三维测量范文

三维测量范文第1篇

关键词：光学三维测量；三维激光扫描；面结构光

光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。

1 光学三维测量的分类

图1 光学三维测量技术分类图

光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。以下介绍几种常见的光学三维测量方法。

图2 三维激光扫描工作原理图

三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。三维激光扫描仪包括发射器和接收器。发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。

双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。此过程与人眼的立体视觉原理相类似[2]。

面结构光系统由投影仪和数码相机组成。投影仪将明暗相间光栅条纹投影到待测物体上。物体高度的变化引起光栅条纹的形变。条纹形变可认为是载波信号相位和振幅被空间物体调制。数码相机拍摄调制后的图像，对其进行解调制，获得物体的整个高度信息值，依照三角法原理，形成物体的三维立体影像[3]。

2 光学三维测量的应用

光学三维测量技术具有诸多优势，如非接触式测量、高精确度、快速获得结果等。光学三维测量技术主要应用在虚拟现实、逆向工程、医学工程等领域。

2.1 虚拟现实

利用光学三维测量技术对实物外形进行三维形貌扫描，经过三维建模软件处理，在计算机内生成人物、场景的三维模型。由三维模型生成人物动作，实现动画制作，满足电脑游戏、CG特效等场合需要。

2.2 逆向工程

逆向工程是利用光学三维测量设备获取物体表面上所有点的三维立体坐标，根据坐标点信息利用三维设计软件进行实物模型重建的过程。逆向工程获得的模型被用于改进、完善原有的产品，被广泛地应用到磨具开发、汽车制造等领域，是现代产品快速开发的重要技术手段。

2.3 生物、医学工程

运用光学三维测量技术获得人体骨骼、肌肉的数据用于人体工程学研究。例如根据人体相关三维数据，制作出符合人体生理结构的防护头盔、防护服等。三维光学测量技术还可以测量伤口的尺寸、分析人的面部结构、设计牙齿矫形手术等。

参考文献

[1]潘建刚.基于激光扫描数据的三维重建关键技术研究[D].北京：首都师范大学，2005.

[2]隋婧，金伟其.双目立体视觉技术的实现及其进展[J].电子技术应用，2004，30（10）：4-7.

[3]宋万忠，苏显渝.基于结构光投影的三维物体识别[J].光电子・激光，1999，10（1）：59-62.

三维测量范文第2篇

【关键词】光学、三维测量技术、应用

一、前言

自从改革开放以来，我国的经济和科学技术在不断的发展，光学三维测量技术由于具有非接触、快速测量以及精度高的优点，所以在机械、汽车、航空航天以及服装等领域得到了广泛的应用，同时光学三维测量数据通过简单的处理就可以使用了，无需复杂的数据后处，这样就给各个领域的实际工作带来了很大的方便。此外，光学三维测量技术是可视化的高新技术，可以用于对物体空间外形和结构进行扫描，这样就可以得到物体的三维轮廓，从而获得物体表面点的三维空间坐标。

二、三维测量技术

三维测量技术是获取物体表面各点空间坐标的技术，主要包括接触式和非接触式测量两大类。

1、接触式测量

物体三维接触式测量的典型代表是三坐标测量机。它以精密机械为基础，综合应用电子、计算机、光学和数控等先进技术，能对三维复杂工件的尺寸、形状和相对位置进行高精度的测量。三坐标测量机作为现代大型精密、综合测量仪器，有其显著的优点，包括：灵活性强，可实现空间坐标点测量，方便地测量各种零件的三维轮廓尺寸及位置参数；测量精度高且可靠；可方便地进行数字运算与程序控制，有很高的智能化程度。缺点是测量速度慢，对环境要求较高。

2、非接触测量法

非接触式三维测量不需要与待测物体接触 ，可以远距离非破坏性地对待测物体进行测量。常用的非接触式三维测量波谱：微波适合于大尺度三维测量领域，采用三角测量原理或者利用飞行时间法获取物体的三维信息。由于微波波长较长，衍射形成的爱里斑半径较大，角度分辨率低，不能满足工业制造技术的要求，常用于航空航天领域。超声波受到波长的限制，分辨率也不高 ，但由于可以穿透介质，可以实现零件材料内部的三维无损检测探伤，在工业检测领域得到广泛的应用，但由于需要耦合介质，限制超声探伤的应用范围。与微波和超声波相比，光波波长短，在300nm（紫外）到 3um （红外）范围内的光学三维传感器的角度分辨率和深度分辨率 比微波和超声波高10到10数量级，主要通过三角法或者飞行时间法获得物体的深度信息，在三维测量领域运用的最多。

三、常用的光学三维测量基本原理

常用的光学三维测量基本原理有3种：飞行时间法、干涉法和三角法。

飞行时间法：飞行时间法是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，一般采用激光 ，通过测量光波的飞行时间来获得距离信息 ，结合附加的扫描装置使光脉冲扫描整个待测对象就可以得到三维数据 。飞行时间法 以对信号检测的时间分辨率来换取距离测量精度，要得到高的测量精度，测量系统必须要有极高的时间分辨率，常用于大尺度远距离的测量。

干涉法 ：干涉测量是将一束相干光通过分光系统分成测量光和参考光，利用测量光波与参考光波的相干叠加来确定两束光之间的相位差，从而获得物体表面的深度信息。这种方法测量精度高，但测量范围受到光波波长的限制，只能测量微观表面的形貌和微小位移，不适于大尺度物体的检测。

光学三角测量法：光学三角法是最常用的一种光学三维测量技术，以传统的三角测量为基础 ，通过待测点相对于光学基准线偏移产生的角度变化计算该点的深度信息。根据具体照明方式的不同，光学三角法可分为两大类：被动三角法和基于结构光的主动三角法。双目视觉是典型的被动三维测量技术，它的优点在于其适应性强，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息，缺点是需要大量的相关匹配运算以及较为复杂的空间几何参数的校准等问题，测量精度低，计算量较大，不适于精密计量，常用于三维目标的识别、理解以及位形分析等场合，在航空领域应用较多。

四、光学三维测量技术应用

光学三维形状测量技术的应用范围很广，从传统的制造业到新兴的三维动画产业和虚拟现实领域等。限于篇幅，下面仅对三维激光扫描技术在航空航天方面的应用作简单介绍。

1、服装制作

传统的服装制作都是按照标准尺寸批量生产的。随着生活水平的提高 ，人们开始越来越多地追求个性化服装设计，量体裁衣。三维扫描仪可以快速地 测得人体的外形尺寸 ，获得其立体彩 色模型，把这些数据与服装 CAD技术结合 ，可以在计算机中的数字化人体模型上，按每个人的具体尺寸进行服装设计 ，设计 出最合适的服装，并可以直接在计算机上观看最终的着装效果。整个过程速度快、效果好。美国Armstrong实验室将Cyberware的三维扫描仪用于为高级战斗机飞行员设计服装。

2、航天飞机外形检测

为航天器发射安全，美国特制定防止发射时热防护系统被破坏的研究计划。发现者号携带一种新的外部检测系统，该系统能检测出宇航飞机外壳热防护面小于毫米尺寸的破坏点。这种外部检测系统是由加拿大Neptec公司研制的三维激光扫描仪，它采用 1500nm 的激光，不受光照条件变化的影响，工作不受昼夜限制。

