也会极大地提升我国建筑业的水平和规模。通过利用三维测绘技术，能够很好地帮助我们进行建筑测量工作，提升效率。

参考文献

[1] 刘永裕，许芹.我国工程测量技术发展现状与发展趋势.中国科学技术，2011，25（19）：115-116.

[2] 刘玉兰、张维意.浅析我国三维测绘技术的发展.测绘技术，2012，55（36）.

[3] 张瑾丰、刘兰芝.GIS技术在三维测绘技术中的应用[J].科技风尚，2011，102（18）：203-204.

[4] 欧峰、沈冬雪.现代测绘技术在我国矿业领域的应用[J].中国矿业.2013（36）.

三维测量篇4

关键词：三维坐标；测量；不确定度

        1 目的

        提供完整的信息对三维坐标测量不确定度进行评定与表示，评价测量结果是否有效、是否可信，判定测量结果的质量。

        2 适用范围

        方法适用于vento-r 601620/2双悬臂地轨测量机的不确定度分析。

        3 三维坐标测量不确定度分析

        3.1 a类标准不确定度分量

        针对被测件长度（800mm）进行的10次等精度测量数据及 计算 平均值、残差、残差平方。

        被测件长度10次测量的平均值x＝799.99225 mm

        残差平方和＝0.000178625 mm2

        自由度n＝n-1＝9, n为测量次数。

        据此可求出对应的估计的标准偏差:

 

         

        对于测量结果来说，我们通常把算术平均值的标准偏差称为a类标准不确定度。而且由于被测量的a类标准不确定度ua按照正态分布，因此                              

        ua＝sa/√n＝ 0.001409 mm

        3.2 b类标准不确定度分量

        3.2.1 测量仪器的不确定度ub1

        由于vento-r 601620/2三坐标测量机双臂测量的精度为：50+28l/1000≤108(μm )，由此得出长度l≤2071.428571 mm

        当被测件的长度为800 mm时，由于其测量的半宽度u′遵循线性分布，因此u′可以由以下比例关系得出：

800/2071.428571＝u′/108即u′＝0.0417 mm

        又由于该项不确定度按矩形分布，则置信因子k＝√3＝1.7321

        其标准不确定度ub1为：ub1＝u′/k＝0.0417/1.7321＝0.0241 mm 

        3.2.2 由温度引起的测量不确定度ub2

        经反复测量比较，在环境温度为20℃附近，温度每增加或减少1度，测量结果就相应增加或减少0.01 mm，在20°±2℃相对恒温的正常测量条件下，由温度引起的测量半宽度为0.04 mm。

        由于该项不确定度也按矩形分布，即置信因子k＝√3 ＝1.7321，则标准不确定度ub2为：ub2=0.04/1.7321＝0.0231 mm

        3.3 合成标准不确定度

        我们可以视合成标准不确定度分布为正态分布，将上述不确定度分量合成，得出合成标准不确定度uc为： uc＝(ua2+ub12+ub22)1/2＝0.03368 mm

        3.4 扩展不确定度                                        

        我们也可以视扩展不确定度分布为正态分布，包含因子k＝2.58，置信概率为99％，则扩展不确定度为：u＝kuc＝0.08689 mm    

        被测件长度最终测量结果可表示为：l＝799.99225±0.08689 mm

        4结 语

        报告的长度是针对被测件长度做10次重复测量的平均值,且充分考虑了三坐标测量机双臂测量的精度对测量结果的影响，估计了由环境温度变化而引起的测量结果的差异，并在此基础上对测量结果作了相应的修正。本分析报告的结果是按照《测量不确定度初学者指南》一文中提及的方法演算所得。

