三维测量范文1

【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）.

三维测量范文2

关键词：三维数据采集；近景摄影；测量

1 近景摄影测量系统构成

（1）检查过的两个碳纤维尺两个，碳纤维尺两端的白色编码点有严格的尺寸要求。（2）非测量相机尼康D300S24mm定焦镜头，1200万像素。（3）用于摄影位置编码点和几个定位十字。（4）TRITOP软件。之所以无法跟测量相机一样进行内、外方位定位、对象（即非代码点）的定位必须依靠人工定义的特殊图形即编码的识别点才能完成，因为测量相机的使用。

下面以德国GOM公司的TRITOP光学测量系统进行说明，如图1所示。

2 近景摄影成像原理

通过摄影手段以确定目标外形的测量方法称为近景摄影测量。相机的姿态定位及数字照片的定位是近景摄影的关键技术，其定位方式直接关系到相机的成像精度。目前市场上技术成熟的非量测摄影系统有AICON公司的德通社-pro系统、德国GOM公司的TRITOP系统等。使用非量测摄影系统进行三维定位点构建时，经常使用形如图2所示的非编码点和编码点的人工标识，方便于软件在定位解算时识别，是因为非量测摄影系统不具备专业量测摄影系统的定位框标，无法进行相片的内方位元素和外方位元素的定位，二维图像重建广场空间是近景摄影测量的主要任务，这是图像形成的反过程。

近景摄影测量中常用的坐标系统有三种，对物体进行三维测量可以利用坐标变换和内、外方位定位及共线方程，能够解算出物方点坐标。由于对摄影精度要求较为苛刻，为了确保摄影精度，在近景摄影测量中，常常使用多重交向摄影技术对被测物体进行测量。通过一点多角度多次摄影，就能达到较高测量精度。多摄站式交向摄影。超过两次对同一点的摄影，有利于被测物体精度的提高和软件解算的稳定性。但是一般两次不同角度的重复摄影即可完成物方点的定位。对于TRITOP摄影系统按德国VDI/VDE2634标准方法检测精度可达0.0125mm/m。

3 近景测量的主要应用

3.1 古代建筑物或者遗址的精密测绘

古代建筑一般都经历了成千上万年的历史，由于自然和人为的破坏，保护和修复工作显得尤为重要。无论是国内还是国外，越来越多的古建筑古遗址修复工作正在展开。目前传统的建筑古老的历史记录测量的方法主要有：直接测量法、免棱镜全站仪测量法、三维影像扫描法。每种测量方法都或多或少存在缺点。直接量测法的缺点是要直接接触，容易造成建筑物损坏，而且该方法效率低下，容易出现人为的误差精度不高。免棱镜全站仪测量虽然不用直接接触，避免对建筑物的破坏但是在结构复杂时精度不高。传统的测量方法很难准确地衡量古建筑的整体结构条件下，如列和光束倾斜，弯曲梁和方舟子，框架的倾斜和沉降等。使用传统建筑测量只能测量记录一个接一个，只要有轻微的疏漏就很难完整的表达，不能依照整个测量过程。使用现代的近景摄影测量手段可以更好地解决问题。

3.2 建筑物变形的测量

随着社会经济的发展，越来越多的建筑物和桥梁在各地陆续建起，在建设的过程中以及建成后我们都需要对建筑物的变形进行观测。与其他测量工作相比，变形监测要求的精度比较高，并且要求一定频率的重复观测建筑物上布置的变形监测点。获得监测点的三维（X，Y，Z）位移变化。建筑物变形监测的主要方法有三种：地面监测技术、GPS监测方法、近景摄影测量法。[5]

3.3 现场视觉及工业制造的精密测量

这几年来，伴随着制造技术的进步，也对精密测量技术提出了新要求。先进制造必备的关键技术之一就是在工业现场使用精密三维坐标测量技术。在工业上，为了得到被测物体准确的表面尺寸（监测项目的三维数据），通常使用投影光栅扫描设备。提高三维测量精度最有效的方式是使用近景摄影测量方法建立具有非编码点群的三维测量。基于测量汽车外表面为例，表达的近景摄影测量原理和使用方法，提出了以实现大尺寸物体的精确测量而使用近景摄影测量投影和光栅扫描方法的组合。结果表明，三维数据采集使用近景摄影测量方法不仅在很大程度上提高大尺寸物体的扫描精度，而且提高扫描效率。近景数字摄影视觉测量技术是一个专注于精密测量技术的研究和应用，用于精密测量，基于数字成像和摄影、图像处理和精密测量原理的基础上，一种新型的精密测量技术。传统的通用三维精密测量仪器（CMM）一般不能应用于生产领域，只能用于特殊的测量环境，因为测量仪将受到线性导轨运动的条件。最近开发了各种不同类型的三维精密测量技术和设备，以适应制造技术的进步，如：近景数字摄影、激光跟踪干涉测量系统，视觉测量系统基于机器人柔性坐标测量系统，等等。