3、地形地貌测量

航空三维激光扫描技术可以用于地面的航空遥感定位和影像获取，还可实时得到地表大范围内目标点的三维坐标 ，同时，它也是 目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。迄今为止，航空三维激光扫描技术主要用于：测制带状目标图如道路、铙路线、管道及水道附近的地貌；测制输电线和电线杆图；生成林区 DTM ；海岸区测图，包括沙丘和潮湿洼地，还可监测海岸变化及漫蚀情况；高精度及高测量密度的测图应用，如洪涝区测图，生成矿物采区 DTM 和开采立方计算及道路建模；生成市区DTM和DSM，自动提取建筑物；生成无线电远程通信中继线位置设计的3D城市模型和城市规划；自然灾害监测，如台风、地震和滑坡；测制冰雪覆盖图，包括冰川监测、湿地测量 ；推算植被参数，如树高、树冠直径、树木密度，估算生物量及森林边界测定；测量水深。此外，ALS还可用于陆地景观设计、电影三维模型生成、视频和计算机游戏的生产、计算机动画、建筑物和工程项目设计、3D模型模拟、可视化、植被生态监测及雪崩危害估测等。

五、结束语

综上所述，本文主要对光学三维测量技术与应用进行了探究和分析，由于光学三维测量技术的主要特点是实时性、主动性、适应性好，并且不需要和被测物体接触，这样就可以在比较复杂的环境下应用，同时具有很多传统摄影测量方法不能取代的优越性，这样在很多领域就得到了更加深入和广泛的应用。从目前的形势来看，我国在这方面的技术比较薄弱，而国外成熟产品只能用于民用，因此，我国可以借鉴国外的先进技术进行开发研究，研发出适合我国的光学三维测量技术，这样就可以促进我国科技的进步，从而保证国家的经济建设和国防建设。

参考文献：

[1]郑团结，缪剑等.基于机载三维激光扫描的实时一体化摄影测量及数据处理，测绘科学，2007，32（1）：64～66

[2] 曹剑清；数字摄影测量[M]；武汉；武汉测绘科技大学出版社；2009：34-35.

三维测量范文第3篇

[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

三维测量范文第4篇

关键词：三维放样测量；断面测量；技术问题；方法和措施

1.概述

水电工程施工测量工作量大，特别是在开挖施工阶段，既要进行开挖轮廓放样测量，又要进行断面计量测量，且该阶段往往设计变更较多，更增加了测量的工作量。现在土石方施工的机械化程度越来越高，施工速度越来越快，要求测量工作快速准确，并且能很快地提供测量成果，而传统的测量方法已很难满足这样的要求，本文介绍的测量方法已在实际施工中得以成功应用，对解决以上问题很有借鉴作用。

2.直线段边坡开挖线的放样

2.1存在问题

在土石方开挖工程中，有很大一部分的开挖轮廓都是直线，设计图纸一般都给出了开挖边坡坡比，以及某一高程面上距中轴线的宽度。在施工中有的测量人员不懂得如何进行这种情况下的测量方法，要么只考虑了宽度而忽略了坡度，或者只考虑了坡度而忽略了宽度，按这种放样数据进行施工，必然难以满足设计要求，最后的结果将是返工，给施工方造成重大的经济损失。

2.2解决问题的方法

对这种直线段既带边坡又带距中轴线的宽度的放样测量，实际只需将各控制点的测图坐标换算成需放样的以中轴线为纵轴、垂直于该直线的线为横轴的坐标系下的施工坐标即可。因为设计给出的数据都是相对数据，所以根据三维测量坐标数据，在实际工程测量放样中，将测量仪器安置在任意控制点上，按公式（1）、（2）计算来控制放样的开挖边线位置，不论什么情况都不会发生问题。

该点距中轴线的理论宽度：

D=（H-H0）m+a （1）

该点距中轴线的实测值与理论值之差：

d=E±D （2）

（2）式中的“+”、“-”号视点的位置而定，测点在中轴线左侧取“-”号，在右侧时取“+”号。式中各符号的意义：D为该点距中轴线的理论宽度；H为该点的实测高程；H0为该点建基面上高程（由设计给出）；m为该点设计坡比； a为该点设计底部宽度；d为该点距中轴线实测宽度与理论宽度之差；E为该点处距中轴线的实测宽度。

在实际放样中，只需按（2）式控制，由测站人员指挥立尺（镜）人在垂直于中轴线上移动，直到D=E为止，则该点的位置就是既满足设计坡比要求又满足设计底宽要求的开挖边线位置，或在某一允许值范围内。

3.曲线段边坡开挖的放样

3.1存在问题

对曲线的放样，在很多书籍、文献中都有介绍，但这些都是基于平面问题的施工放样，在实际施工中，特别是水利水电工程，点与点高差可在几十上百米之间，放样不可能是平面，大部分是要基于三维坐标问题考虑放样方法。

3.2解决问题的方法

在开挖平面图中，曲线段与直线段一样，设计都给出了相应的参数，如曲线的圆心坐标（x0，y0）、圆心角（θ）、半径（R）等，在某一成型高程面的半径大部分需要测量人员自己解析出来。与直线段相类似，首先将各控制点、曲线圆心点、拐点（曲线段与直线段结合点）测图坐标（xi，yi）换算为施工坐标（xi″，yi″），在放样测量前先在室内计算好除圆心外各拐点的桩号和偏轴距（当曲线的放样边缘线是与中轴线平行的则只需计算偏轴距，放样边缘线是垂直中轴线的则只需计算桩号，究竟是平行还是垂直中轴线从开挖平面图中就可能确定）等曲线放样范围数据。在实际工程测量放样中，将测量仪器安置在任意控制点上，按公式（3）、（4）、（5）计算来控制曲线段放样边线位置，非常方便。

该点距曲线圆心的理论半径值：

R=（H- H0）m+r （3）

该点距曲线圆心的实测半径值：

（4）

该点距中轴线的实测值与理论值之差：

r= R-R （5）

式中R为该点距曲线圆心的理论半径；R为该点距曲线圆心的实测半径；H为该点的实测高程；H0为该点要开开挖到某一高程面上设计高程；m为该点处的设计坡比；r为圆心至开挖坡脚线距离：r该点测距理论半径与实测半径之差；xi″、yi″为该点的实测坐标x0″、y0″为曲线圆心点坐标。

按照（3）、（4）两式计算，在实际放样中，先将要放样的某一高程面上的曲线边桩点平面位置在地面测设出来（此仅仅是个标示范围的作用），然后只需按（5）式控制，由测站人员指挥立尺（镜）人在曲线范围上移动，直到R = R、及桩号或偏轴距与设计一致为止，则该点的位置就是既满足设计坡比要求又满足设计底宽要求的开挖边线位置，或在某一允许差值范围内。

4.计量横断面的测量和放样

3.1存在问题

计量断面测量不仅要检查开挖断面是否满足设计要求，而且还要为经营结算提供计量依据，其外业和内业工作量都较大，外业测量成果出不来，内业工作无法进行。一般的断面测量方法是把仪器安置于所测断面上逐个断面地测，速度慢，劳动强度大。