参考 文献 ：

三维测量篇5

[关键词]参考点、扫描测量、三维光学扫描测量系统

中图分类号：TH74 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）18-0374-01

汽车工业是当今世界上最大的制造业之一，随着市场需求的改变，汽车的更新换代速度日趋加快，其设计、制造速度的快慢直接制约着汽车工业的发展，由此而提出的逆向工程在汽车工业中的应用将大大地促进汽车制造业的发展。逆向工程技术可以通过扫描测量获取实物外形坐标点、重建实物的三维数字模型。在此基础上可以方便地进行模型再设计、快速原型制造与快速模具制造等后续工作，从而大大节省研发时间，缩短设计周期。

1、三维光学扫描测量系统工作原理

三维光学扫描测量系统由左右两个高分辨率的工CCD相机和中央光栅投影单元组成，采用结构光测量的方式， 由光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面，左右两个相机进行同步的测量， 利用立体相机测量的原理，可以在1 秒时间内准确获得500万到 800万个高密度的三维数据点；自动识别参考点和自动拼接，将不同位置和角度的测量数据对齐在统一的坐标系，获得完整零件的扫描结果。

2、三维光学扫描测量系统扫描测量汽车工件的前期准备

三维光学扫描测量系统通过每次（第一次除外）自动将扫描的数据进行拼合并统一到同一坐标系下，实现完整的工件三维点云数据。因此，为保证单幅扫描的点云能精度较高地拼合在统一的坐标系中，需要对固定参考点提出一定的要求。

2.1 固定参考点的要求

参考点粘贴于被测工件表面或被测工件周围。粘贴参考点的直径大小要合适，必须保证从斜的透视图中能看到参考点的直径范围内至少包含6～10个像素，以便ATOS系统进行识别。在工件的扫描测量过程中，为保证两个CCD镜头的单幅测量能以较小的拼合偏差合并到统一的坐标系中，两个CCD镜头的单幅照片应至少能看见前面已经标识过的3个固定参考点（第一张照片除外）；若能看见4个或更多已经标识且不在一条线上的参考点时，扫描测量系统的自动拼合精度会更高，建议最好有4个（或更多）公共参考点，这样精度才会高，否则测量后期误差会很大。

3、扫描测量方式

1）工件在扫描测量范围内。这种扫描测量方式可保证在单幅扫描中能清楚地看见已识别的3个及更多的参考点，容易保证拼合精度。

2）工件尺寸比扫描仪扫描测量范围大，又没有使用Tritop相机。采用这种扫描测量方式时，通常被扫描工件比ATOS扫描仪的扫描测量范围大2～3倍，并要求参考点有较好的分布。从被扫描工件的中部开始向两边扫描测量。

3）工件尺寸大，ATOS扫描仪配合Tritop相机使用。首先通过Tritop照相系统获取参考点坐标值：先拍比例尺和参考点；移开比例尺和编码参考点后用ATOS扫描仪单幅扫描。系统能精确地自动将单幅扫描合并到统一坐标系中，测量精度高。

4） 工件自身遮挡，利用单眼扫描。采用这种扫描方式前需要标定，首先打开投射光源，将白色平板放在标准距离上，调整光强扫描白色平板；然后把设备与白色平板靠近些，再调整光强扫描白色平板；最后把设备与白色平板离远些，再调整光强扫描白色平板，计算，完成标定过程。需要特别注意的是两个CCD相机都要完全看到白色平板，否则不能进行单眼扫描。