3.2解决问题方法

计量横断面的测量和放样与前述的的两种放样方法类似，同样是先将各控制点测图坐标换算为施工坐标系坐标，在进行断面测量时将测量仪器安置在任意控制点上进行任意断面的测量。测量仪器如果是经纬仪配合测距仪或经纬测距法，则应按相应的坐标计算公式计算出所测点的三维坐标，全站仪就不用另外计算，根据三维坐标数据只需控制标尺（或棱镜）处所测桩号断面上，或在某一充许差值范围内。采用这种方法进行计量断层的测量给测量人员带来很大方便。

5.结束语

本文介绍的测量方法改进了传统的施工测量放样方法，简便易行，可靠实用，快速高效，可以在满足测量精度要求的条件下，大大提高施工测量放样的速度，放样、断面测量可同时进行，可大大减轻测量人员的劳动强度,完全能满足现在越来越快速的施工。

三维测量范文第5篇

【关键词】 三维细化 删除模板 拓扑结构 旋转不变性 三维非接触测量

一、引言

图像细化广泛应用在各个领域，如医学图像分析，模式识别等。三维图像细化是图像处理和视觉分析的主要研究方向，细化提取的骨架是后续图像分析和特征提取的重要基础。从三维细化的结果中可提取基本尺寸和基准线、基准面等特征，包括物体的轴线基准、轴线长度，形状结构及联接关系。通过这一系列参数和特征准确表述和确定目标的当前状态，从而实现对三维目标的全方位的非接触测量。

三维细化算法主要包括提取中心线和提取中心面两类，本文重点研究中心线的提取。在一个三维二值图像中黑点和白点分别代表目标点和背景点，细化就是将逐层将黑点移除（黑点改为白点）直到仅剩一个像素宽的骨架。连通性及拓扑结构的保持是三维细化过程中考虑的主要问题，概括为三个方面：（1）输入图像中的任何物体不能被拆分或完全消除；（2）任何空腔不能与背景或另一个空腔合并；（3）不能消除或新增任何的空腔和孔洞。连通性的保持是拓扑性质的保持的基础，例如形如“o” 的物体细化后不能形如 “c”，细化后提取的骨架应位于物体的中轴，并且看起来相似于原物体；同时细化算法在物体平移、比例变化及旋转前后提取的骨架应基本保持一致。

提取中心线的三维细化算法多是基于模板的并行细化算法。并行细化算法有子迭代并行细化算法，区域并行细化算法[10，11]和完全并行细化算法三类。完整的基于模板的完全并行三维细化算法由Ma和Sonka提出，这一算法不能很好的保护三维物体的拓扑结构，后续研究者发现这一问题，Wang和Basu通过扩充删除模板解决了某些情况下细化结果出现断裂的情况，但仍存在一些问题，且由于删除模板扩充后有方向性，不能保证三维物体旋转后的细化结果保持不变。

针对上述问题，提出一种新的细化算法，从基础模板在各个方向上旋转得到具有各向同性的删除模板，保证了模板的对称性，使物体旋转之后细化结果和旋转前细化结果保持一致；给出了真伪删除点的定义，并证明了提出的算法满足连续性保持的条件，解决了点同时删除造成不连续的问题。

二、三维细化旋转不变性理论分析

Wang和Basu针对Ma和Sonka的算法中不能保持连通性的情况对D类模板添加更多更细致的限制，扩充了最终的删除模板。Ma算法中D类删除模板是12个，Wang对模板中的一些点增加了限制，把D类模板扩充为36个。Ma算法中d7如图2所示，Wang扩充后的d7如图3所示。

图3 Wang算法中删除模板d7-1，d7-2，d7-3算法主要步骤：

1）检测边界点（26邻域内至少有一个是背景点）。

2）并行删除满足任一删除模板的非尾点。

3）返回1）直到o任何点可以被删除。

完全并行细化算法，从各个方向同时逐层删除三维物体中的点，这保证了最终结果位于原物体的中轴上，且相似于原物体。但并行细化算法的细化结果有出现断裂的可能，每一层的点在进行删除模板的匹配及其他删除条件的判断时，若点与点之间相互为满足删除条件的必要点，同时删除所有满足条件的点得到的细化结果就可能出现断裂，不能保持原物体的拓扑结构。

其他情况下仍仍然会出现断裂，使最终细化结果无法保持原物体拓扑结构。同时因为只改变了某些方向上的模板，最终的删除模板不再是完全对称，使得细化算法不具旋转不变性。

三、基于保拓扑结构和旋转不变性的细化算法

针对上述分析提出一种新的基于保拓扑结构和旋转不变的三维细化算法。首先给出旋转不变性的定义，其次设计了各向同性的删除模板，最后根据需要定义了真伪删除点，并论述了提出的算法满足连续性保持的条件。通过假设验证法，检测候选删除点删除前后26邻域内目标体和背景组的数目变化，确认删除点的真伪，保持了原有的拓扑结构，进而确保物体旋转后细化结果的连续性不变。

关于旋转不变性做如下定义：

定义1（旋转不变性）：当物体相对之前位置旋转后，通过细化提取的骨架与旋转前提取的骨架形态及结构保持一致，简称该细化算法具有旋转不变性。

为使旋转后结果与旋转前结果保持一致，本文构造了具有各向同性的删除模板。如图4所示，新算法中具有各向同性的D类删除模板是12个，且模板中限制点比Ma算法中少。改进删除模板是基于图2中四类基本模板，通过绕三个中轴旋转获得，在结构上是完全对称的，从而保证在各个方向模板是同性的，使新算法具有旋转不变性。

为准确表达该算法，做如下定义：

定义2（真伪删 除点）：在每次迭代中，通过与删除模板的匹配，简单点、非尾点的判断选出候选点，假设所有候选点被删除，再逐个检验候选点被同时删除后26邻域内目标体的数目和背景组的数目有没有改变，若改变称为伪删除点，若未发生变化称为真删除点。

每次迭代中对符合删除模板且满足其他删除条件的目标点做标记，假设标记点已全部被删除（值为0），逐个对标记点位置进行检测，检测标记点位置26邻域中目标点（黑点）的连通性，和18邻域中背景点的连通性，若连通性发生改变则把标记点重置为1，若未改变确定删除。因为在一次迭代中任何点的删除不应该改变其26邻域中目标点的连通性和18邻域中背景点的连通性。这就有效防止同时删除一系列点造成细化结果出现断裂破坏拓扑结构的可能。

连通性证明：本文算法按照简单点的定义选候删除点，为保证被删除的点是简单点，在删除前做如下判断：判断当前点26邻域内的目标点是否连通；判断当前点18邻域内的背景点是否连通且至少有一个点与当前点是6邻接，所以被删除的点都是简单点，满足条件①。通过删除点的真伪验证表明对每一个删除点来说，在其他点被删除后，26邻域内仍然只有一个目标体，18邻域内只有一个背景组，即还是简单点，所以每次迭代中同时删除的所有点的集合是一个简单点集合。那么属于一个单位正方形上的两个，三个或四个不同点被同时删除时，它们也是简单点集合，表明本文算法满足条件②、③、④。假设存在一个包含在单位立方体内的目标体被完全删除，那么单位立方体内八个点只能是可被删除的点或者背景点，可被删除的点必须满足某一删除模板，根据根据本文算法设计的删除模板特点，八个点中总有一个面上的四个点必须同时是背景点，因此包含在一个单位立方体内能被完全删除的目标体不存在，即满足条件⑤。因此本文算法满足三维细化算法保持连通性的条件。

基于保拓扑结构具有旋转不变性的三维细化算法主要步骤：

1）检测边界点（26邻域内至少有一个是背景点）；

2）检测满足任一删除模板同时属于非尾点和简单点的点，并标记为候删除点；

3）根据定义2判断2）中标记的候删除点的真伪，若为真，则确认删除，否则不删除；

4）返回1）直到无任何点可以被删除。

四、 物体的尺寸提取与非接触测量

对细化后的骨架进行像素数的统计可以得到三维模型的几何尺寸信息，这些测量信息可以精准地描述三维模型的当前状态。比如表面即为边界点的集合，通过判断是否具备空间26连通可以快速提取边界点，表面积可以表示为边界点像素的总和，这种表示方法不仅简单，而且被证明是物体表面积的无偏和一致的最好估计。

根据三维图像数据和尺寸基准线，可提出和计算目标的厚度、高度、径向、轴向、位置等几何尺寸，计算各组成部分的长度、高度、宽度或直径、半径等形状参数，计算表面各部分的几何距离，有关结构与重要基准面、基准线的距离以及平行度、平面度、圆度、同轴度等形位误差。用这一系列参数和特征准确表达和确定目标的实际当前状态，从而实现对目标的全方位的非接触测量。

五、实验结果与分析

该部分设置了四个实验。在前两个实验中把新算法分别和Ma的算法，Wang的算法做对比，表明新算法在保持连通性方面的优势；在第三个试验中把新算法与Wang的算法的细化结果做对比，表明新算法具有旋转不变性；第四个实验是新算法细化各类模型得到的精实墓羌堋

新算法与Ma算法的细化结果对比如图5所示，在图5.（a）中是一个连续的简单模型，图5.（b）中是Ma算法的细化结果，左右连在一起的两个方形在细化后被分开，破坏了原有的连通性，图5.（c）中是新算法的细化结果。左右两个方形细化后任连在一起，保持了原有的拓扑结构。在图6.（a）中是一个连续的简单模型，图6.（b）中是Ma算法的细化结果，上下连在一起的两个方形在细化后被分开，破坏了原有的连通性，图6.（c）中是新算法的细化结果。上下两个方形细化后任连在一起，保持了原有的拓扑结构

六、结论

完全并行基于模板的细化算法，会出现断裂，导致细化结果拓扑结构发生改变，并且不具有旋转不变性，本文通过设计各向同性模板，判断后删除点的真伪解决了这一问题，并通过实验进行了验证；在三维细化的基础上实现了非接触测量，提取三维特征信息，这将进一步满足对三维模型特征分析的需求。

参 考 文 献

[1]廖开阳，张学冬，章明珠.一种新的指纹图像快速细化算法[J].计算机工程与应用，2008，44（5）：93-95.

[2]邓刚，童学锋.FPTA快速细化算法在脱机手写体汉子识别中的应用.计算机工程与应用，2002，01：135-136

[3] Chuang JH， Tsai CH， Ko MC. Skeletonization of three-dimensional object using generalized potential field[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2000，22（11）： 1241-1251.

三维测量范文第6篇

关键词：三维激光扫描技术；成都二环路；测绘技术；测量应用

【分类号】：P234.4

随着我国科学技术的不断发展，信息技术的进步，愈加拓宽的工程测量服务领域也在不断提高对测量技术的要求，由于地处城市主干道及城市高架的影响，全站仪、GPS测量在成都二环路改造工程竣工图实测已经完全无法满足业主提出的工期要求。因此，作为新技术应用探索，三维激光扫描技术应用于该工程，其不仅具有简便、快捷、精准的应用特点，而且其获取数据速度快，方法灵活，使工期得到了保障，受到业主的一致好评。

一.三维激光扫描技术概述

三维激光扫描技术是通过激光作为测量依据，获取相对复杂物体的图形与数据，在经由处理之后形成对采集数据的分析，并通过转换成为三维坐标或三维模型，来满足各种测量领域提出的不同需求。

（一）系统组成部分

就宾得S-3180V近景三维激光扫描仪来说，其主要的组成部分包括数码相机、电源、后处理软件及各种附属设备。其自带相机起到协助判断的功能，如右图一所示主机及定向靶位。

（二）工作原理

三维激光扫描技术通过内部的激光脉冲发射器功能向目标发射激光脉冲，在检测到被测目标之后，再将目标物发射回来的激光脉冲采集到信号接收器中，通过这样的反射、接收，来计算从激光脉冲发射出去到返回的时间，就是被扫描物体距离扫描点的距离，得到相应地物的三维点云数据；同时启动扫描控制模块功能，计算出其测量目标物的三维坐标，继而转换成为坐标系中的三维模型，得到最终的数据图形。

（三）应用优势

与传统的测量技术对比，三维激光扫描技术具有精准度高、分辨率高、速度快等多种应用优势，其特点主要表现在以下几个方面：

1.数字化

通过三维激光扫描技术获取到的数据信息都集体呈现出全数字的特点，非常易于分析、处理及显示。同时其用户界面友好，能够很好的实现与其它软件的数据共享与交换，比如说与GPS、外接数码相机配合使用等等，具有很好的拓展性。

2.分辨率高

三维激光扫描技术可以很好的实现高质量、高密度的进行数据信息采集，以此来实现高分辨率的根本目的。

3.应用性强

三维激光扫描技术对于使用条件没有高要求，因此有较强的环境适应能力，适合于野外测量，可以对大面积或者是表面复杂的物体进行精准的测量，因此在各个工程或者是道路建设等各领域中都有较为普遍的应用。

4.非接触式

在三维激光扫描技术中，使用的是非接触式高速激光的测量方法，因此这就在无需反射棱镜的基础上直接对目标物体予以扫描，并采集其相关三维信息。它的应用价值就体现于当在目标物体的位置处于较危险、恶劣的环境下，工作人员无法近身的时候。

二.三维激光扫描技术的实际应用

三维激光扫描技术目前已经在各个领域都有了较为普遍的应用，包括：文物保护；工业检测，工厂数字化管理；建筑桥梁的测绘；地形、地质研究等等。以下就三维激光扫描技术在成都二环路竣工图实测工程中的应用进行分析。

就成都二环路改造竣工图实测项目中，主要使用的是宾得S-3180V近景三维激光扫描仪，实测目标为路面地物，主要包括：人行道及广场各类别地砖、盲道、各类别井盖、路灯、树池、标志标牌、休息座椅等等。其后期主要应用的技术是将多站分块扫描进行无缝拼接，以此来将整体的扫描对象以几何形态表现出来。首先根据相邻扫描站所扫描的四到六个共有定向靶位，根据后方交会建站工作模式，采用系统自带平差软件计算各扫描站的三维信息，最终实现多个扫描站之间图形的无缝拼接，以此来实现对整体带状地形地物数据的收集。

（一）三维激光扫描技术的应用优势分析

就成都二环路来说，由于受到二环高架及周边高层房屋的影响，因此无法使用GPS，只能使用全站仪进行测量，但是在实施过程中全站仪的测量速度非常慢，一般一台全站仪每天仅能测量300m左右，加之二环路的车流、人流量非常大，对工作人员会产生一些潜在的安全隐患。

相反，就三维激光扫描仪来说，其具有速度快而且省去人工操作的环节，可以将其直接架设在中间绿化带中，3-6分钟的测量时间就可以测量完一跨桥两侧的地物，在一天8小时的时间内可以测量1.5km左右。