4、整车测量思路

对于整车应该采用扫描仪配合Tritop相机来测量。结合我公司三位光学扫描测量系统对扫描对象的要求，采用直径为5mm的参考点。

1）根据汽车对称性，选择较好的一侧（一般是左侧）进行完整测量。汽车左侧是结构较复杂的一侧。测量前先定好哪些特征是完全对称，扫描时要特别留意。

2）为了保证填充参考点质量，在粘贴参考点时要注意避开有特征的区域及一些工件的边缘；参考点数量要尽可能多一些，保证在560mm×420mm范围内有6～9个参考点。

3）测量前先选择贴7个（或者>7个）不同长、宽、高位置的参考点，来保证最后测量坐标统一到车身坐标系。

4）测量过程中对于完全对称的，可完整扫描一侧，另一侧按要求扫描；对于有所区别的对称，应该完整扫描不同的地方。

5）测量完，认真检查点云文件的完整性。将测量好的数据进行三角化处理。

5、结束语

三维测量篇6

关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析

中图分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02随着科学技术的不断发展，人们渐渐将对客观事物的认知从平面二维层面转向三维立体方向，测绘工程中的三维激光扫描技术应运而生，实现了测绘过程中对物体三维层面的要求，摆脱了传统测量仪器的局限性，是直接获取所要高精度三维数据、实现可视化的三维重要手段，极大的降低了测量的成本，时间上更节约，使用更方便，而且范围应用的更广，在森林和农业、战场仿真、文物保护、工程测量、变形监测、医学研究等领域都有很大的l展空间。三维激光扫描技术的出现和应用，大大地拓宽了测量的领域，提高了测量的效率，简化了测量的强度，是目前迅猛发展并广泛应用的新技术之一。

1 三维激光扫描技术的原理

三维激光扫描仪含括了多种先进的测量技术，可以在不接触物体的状态下主动对物体进行测量，在获取点云形式之后测量到复杂的地形及物体的表面，由点集成的三维数据，协同多种测距法的作用下计算出每个点的三维坐标，其中经常用到的测距方法有三角测距法、脉冲测距法以及相位测距法。

三维激光扫描系统根据工作原理大致分为以下三类：

（1）径向三维激光扫描仪。运用脉冲测距技术在固定中点顺着视线进行距离测量，测量到的距离可超过100m，每秒可以测得大于1000个点。

（2）相位干涉法扫描系统。通过连续的激光发射波，利用光学干涉原理得到干涉相位的测量方法，此方法适合短距离的测量，测量范围通常不超过50m，每秒钟可以成功测的10000至50000个点。

（3）三角法扫描系统。在获得两条光线信息的基础上，通过立体相机与机构化的光源，建立出立体的投影关系。此方法适合短距离的测量，测量范围在2m以内，每秒可测得100个点。

2 三维激光扫描仪测量误差分析及校检

2.1 三维激光扫描仪测量误差分析

三维激光扫描仪避免不了在测量过程中会产生误差，其中可分为两类分别为系统误差与偶然误差，系统误差可以通过多种方式来削弱，但是偶然误差是随机发生的，没有办法控制只能进行多次的重复来减少发生这样的误差。

2.2 三维激光扫描仪的校检

检测激光扫描仪测量距离的精度，经常用到的方法包括基线比较法和六段解析法。基线比较法的模型是对加常数和乘常数两个参数同时进行解算。而六段解析法消除乘常数相关影响，加常数的检测精度较高，但只能检测加常数。

校检的模型包括以下三类：六段解析模型（1971年由H.R.Schwendener首次提出，也叫做六段全组合法，这种方法不需要标准基线，通过全组合方式就能获得观测数据）；基线比较模型；角度校检模型。

校检的实验测试分为以下几个步骤：实验仪器的准备以及校检场的建立。校检实验在完成测距实验、测角实验、温度环境实验等才能对结果进行分析。

测距精度和测角精度是地面三维激光扫描仪扫描数据精度的两个主要方面，在运用相关的校检模型改正观测量后，其测距与测角精度得到了明显的提高，不同地方的环境因素对激光扫描仪的影响以及目标物体对观测结果的影响还需要我们进一步的研究。