（二）地物实测应用

1.井盖

三维激光扫描及时通过对井盖获取密度、精度较高的三维数据，对井盖的形态及特点进行监测反映，井盖原始地物如图二所示，其经过三维激光扫描仪之后的图形显示如图三所示。

2. 雨污排水口、路沿石

当然，这只是在成都二环路竣工图实测地物的一部分应用，上述例举了两个地物特征，三维激光扫描技术就是通过对地物特征的形象进行扫描，并依据各个坐标形成三维坐标，继而根据地物特征提取其特征线，如下图所示：

经CAD软件绘制之后直接得到成都二环路如下的数据图：

在整个测绘过程中，对立体点位定位及立面测量三维激光扫描的精度和图像分辨处理效果不错，能够达到三维建模的各项指标要求，但对地面的物体定性上还必须得根据初步成果图进行现场确认，以确定各类井盖特性。

结束语

随着我国科学技术的不断发展，三维激光扫描仪的测量精准度也愈来愈高，测量范围也有了极大的拓展，目前三维激光扫描技术已经可以很好的应用到精准要求极高的道路工程测量等领域，其作为一种发展迅速的测量技术，在应用领域中不仅降低了测量成本，同时还能极大的提高工作效率。虽然说目前针对三维激光扫描技术的研究还是处在初级阶段，但随着研究的深入，与其他测量技术的有效结合，相信三维激光扫描技术必将得到更广泛的应用。

参考文献：

[1]马利，白建军，白文斌，谢孔振.地面三维激光扫描技术在道路工程测绘中的应用[J].北京测绘.2011（02）.

[2]张毅，闫利，崔晨风.地面三维激光扫描技术在公路建模中的应用[J].测绘科学.2008（05）.

[3]孙德鸿，王占超.三维激光扫描技术在地形地质测量中的应用[J].水利水电施工.2011（01）.

三维测量范文第7篇

【关键词】工程测量；三维测绘技术；应用；发展

近年来，随着社会经济的快速发展和工业化建设进程的不断加快，传统测绘技术逐渐向现代数字化测绘技术方向转变，新时期的工程测量技术的发展趋势和方向将会朝着测量数据整理、控制实时化、自动化以及数字化方向发展；同时，测量数据信息管理也讲朝着标准化、科学化以及规格化方向发展；而工程测量数据的传播与适用将朝着多元化、网络化以及社会化方向发展。

1 三维测绘技术现状分析

实践中可以看到，现代工程建设过程中对三维测绘技术的创新需求具有一定的迫切性，然实际情况来看却并不乐观，而且发展存在着严重不平衡现象。以下讲通过三维测量仪器的分析，来阐释现代三维测量技术现状。

对于三维测量仪器而言，目前常见的是卫星定位测量系统、摄影测量仪器、全站仪、三维激光扫描仪以及关节臂三坐标量测仪和激光跟踪仪。其中，前三种测量仪器均为我们日常工程测量中所熟知和常用的量仪器，而三维激光扫描技术则是近年来新出现的三维测绘仪器，以上测绘仪器分析如下：

1.1 卫星定位测量系统

对于卫星定位系统而言，其点位坐标是地心直角坐标系中的三维坐标，同时也是真正的三维测量，而且其测量精度非常的高，尤其是双频GPS点差分测量精度可达到毫米级。实践中需要注意的是一种错误操作方法，即将卫星定位结果转换至大地坐标系之中，使之与传统的三维测量结果对比，则差值一定会非常的大。之所以会出现这一问题，主要原因在于三维测量受大地水准面影响，其精度会受到不同程度的影响。

1.2 全站仪

对于全站仪而言，其作为一个相对标准的三维测量仪器，可同时对距离、角度进行准确测量，而且全站仪具有如下几个方面的特征。可以自动显示、计算出相关数据信息；存在着多种数据信息的记录储存方式；可实现水平角、垂直角的自动补偿。在2+1维测量中，基准面是水准面，测量结果会受到大地水准面精度的影响。

1.3 三维激光扫描仪

对于三维激光扫描仪而言，实际上它是近年来才出现的三维测量新仪器。该种仪器扫描速度非常的快，而且点位精度相对较高、点密度也非常的高，因此应用普及速度较快。实践中可以看到，这种仪器设备通常不依赖水准面，而且受大地水准面精度影响也非常的小。

1.4 三维测绘技术在工程测量中的有效应用

所谓三维测绘，实际上是测量目标空间的三维坐标，通过三维目标形状、位置以及空间姿态的确定，对目标实行三维重建，并将其真实地再现在计算机上。目前来看，国内现行的测绘技术均基于三维理论测量体系。其中二维确定目标平面位置，一维对目标高程进行确定。

在工程设计过程中，三维工程测量技术已经基本形成和应用，三维CAD软件的普及率也非常的高。工程测量、设计过程中，要求在现状图基础上进行，因此现状图即三维图，工程测量中的三维测绘技术应用时必不可少的。对于工程施工而言，其过程中存在着很多不确定性因素，而且很多施工环节非常的复杂，很难按照传统的施工模式、层层递进，由地面逐渐向空中施工。实际上他采用的是立体吊装式施工模式，比如鸟巢、中央电视台以及国家大剧院等，在此过程中不可避免地需应用三维测绘技术。

作为三维测绘技术的一种，摄影测量技术在现代工程测量中的应用非常的广泛，摄影测量技术在市政、工程测绘领域中的应用更为普遍。对于摄影测量而言，由于高质量和高精度摄影测量仪器的生产研发，利用现代计算机网络技术，使得摄影测量技术可完全、实时获取测量物的三维空间信息数据，而无需接触物体，这在很大程度上有效地减少了户外作业的工作量，同时也有效地提高了测量精度和效率，能够提供更为丰富多样的测绘结果。在城市和工程大比例尺地形测绘、地籍测绘、公路、铁路以及长距离通讯和电力选线、描述被测物体状态、建筑物表形监测、文物保护和医学上异物定位中都起到了一般测量难以起到的作用，具有广泛的应用前景。由于全数字摄影测量工作站的出现。为摄影测量技术应用提供了新的技术手段和方法，该技术已在一些大中城市和大型工程勘察单位得以引进和应用。由于技术在摄影中的应用，大量减少并加快了野外控制点联测工作，大大提高了航测成图的效率与效益，使得工程摄影测量向自动化、数字化方向迈进。

1.5 三维测绘技术未来发展前景展望

在新的历史时期，工程测量已经不再是单一的简单的提供一些地图数据方面的服务活动，它要求工程测量提供相关的、准确地理信息服务，从而全面推动我国工程测量事业进入信息化发展时代。所谓信息化测绘技术，其主要是依托于现代计算机网络技术，同时利用现代信息技术以及空间技术设备，为工程建设行业的发展提供了有效的地理信息服务三维测绘技术。从实践来看，三维测绘技术的未来发展，必将朝着实时获取信息、自动处理相关数据以及提供网络化信息服务和信息社会化应用方向发展。从某种意义上来讲，三维测绘技术正在正朝着数字化、高精尖方向发展。三维测绘技术最具代表性的是3S技术，即GPS、GIS以及RS。在现代工程测量过程中，3S技术的应用更加的广泛，其中GPS技术提供了准确的目标空间位置，便于工程建设的准确定位。在工程地面控制测量实践中，尤其是在新矿区建立新控制网过程中，对已有控制网应当进行全面的检验、改善与审核；同时，还要对旧有的控制网实施加密操作。对于GIS技术而言，其主要是更加便于建立多源数据信息模型，建立工程项目信息管理系统，综合管理工程建设项目的设计、沉降监测、开采以及矿区土地复垦和环境评估，对多种来源的时空数据综合考虑、处理和实施集成化与动态管理。RS技术主要是进行矿区地形图测绘工作，开展土地资源调查、矿区生态环境和地质灾害调查，快速提供矿区信息。 “3S”技术是当前国内外工程测量技术发展的重要趋势，在应用过程中，GPS主要是确定目标的空间位置，RS主要是快速提供目标信息，GIS主要是对多种数据进行集成处理。三种技术在功能上相互补充，只有建立一个统一的平台，让他们充分发挥优势，才能实现工程测量的精准性。

2 结语

总而言之，随着现代计算机网络技术的不断创新与改进，三维测绘技术也逐渐走向成熟，这使得数字工程建设发展理念的提出不再只是一个空想，而是实实在在的发展目标。实践中可以看到，依托于先进计算机网络技术的数字工程建设需较长时间的完善与改进，而且会随着现代三维测绘技术在工程测量中的应用不断增大器范围，并最终会走向工程测量的自动化、数字化以及信息化和智能化道路。

参考文献：

[1]黄强，范东明，冯远，范晓燕.Auto CAD三维立体图测绘技术及数据处理[J].工程勘察，2010（12）.

[2]陈思杰.民生服务中心设计探讨[J].建筑设计管理，2011（02）.

三维测量范文第8篇

【关键字】三维GIS；工程测量；应用

近年来，随着我国科学技术的发展和综合国力的提高，人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。目前，三维GIS应用在房产、旅游、安防、城市规划等方面较多一些，但是他们的技术不够成熟，只是针对自己的领域开发的， 没有从理论上加以系统完整的研究。

1.三维GIS的概念

三维GIS从不同的视角出发有着不同的概念。从数据库出发认为GIS是一个数据库系统，在数据库里的大多数数据能被索引和操作，以回答各种各样的问题。从工具箱角度出发认为GIS是一个从现实世界采集、存贮、转换、显示空间数据的工具集合。从组织机构出发认为GIS是一个功能集合，能够存贮、检索、操作和显示地理数据，是一个集数据库、专家和持续经济支持的机构团体和组织结构，提供解决环境问题的各种决策支持。各个定义的侧重点不同，但是都能突出整个三维实体空间的高精度建模和准确的度量分析。

三维GIS借助强大的地理空间数据库，运用地理模型分析，提供了多种信息资源，为地理研究和决策提供了依据。在三维GIS中，空间目标通过X、Y、Z三个坐标轴来定义，以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。GIS在处理二维空间的应用较多，但是随着GIS应用的深入，人们越来越多地要求从三维空间来处理问题。经过三维GIS处理后所得到的图形、图像、表格等等，供工作人员参考得出结论的有用数据。三维GIS正常运做需要各种不同的部件组合完成。三维GIS的核心是三维空间数据库。三维GIS可以输入数据，分析数据，输出数据，通过对地理数据的输入、分析，得出供工作人员参考的信息，为合理的利用土地资源、自然资源、环境、运输、城市设施和其它管理的规划与管理提供决策支持。三维GIS记录着整个地球或者部分区域的环境情况和资源的使用情况，可以说是对人类现实居住环境的描述记录。从其深层内涵上来看，三维GIS是一个由计算机程序和地理数据有机组合形成的地理空间信息模型。三维GIS能为管理和决策提供依据。三维GIS还具有对空间对象进行三维空间分析和操作的特有功能，具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力等优点。

2.三维GIS在工程测量的特点

2.1空间可视性

（1）空间地物轮廓特征的可视化。三维GIS是利用数据对现实世界空间关系的模拟，使我们能够比较直观的感受到空间各种事物的状态。它利用现实的尺寸距离按照一定的比例缩放，而且对于现实事物空间的模拟都非常形象、逼真，清楚地反映事物的特征，比较清晰的看到地物的外形轮廓。

（2）地物属性信息的可视化。三维GIS的空间可视化功能还包括对空间分布的地物的属性信息可视化，它是将地理空间信息与对应空间的属性信息相结合的结果。例如，我们可以在地理信息系统中查出某地区的地理概况、人口密度、占地面积、资源使用情况，通过测量相应的尺寸就可以换算为现实的距离，粗略的规划设计施工方案，这样空间地物的属性信息实现了信息可视化，可以更全面的考虑到实际情况，使得定位更加准确。

2.2空间导向性

利用三维GIS不仅可以纵览研究区域的信息，还可以利用其所具有的其他功能带领我们到更有趣、更令我们感兴趣的潜在区域。

三维GIS能够提供给我们比较全面的空间数据，通过各种比例观察地域的全局、局部和细节。在比例变换的过程中，系统就会不停的更新数据。就比如我们在浏览全国地图信息时，只会显示一些大的山脉、河流，省份和地区，重要铁路、公路，在逐渐扩大的过程中，系统会自动更新，逐渐出现稍微小一些的河流、县城、干路等，再放大比比例时，甚至可以具体到村庄的建筑物、公园等，与文明实用的地图差不多。三维GIS的导向功能主要表现在它能通过查询得到我们想要的信息，如果我们在搜索内容里填写药店，它就会在你指定的区域内全部标出，系统的写出有多少家，通过扩大和缩小来观察。

2.3空间思维性

三维GIS不仅储存有各地物的描述信息，而且还储存有地物之间的空间位置关系，这非常便于空间的分析。

三维GIS的空间思维主要表现在，利用三维GIS固有的系统工具对输入的数据信息进行处理，得到直观的数据分析图。三维GIS中积聚许多处理工具，各个工具利用其具有的功能对数据分析，每个工具将结果交由系统处理，得出可视化的分析结果。三维GIS的空间思维功能能够提供给我们空间关系、空间分布模式和空间发展趋势等，这是其他信息系统不能达到的。如城市与区域规划中，对于地理信息系统的使用特别多，是利用其空间思维的典范。

3.三维GIS在工程测量中的应用现状和前景

目前，三维GIS在工程测量中的应用逐渐广泛，标志着工程测量技术的发展方向。它具有精度高、效率高、测试简便等优点，能精确的测量工程数据。遥感技术是地理信息系统的一种技术，它是通过航空或卫星利用可见光、红外、微波等对地形地貌进行摄影成图的技术。三维GIS为国土资源的开发利用和城市规划建设提供了宝贵的信息资料，广泛应用在绘制大比例尺地形图和工程图。三维GIS技术的应用可以有效地避免环境的艰苦恶劣，而且工作效率高，精度高、准确性有保障。利用三维GIS技术，实现了数据采集与图形编辑的同步完成，加之近年来出现了掌上电脑，小巧方便，操作简单，功能齐全，可以与全站仪无线联机，采集数据成图，加快了三维GIS在城市建设的工程测量中的应用步伐。