3 三维激光扫描技术在地铁隧道收敛中应用的基本思路

隧道收敛变形中用到的激光扫描技术其关键就是数据的处理，因此下面对数据处理研究进行侧重介绍。其整个过程按照以下的技术路线进行：

3.1 数据的采集

（1）提前准备好导线与水准的测量方案，以激光扫描仪性能、参数和现场环境作为参照设计出扫描站的间距及扫描点的密度，得到一些扫描重叠的点。

（2）按照测量方案对隧道内的导线及水准进行测量，将三维坐标进行传递。传递方式通过标靶进行，测量导线及水准与观测标靶同时进行。

（3）对隧道进行三维激光扫描，同时取得隧道内壁的三维点云数据，以及标靶点云数据。

3.2 数据的预处理

（1）对靶标的三维坐标进行计算：结合导线及水准测量结果，得到靶标的三维坐标。

（2）对点云产生的三维坐标数据进行归算：建立统一的三维坐标系，将各个标靶的三维点云数据归算到一起。

（3）将数据中的噪音除去：根据隧道设计数据，除去隧道中的噪音数据。

（4）将比较重要的管壁点云数据提取出来：关闭的点云数据密度并不均匀，可能是因为扫描的角度和扫描的距离造成的，我们在进行下一步数据处理之前，需要去掉那些点云密度大的范围中一些可能多余的数据点，然后在根据一定的密度将某些点云数据提取出来，这样可以大大提高进一步数据处理的速度。

3.3 三维模型的建立

以预处理之后的点云数据为参考生成地铁隧道内壁的三维模型。

3.4 成果的输出

（1）根据地铁隧道收敛变形测量要求，对指定管片（或每个管片、或一定间隔的管片）截取三维模型断面，对断面数据进行高次样条（多项式）曲线拟合，将其与设计的断面理论值进行比较，计算出管片一周的变化量曲线，将其中的特征点进行输出，例如形变最小的的上、下、左、右或者是等角度处（如每隔10°）变形量的差值。（2）将包括每管片一周的收敛变形报告输出。

3.5 成果的管理

三维激光扫描的成果管理最主要的形式之一就是建立数据库，这样不仅能对较大量的断面数据、多次测量结果进行有效的管理，还能够大大地提高成果管理的效率。将每个管片测量成果进行数据库管理，并达到成果的浏览与分析效果。其主要的目的有以下几点：

（1）该数据库可以用于浏览每个管片断面的变化量曲线及变形量差值。

（2）该数据库中的测量成果可以通过地铁隧道中轴线方向的变形影响整个趋势，因此用来找到其他变形量大的区段。

（3）该数据库可以建立历史数据，帮助解决今后同一区段的变形趋势的问题。

（4）可以根据变形的限值，建立分析预警的模型。

4 三维激光扫描技术在隧道收敛测量中的优势

4.1 传统收敛测量方法的难点

隧道在发生形变之后，我们很难判断其是相对形变还是绝对形变，所谓绝对形变是隧道环片相对于设计或者施工时各环片的绝对变化位移，这种情况是很难测定的；二相对形变是隧道的钢体结构相对于设计或者施工初期的相对变化位移，我们所介绍的隧道收敛变形测量指的就是测定隧道的相对形变量，来进一步判断隧道形变的程度。

隧道收敛测量中经常用到布设传感器和使用全站仪测量收敛的方法，传感器测量隧道收敛方法虽然精度较高，但是常常受到环境的影响，尤其是在环境光源比较暗的情况下，所测量的到的结果精度不够，而且自动化程度不高。传统收敛测量的方法利用布设导线进行坐标的传递，通常在一圈管片上均匀设置若干个观测点，在通过全站仪对各点进行观测后获得的数据总结起来进行隧道的变形分析，传统方法有许多难点进行克服，主要表现在以下几个方面：

（1）传统方法在布点以及测量上无法保证各点严格地在同一条直线、共面，所以无法确定所测上下行线监测环在同一三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用

高元勇1，2 崔龙1

（1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐 830052；2.新疆疆海测绘院，新疆乌鲁木齐 830002）

摘 要：三维激光扫描技术是一种高精度立体全自动的扫描技术，可以快速、有效、准确地获取三维空间信息，全天候对任意物体进行扫描并获取高精度的物体表面点三维信息及反射率信息。随着该项技术的成熟发展，三维激光扫描技术已在变形监测、建立地面模型等方面得到了广泛应用，本文将对三维激光扫描仪测量误差分析以及三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用进行系统综述。