三维GIS在工程测量上的应用，对工程测量是一次革命性的转变，也是工程测量必然的发展趋势。三维GIS侧重于对数据的读取分析，是目前比较强大的数字地面模型的解析工具。通过对数据库处理分析实现全球变化、环境监测、海洋导航、防灾减灾等领域。

4.结语

三维测量范文第9篇

【关键词】三维激光扫描仪原理；反射标靶；点云；地形测量

1、三维激光扫描仪应用现状

地面三维激光扫描技术是以三维激光扫描仪的诞生为代表，是继GPS （Global Position System）技术以来测绘领域的又一次技术革命，该技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，又称为“实景复制技术”，是继GPS空间定位技术后的又一项测绘技术革新。三维激光扫描测量技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，能够全天候的对任意物体进行扫描，快速将现实世界的信息转换成可以处理的数据。该技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，作业时间短，使用成本低，且使用方便，其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口。目前在工程、环境检测和城市建设方面如断面三维测绘、绘制大比例尺地形图、灾害评估、3D城市模型的建立、复杂建筑物施工、大型建筑的变形监测等均有成功的应用实例。随着三维激光扫描测量技术、三维建模的研究以及计算机硬件环境的不断发展，其应用领域日益广泛，如制造业、文物保护、逆向工程、电脑游戏业、电影特技等，逐步从科学研究发展到进入了人们日常生活的领域[1]。

2、三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描仪由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜为主要构造组成。其工作方式为激光测距仪主动发射激光，同时接受由自然物表面反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，得到每一扫描点与测站的空间相对坐标，如果测站的空间坐标是已知的，那么则可以求得每一个扫描点的三维坐标。

按照扫描平台的不同三维激光扫描仪可以分为：地面型激光扫描系统、机载（或星载）激光扫描系统、便携式激光扫描系统。本文工程中使用的为地面型三维激光扫描仪，其工作原理为：三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算日标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直。获得P的坐标。

整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、数据后处理软件、电源以及附属设备构成，采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息数据库的数据源和不同应用的需要[2]。

3、工程应用实例

该工程为千岛湖引水工程，引水管布设长约100公里，沿途多处布设埋管、钢衬段及支洞口，测区多为山区丘陵地貌，植被较为茂密，通视情况较差，采用传统全站仪地形测量方案，废时、废力且效率低下，影响工作效率。现以一处支洞为例，采用地面型三维激光扫描仪进行测量并与传统测量方式进行比较。

本测区采用仪器为徕卡Scanstation C10 新一代一体化扫描仪，具有以下功能：[3]

（1）轻松实现全视场扫描。视场角高达360°X 270°，可轻松获取顶部，水平方向及垂直方向的数据，旋转镜头（智能X-MirrorTM设计），可覆盖几乎整个垂直方向的视场角。

（2）使用了和徕卡全站仪一样的高精度双轴（倾斜）补偿器，能完成导线测量、后方交会测量和放样。

（3）实用有效的测距范围，扫描距离大于300米。

（4）具有全站仪的测量精度，能使点位、距离和角度测量精度达到专业级测量精度。

（5）超高速激光扫描，扫描速度高达50000点/秒。

（6）Cyclone常规地形测量功能，基于扫描点云数据，利用徕卡 CYCLONE II TOPO地形测量软件模块可以轻松完成二维地形图的测绘和输出，节省了外业数据采集的大量时间，提高了地形测绘工程的作业效率。

3.1控制网布设

测区首级控制网由4点E级GPS点构成，采用南方9600北极星GPS接收机进行静态观测，并布设四等水准测量，使整个测区建立在一个基准控制框架内，便于徕卡Scanstation C10扫描仪的起闭。测区内利用GPS RTK进行控制点加密，其作用为三维激光扫描仪过程中布设定向、检查标靶点和特征控制点。

3.2野外作业过程

3.2.1野外设站

将三维激光扫描仪架设在加密点T1，反射标靶架设在T2进行定向（可自由架站，无需人员干涉）。由于三维激光扫描仪的测程是有限的，不同测站的测量数据如何拼接到一起，就需要标靶来完成，因此根据扫描仪测程，需要在各相邻测站重合的位置布设3个以上形成不规则图形的标靶，以供点云拼接需要。

3.2.2测区扫描

根据测区划分区域，设置采样间隔和扫描分辨率。采样间隔和扫描分辨率设置过大或过小均会对后期的数据处理精度及采集到的点云数据量，数据的传输、保存以及后期的数据处理带来很大的麻烦。因根据地形测量精度的要求合理设置，以达到最佳的效果。同时每站重叠区域不小于5米，360°水平范围和270°垂直范围内自动扫描，进行点云之间的拼接，实现对准与地理配准。

3.2.3内业处理

经外业扫描到的三维点云数据量非常大，其中包含河流、山体、房屋和沟渠之类等有用的数据，也包含车辆、行人、树叶等等无用的数据，利用Cyclone、leica地形后处理软件提取点云质量好，精度高，数据全面的部分点云数据进行内业数据处理，并采用数据滤波和数据抽隙的方法对点云数据进行处理，完成后将点云数据转成txt格式导入Maptek I-Site Studio进行最后地表DEM的建立和等高线及高程点的提取。如果现场地物较为分散且种类繁多，还可以利益徕卡cloudworx将点云导入CAD或者CASS中对地形图进行进一步的描绘从而得到我们所需的地形图。（如图1）

3.2.4优势比较

整个支洞需要测量作业的范围近0.2平方公里，落差近100米。传统全站仪作业方法外业用时需5天，采用三维激光扫描仪作业用时2天大量节省了外业工作时间，大大减轻了外业人员工作强度，另外高分辨率数码相机真实反映了地物特征，提高了内业处理的速度，提升了内业成果精度，增加了成果展示的形式。

4、结束语

三维激光扫描仪测量技术给传统测绘带来了一股清风，是数据测图又一次创新进步，相比传统的地形测量具有效率高、表现力强、测量细节丰富，地形、地貌一次测量完成、并同时获得影像模型，自动得到DEM数据，且成果形式多样，可以满足不同人员对数据的需求，同时还具有智能化，兼容性强等特点。但通过本次工程的实践，我发现地面三维激光扫描技术的普及也存在以下不足：在大比例尺地形图数据采集过程当中受现场条件限制较多，如山区植被较多时，精度较低；数据后处理较复杂，外业完成后需要较长时间的数据处理，耽误后续工程的人员投入；仪器设备价格昂贵[4]。

相信随着科学技术的不断进步，在企业生产成本最低化，效益最大化的时代背景下，这项继GPS之后的高端测绘技术在地形测绘、道路桥梁测绘等领域具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]徐晓熊.刘松林.李白.三维激光扫描测量技术及其在测绘领域的应用[J].中国测绘，2009.（2）