关键词：三维激光扫描；隧道收敛；误差分析

中D分类号：U456.3；P234.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）03-0118-02横断面上。

（2）传统方法效率较低、成本较高，并且不能保证每个管片都能观测的到。

（3）传统的收敛测量不能全方位的反映出隧道形变。

（4）传统的方法对成果的分析较难，测量过程中涉及到的不可控环节较多，所测得的结果精度大幅降低。传统方法不能进行大规模数据采集，更不能够第一时间获得成果上的指导。因此我们一定要采取发现新的测量技术。

4.2 三维激光扫描技术的应用特点

三维激光扫描技术之所以被称为“实景拷贝技术”，是因为它可获取任何复杂的现场环境及空间目标的三维立体信息，还能够快速重构目标的三维模型及线、面、体、空间等各种带有三维坐标的数据，从而再现客观事物真实的形态特性。

（1）在现代工程建筑领域，快速准确获取建筑三维数据，不但极大程度上丰富了三维数据展示的效果，由于其每个点都有三维坐标，可提供可量测的画面数据，为建筑工程的检测与分析提供新的手段；

（2）其非接触的数据获取方式可以有效地减少传统操作中不必要的破坏和损伤，为检测保护与维护施工提供准确、科学的数据，发挥高新技术的积极作用；该技术可以支撑一个快速、高效、节约成本的解决方案。

（3）三维扫描技术采集隧道点云数据，对点云数据快速分割生成切片，针对切片中的散乱点提出了一种多点坐标平差计算圆心方法拟合切片圆心，对拟合的圆环与设计值进行比较，分析变化情况。本文系统地提出了基于三维激光扫描的隧道点云的收敛变形分析方法，对三维扫描技术在隧道中的应用有一定的意义。

4.3 扫描的数据用于断面测量还将会在以下两个方面得到更好的发展和应用

（1）3D建模。根据预处理后的点云数据生成地铁隧道内壁（包括隧道内目前已有的附属设施）三维模型，为今后的隧道维护恢复提供相对原始的数据资料。

（2）轴线变化和趋势预测。将轴线与设计值的三维关系进行比对，在测量标志球位置真实的三维坐标后，拟合得到的隧道轴线就相当于真实的轴线，进而可以对隧道轴线整体变化的情况趋势进行预测。

5 结论与展望

三维激光扫描技术是一种高效、便捷、节约成本的技术，高于常规测量的收敛精度，能够为隧道收敛测量提供准确、科学的依据。本文在介绍三维激光扫描仪原理、误差产生及仪器校检的基础上，对三维激光扫描仪在隧道收敛测量中的应用及优势进行了详细阐述。应用三维激光扫描技术在隧道的收敛方面，在保证扫描距离及点云密度的条件下，数据结果一般就能满足隧道收敛的要求，而且该技术可以快速、完整的采集隧道内部的表面数据，提高了数据采集的速度及数据处理的效率，尤其是在隧道运营时间间断不能过长的情况下，采用三维激光扫描技术快速实现作业目标。

参考文献

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[4]徐源强，高井祥，王坚.三维激光扫描技术[J].测绘信息与工程，2010，35（4）：5-6.

[5]刘绍堂，潘国荣.基于激光扫描的隧道变形监测的误差来源及变形分析[J].铁道工程学报，2013（5）：69-74.

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[8]张元智，胡广洋，刘玉彤，王庆洲.基于工程应用的3维继光扫描系统[J].测绘通报，2002（1）.

[9]郑德华，沈云中，刘春.三维激光扫描仪及其测量误差影响因素分析[J].测绘工程，2005（2）.

三维测量篇7

【Abstract】In the process of the construction of digital city， 3D spatial data has been widely used in overall planning of the city ，municipal construction and city traffic. Based on this， this paper firstly introduces construct methods commonly used of three-dimensional modeling， then taking a digital city construction project as an example ， studies the 3D modeling based on the digital photogrammetry.

【关键词】数字摄影测量技术；三维建模；数字城市

【Keywords】digital photogrammetry； 3D modeling； digital city

【中图分类号】P232 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0185-02

1 引言

城市化进程的加快促进了数字城市的建设与发展，人们逐渐加强对三维建模精确性与实效性的重视。三维建模为数字城市建设提供科学的数据基础，具有很强的直观性。

2 三维建模的构建方式

作为建设数字城市三维地理信息系统的关键，保证三维模型具有良好的精度，并且提高建模效率对于三维地理信息系统作用的发挥、保证建设周期具有重要意义。通常使用的建模方式包括如下几种。

2.1 航空摄影测量

使用该技术，能够创建立体环境，实现三维模型数据的位置、高度、形状信息的快速与准确获取。然后结合外业纹理采集与正射影响屋顶信息能够进行精细三维模型的构建。完善的DEM与DOM数据生产技术路线能够进行三维场景中地形数据的快速与准确重建，将城市风貌展现出来。

2.2 机载激光雷达扫描

使用该方式能够实现城市建筑与地表模型的快速获取，但是获取到的数据量具有一定的规模性，提升了数据的处理难度，需要采取相对麻烦的人工措施才能将其中有益的信息提取出来。另外，该种方式的三维建模中不能将建筑物色彩与纹理呈现出来。[1]

2.3 使用二维资料

立足于建筑规划的图纸，提取其中的二维资料，使用合适的软件如AutoCAD等进行三维模型数据的建立。该种方式进行数据收集时需要进行大量工作，并且不能保证数据具有时效性。另外，针对建筑物顶部存在的纹理盲区，也需要进行大量工作才能获取高程数据。与机载激光雷达扫描方式一样，不能将建筑物色彩与纹理呈现出来。

3 基于数字摄影测量技术的三维建模

3.1 基于数字摄影测量技术的三维建模优势

获取、处理与分发数据均为数字形式，并且能够通过计算机实现摄影测量中全部流程；数字摄影测量技术能够帮助设计人员进行目标建筑物的几何空间与高程数据的快速构建，并且精度高、快速成像；地面建筑能够实现达到cm级别的空间几何精度，降低数据更新的难度，能够在规模较大的工程项目中应用，能够为建设数字城市与地球建立基础的数据框架；相较于使用计算机制作动画与景观模拟，基于数字摄影测量技术的三维建模能够在目标建筑物具有的实际地理坐标下进行真实三维景观模型的构建[2]。在该种模型中，建筑物中各元素之间的空间相对位置与实际情况是一一对应的，并且能够对其中的任意点测量三维坐标，能够达到测绘要求的精度级别。

3.2 基于数字摄影测量技术的三维建模方式

论文将某数字城市的三维建模方式作为实际进行分析，该城市基于数字摄影测量技术的三维建模技术线路如图1所示。

3.2.1 航空摄影测量

论文所举的项目实例中使用DMC进行航空摄影，能够取得相关影像资料，与实地比例为1∶5000，地面的分辨率为0.06m。使用航天远景技术中的软件对获取的影像资料、外业像控资料进行空三加密处理，从而获取三维建模中需要的外方位元素c加密点的具体坐标。

3.2.2 DEM的建立

DEM即为数字高程模型，是进行数字城市建设中不可或缺的信息之一。在该项目中使用航天远景技术中的相关软件在经过空三加密的数据基础上进行立体模型的自动生成，并对相对与绝对定向精度进行检查，生成5m格网的数字高程模型文件。按照作业指导手册上相关规定在匹配窗口中编辑等视差曲线或者等高线，保证其中全部曲线与地面相贴紧，最后能够生成数字高程模型，并检查、处理其接边。

3.2.3 DOM的生成

DOM即为数字正射影像图。数字摄影测量技术能够纠正、镶嵌与裁切正射影像。将数字高程模型与数字正射影像图进行叠加，能够得出数字三维景观。在该项目中，先对数字高程模型进行接边处理，然后对其进行纠正，再使用航天远景技术进行进一步的处理，再进行裁切。