[2]宋宏.地面三维激光扫描测量技术及其应用分析[J].测绘技术装备，2008.10（2）

[3]徕卡测量系统股份有限公司 Leica Scanstation C10使用手册，2011

[4]许映林.三维激光扫描技术在温泉水电站大比例尺地形图测量中的应用[J].水利水电测绘，2007，3

作者简介

三维测量范文第10篇

关键词：三维激光雷达；测绘；三维空间坐标

1引言

激光雷达技术最早源于二十世纪六十年代激光技术诞生之初的研究，但将其用于获取三维信息成像却是二十年之后，即从上个世纪八十年代开始着手研究并发展至今。在国内，激光雷达的硬件研究仍处于起步阶段，现有的技术还无法满足测量范围及精度要求。由于没有高精度的INS系统以及性能激光强度，激光功率，脉宽，测距精度可靠的激光测距装置，至今国内还没有成熟的激光雷达系统出现。但目前国内的研究工作者在相关领域方面的研究己经有了一定的成绩，北京遥感应用研究所李树楷教授研究的机载激光扫描测距成像系统原理样机于1996年完成，将激光测距仪与多光谱扫描成像仪集成于同一系统中，通过硬件实现了数字高程模型和遥感影像的精确匹配，直接获取地学编码影像。武汉大学李清泉教授研制开发了主要用于堆积测量地面激光扫描测量系统，天津大学叶声华教授所在的精密测试技术及仪器国家重点实验室也对激光雷达做了深入研究并取得了显著成果。

2三维激光雷达测量原理

三维激光雷达是以发射激光束探测目标的空间三维球坐标的雷达系统。采用相干测角、调频测距原理，向目标发射探测信号，然后将接收到的从目标反射回来的回波信号与发射信号进行比较吗，作出适当处理后可获得目标的球坐标。

2.1空间点三坐标测量

空间点三坐标激光雷达是基于球坐标进行测量，即通过激光调频测距获知空间点P的距离p，通过扫描头的方位俯仰两个轴上的圆光栅获知空间点方位和俯仰角度α和β，如图1所示，得到被测空间点P的三维坐标计算公式为

（1）

式中p为空间距离，采用调频相干测距方法测量。为P与XY平面的夹角，α为P在XY平面的投影与X方向的夹角。三维激光雷达测得点的球坐标（p，α，），通过（1）式坐标变换得到了在以激光雷达位置为原点的笛卡尔坐标系中的三维坐标（x，y，z）。

2.2 扫描测量

激光扫描测量是通过调整激光雷达扫描头的方位、俯仰运动来实现的。激光雷达测量时将激光扫描测量系统安装到支撑底座上，对待测物进行俯仰和方位的扫描并获得其点云数据，通过软件对点云的采集，预处理，插补，缝合，重构等步骤得到试件的实体模型。最后针对得到的实体模型进行解析，从而得到需要的测量参数，也可以直接针对处理后的点云数据进行操作。求得被测参量，激光扫描测量原理如图2所示。

3 三维激光雷达技术的工作流程

（1）有效获取原始飞行数据。三维雷达测距系统沿着线路走廊进行飞行，将输电线路空间的位置数据进行实时记录。原始飞行数据主要包括激光扫描数据，惯性导航系统数据，激光反射强度信息，回波数据以及原始数码影像。

（2）航线重构。航线重构主要是拼接后期的航带，并提供有效的数据支持作用。同时利用 GPS联合差分解算，可以将飞机飞行轨迹进行有效确定，并保证着精确性。

（3）消除激光数据系统中的误差和异常。在获取激光原始数据后进行处理时必须将激光数据系统中的误差和异常进行有效消除。

（4）将激光点三维空间坐标进行有效计算。可以运用软件算法联合处理飞机GPS轨迹数据，激光测距数据等方面，然后可以计算出各个测点的三维坐标数据。

（5）航带拼接。实施航带拼接可以增强线路重叠区域数据的精确性，提高接边地物的连贯性。

（6）识别和拟合线路。在识别和拟合线路过程中，需要提取部分线路，这时可以利用软件滤波和分类算法方法，并可以有效连接空间线路上存在的缺失部分。

（7）人工交互编辑。采用人工交互编辑！主要是为了消除自动算法中失效的激光点，同时也将没有正确分类的激光点以及没有正确滤掉的激光点进行消除。

（8）测量线路和地面的距离。在测量线路和地面距离时可以使用人工交互编辑和自动算法也可以将预警结果显示出来。

4 机载激光雷达系统的应用

（1）测制带状目标地形图

包括道路测量，道路规划和设计；输电线路，海岸侵蚀监测，海岸地带管理，交通运输，河道和水资源，交通管理，测绘铁路线路，光缆铺设，煤气管道，沟渠等。西南交通大学的梁策研究了基于LIDAR数据获取铁路纵横断面的方法，利用激光雷达数据获取Tin模型再从Tin模型中获取铁路截面，并开发了铁路纵横断面获取软件。

（2）灾害调查与环境监测

主要应用于自然灾害（如咫风、地震、洪水等）的灾后快速、及时、准确的评估和响应。美国宇航局戈达德航天飞行中心（GSFC）自1993年就利用机载激光雷达测量格陵兰冰原厚度。从1998年到1999年，又在同样的飞行路线上测量冰原厚度。利用两次测得的数据，并综合气温变化、冰原内积雪程度以及降雨量等因素来计算冰原融化速度。中国水利水电科学研究院的何秉顺研究了三维激光扫描技术在堰塞湖地形快速测量中的应用，对汶川大地震造成的安县肖家桥、罐滩堰塞湖地形变化进行了测量和分析。

（3）海岸地区测绘

包括浅海水测量，海岸线测绘，海岸侵蚀的动态监测。美国、加拿大、澳大利亚、瑞典等国为浅海地形测量发展的低空机载系统，使用了机载激光雷达系统，飞行高度为500――600m，直接进行测距与定位，最终得到浅海地形（或DEM）。比较典型的是美军现用的一种独具特色的激光扫描水下地形测量系统，采用激光雷达技术实施远距离量测浅海深度并测绘海岸地带的地形，监测海岸侵蚀等。

（4）森林资源调查

激光雷达系统主要应用于利用机载激光雷达技术提取森林地区DEM和推求森林植被参数。机载激光雷达能同时获得树冠底部的地形信息及树高信息。通过数据后处理，可分析植被覆盖并对其加以分类，可计算树高、树种及其林木体积，可动态监测植物的生长情况，以及提取真实数字地面模型。中国测绘科学研究院的李英成提出了一种适用于森林地区LIDAR数据滤波的算法，能在中等复杂地形的林区有效剔除粗差点、确定树木点云、地面点云。

（5）城市三维建模

随着“数字城市”的发展，三维城市数据的自动采集是一个重要环节，除了数字摄影测量外，从激光雷达数据直接获取建筑物的三维信息变得越来越重要。美国普度大学Alharhty等人对具有两次反射距离的纯激光测距点提取建筑物进行了研究，通过渐进滤波方法进行建筑物三维信息的提取，提出了基于两次回波信息的渐进滤波提取建筑物。荷兰代夫特大学Vosselman等人根据点云和地平面信息来重建三维建筑物模型进行深入研究，采用三维Hough变换从不规则分布的点云中提取屋顶面的信息。

5 结语

利用三维激光雷达测量是一种高效率、高精度的新方法。它具有传统测量方法不可比拟的优越性。速度快，自动化程度高，劳动强度低，精度高。激光雷达扫描所获取的数据量大，数据点密度高，完全能够反映物体的表面特征，从而可以相当精确地计算体积，解决了常规测量方法所不易解决的表面近似误差等问题。

参考文献：

[1] 张秀达，严惠民，羊华军，李燕.半正弦相关型三维激光雷达[J].光子学报，2009，38（2） ： 254-258.

[2] 李芳菲，张珂殊，龚强.无扫描三维成像激光雷达原理分析与成像仿真[J].科技导报，2009 ，27（8）：19-22.