3.2.4 TDOM的生产

TDOM即为真正射影像图，属于DOM中的一种。相较于普通的数字正射影像产品，在三维建模中使用的全部背景图纠正了所有建筑物的中心投影，避免出现投影差。使用数字摄影测量技术，能够实现立体环境下几何特征的收集。在进行三维建模背景图的制作中将摄影测量系统采集的关于建筑物的矢量数据作为数学基础，通过该数据再次对正射影像的数据进行纠正，能够将建筑物投影差消除[3]。

3.2.5城市真实三维景观模型的构建

制作基础模型。将建筑物的分类标准作为标准，采集平面几何与高程数据，精度要求为平面几何位置小于50cm，高程精度小于80cm。然后使用合适的软件进行三维模型的生成；提取屋顶纹理。按照相关要求处理原始影像后，在功能合适的软件帮助下匹配影像与基础模型，保证精度的合格，然后软件能够对屋顶的纹理进行自动提取；采集外业纹理。按照相关规范要求，对一定范围中全部的外业纹理进行采集。使用相机对所有建筑物的外部轮廓进行记录；制作三维模型。在该项目的信息系统中，将三维模型分为地形、建筑、道路、植被、市政基础设施等模型类型，从精度上分为精细与标准两种级别的模型。在该项目中三维建模规模很大，要求建模具有较高的效率与质量较好的数据；整合城市的三维场景。使用相关工具软件，优化与DOM、DEM与精细场景，能够进行城市三维场景的整合[4]。

4 结语

论文通过使用项目实例对基于数字摄影测量技术的三维建模进行研究，证明该种建模方式具有很强的优势。在使用该种技术的过程中，仍然存在很多亟待解决的问题，需要行业中人员进行持续探索。

【参考文献】

【1】赵丽梅.基于数字摄影测量技术的三维建模方法探讨――以数字沈阳三维建模为例[J].中国高新技术企业，2015（2）：19-20.

【2】黄榕，林涔涔，武佳，等.基于摄影测量技术的三维仿真模型建模方法研究[J].福建建筑，2016（10）：107-109.

【3】沈文慧，宝力杰，姚姝娟.数字摄影测量技术在三维建模中的应用[J].西部资源，2015（2）：111-115.

三维测量篇8

关键词：Cyra；Cyclone；三维激光扫描；点云；林业测量

Abstract: The 3D laser scanner used in forest survey, field data collection of forest tree species, 3D point cloud data was obtained. Aiming at the shortage of 3D scanner software, structural theory of three times based on spline function, using advanced programming language to realize the calculation of crown volume and surface area, volume, crown diameter, crown of height, crown length, diameter at breast height, diameter, arbitrary forestry measurement parameter is effective measure, to overcome the limitations of conventional forestry survey, improve the efficiency of forest survey, has important reference significance to forestry measurement.

Key words: Cyra; Cyclone; 3D laser scanning; point cloud; forestry survey

中图分类号：TP731文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

0 引言

在林业测量方面，我国通常沿用传统的测量手段，用卷尺等测量树干直径等测树参数，在树很高时，还需要攀树或是将树伐倒才能进行测量，这是一种破坏性较大、静态的测定方法，其精度和工作效率较低。近年来，一些学者提出精准林业的概念，其核心是对森林的生长实现精准（高精度）的计测和监测。随着3S技术的发展，出现了一些新的测绘仪器，如视频超站仪等，已经应用于小范围林业测量和森林监测。目前，我国对于森林的监测主要应用遥感和常规测量仪器段。某些指标的精准测量，如树高、任一处树干直径等还没有得到解决，有待进一步研究。本文探索Cyra三维激光扫描系统在林业测量中的应用，对三维点云数据进行处理，取得了一些初步成果，供广大林业和测量科技工作者参考。

1 Cyra三维激光扫描系统

Cyra三维激光扫描系统主要由Cyrax三维激光扫描仪和Cyclone 扫描软件组成。其工作流程为：测站设计、扫描、目标球或贴片中心的获取、坐标配准和三维建模。

本文主要研究Cyra三维激光扫描系统在林业上的应用，技术路线如下：设站、分站扫描树；点云匹配、剔除干扰点；计算树高、树干直径和树冠冠长、冠幅、冠下径等参数；计算树干体积、树冠体积与表面积。

2 林业测量数据采集

由于绝大数选择的标准树较高，给实际扫描带来了困难，经过反复研究实验，采用了用目标球与贴片（目标球与贴片相当于控制点）配合使用，在树不高时可以采用目标球。在架设目标球时，应该注意使目标球不在一条直线上，应该形成三角形或者多边形，这样匹配的误差不会太大。贴片的架设与目标球的架设方法相似。贴片要尽量位于同一平面,这样可以使倾斜扫描仪时扫描的高度大一些，在以后数据处理时也容易在点云中找到贴片的位置。在架设贴片时,应该在预先设定好的测站上观察好贴片的位置，应该能使每个测站都能看清贴片，这一点非常重要，否则可能使前几站的扫描作废。

经过一个月的外业测量，在甘肃省小陇山某林场的42块样地中共扫描锐齿栎、油松、落叶松、红桦、华山松、栓皮栎、辽东栎、云杉等树种102棵。经过分析处理扫描数据发现，经过点云匹配后的最大误差为9mm，完全满足林业测量参数的精度要求。

3 点云数据的处理

在Cyclone软件中，可以直接在扫描点云图上量取树干直径等参数，而Cyclone软件不能直接计算树干体积及树冠体积与表面积，本文采用编制程序来计算。

3.1 测量树高、冠长、冠下高、冠下径、胸径、任意处直径

以径阶为20cm的油松为例，如图1所示，为经过两站扫描，利用控制点的强制符合，也就是点云数据的匹配，匹配的误差为3mm，满足精准林业测量的要求。

经过匹配的点云有很多干扰点，在对照草图的基础上剔除干扰点，得到径阶为20cm的油松。得到的点云图为仪器本身坐标系，需要转化为用户坐标系。转化的方法为：应用Cyclone软件中的选图模式在点云图上沿着树干选择三个点，然后建立用户坐标系，并且保存。

图1径阶为20cm的油松点云图 图2加入参考平面的油松点云图

要进行胸径、任意处直径、树高、冠长、冠幅、冠下高及冠下径等数据的测量需要建立参考平面，参考平面为与树干相切的平面，它的原点为用户坐标系的原点，长度可以根据树高来设定，如图2所示，参考平面的长度设定为12m。在参考平面上沿着树干绘制三维多断线，根据树高设置向上的距离。测量结果可以以文本文件输出或是显示在模型空间中，测量成果图如图3所示。

图3径阶为20cm的油松测量成果图

3.2 计算树干材积

3.2.1树干材积的数学模型

树干材积的计算可采用区分求积的方法，如图4所示。将树木根部到胸径处作为一段，材积按圆台体积公式计算；胸径(地面上1.3m处)以上按每2m或1m一段进行分段，体积按圆台体积公式计算，具体按多少长度进行分段视具体情况而定；不足2m或1m长的末端作为一段，体积按圆锥体体积公式计算。

图4区分求积法

由此得到树木材积的计算公式为：

3.2.2树干材积的数据处理与实现

以径阶为14cm的锐齿栎为例，树高和直径已经在扫描的点云上直接量取，记入文本文件。首先单击“打开文件”，输入树高和直径数据，树干的示意图显示在窗体左侧，树高和直径数据显示在窗体右侧，其中也显示了梢头数据，然后单击“树干的体积”，树干的体积等数据显示在窗体右侧，如图5所示。

图5树干材积结果显示界面

3.3 计算树冠体积与表面积

3.3.1树冠体积与表面积数学模型

本文把树冠看成小圆台组成的立体，求出每个小圆台的体积和表面积，然后对它们求和，就可以计算出整个树冠的体积和表面积。