4 近景摄影测量一般流程

在工业三维数据采集的过程中，只要遵守一定的操作流程就能获得准确的结果。但是不当的操作流程会给数据采集带来不可预知的测量误差。近景摄影测量的一般流程如下：第一，规划测量意图：确定测量方案，比例尺放置在恰当的位置。第二，选择适宜的工作环境：尽量不在强光和振动的环境下进行测量，温度20°为宜。第三，被测物体预处理：此过程一般涉及三个方面：（1）被测物体表面要贴上白色非编码定位点；（2）将白色显影剂喷涂在被测物体表面；（3）放置编码点。第四，近景摄影的测量：初始摄站位置需正对一根比例尺用来拍摄4副两两相互成90°夹角的相片，使用相机在距离被测物2m左右的地方进行多摄站拍片，完成相机标定。第五，照片处理：与TRITOP软件对整个拍的全部相片绑定，得出三维框架。第六，数据收集：定位的三维框架进行基于3d的扫描对象，得出符合测量精度的三维点云。

5 结束语

我们提出利用多重交向摄影的近景摄影测量方法，就是使用特殊人工标识，为提高大尺寸物体光栅投影扫描的精度，通过编码点即普通非量测摄像机，将解算结果利用于光栅投影扫描设备，并对非编码点建构三维空间尺寸，得到符合测量精度的密集点云。事实证明，此方法不仅实现了物体的高精度测量，而且又提高了扫描效率。关于近景摄影测量的现行趋势是：能不断满足低、中、高以及超高精度的工作要求，发展模块完整数据归算系统。总之，根据现行活动的情况和暗中隐现的趋势来看，近景摄影测量将会应用到越来越多的行业和地方，为我们的生活和工作带来便捷。

参考文献

[1]张德海.大型复杂曲面产品近景工业摄影测量系统开发[J].光电工程，2009，36（5）：122-128.

[2]冯文灏.近景摄影量测[M].武汉：武汉大学出版社，2002.

[3]中国国家标准化管理委员会.GB/T12979-2008.近景摄影测量规范[S].北京：中国标准出版社，2008.

三维测量范文3

第一步需要把隧道的点坐标等设计参数通过程序输入到仪器中，之后进行放样操作，通常仪器不直接置于导线点上，而是通过后方交会形式设站，这样可以避免仪器与掌子面之间的距离过大。在完成仪器站点的设置后，确认三维坐标以及仪器高、方位角等参数无误后，完成仪器的设站工作。然后，瞄准掌子面测量出仪器站与其之间的距离，计算出掌子面的里程，作为定位掌子面开挖断面的依据。接着按不同顺序测设开挖轮廓线上的点，直至红色激光确定出第一个点后，做好标记，即完成了一个点位的放样操作，同理，以下点位的操作亦是如此（如图4）。需要注意的是，若掌子面不平，应对点位进行多次测量，给出点的允许偏差，力求精准。每一次的测量结果都要经过修正偏移值后从新测量坐标值，直至偏移值达到允许的范围内为止。

2断面测量

断面的测量工作是利用全站仪内部配置的程序完成的，设站时其中一个程序可用后方交会或者自由测站进行设站，仪器的安置具有随意性，只要在断面内即可。启动测量程序前，确认仪器的三维坐标和设置方位角，参数设定好后，仪器开始工作，在隧道轴线法线的垂直平面旋转一周，测与各个点的距离和角度，并将测量数据储存，这样就完成了断面的外业测量。另一段，仪器的放置不一定在断面的垂直面内，为了避免频繁移动仪器，可在建站前最大限度测出仪器最大量程内所有待测的断面，通过后方交会测量待测断面，此方法适用于轮廓规则的断面。对于表面不平的断面，要进行多次测量。将得到的数据结果输入安装有处理软件的计算机进行分析、计算、比较，最后得出实测及理论断面比较图形。

3围岩净空位移量测

围岩监控测量具有高效、经济、准确、安全的特点，根据新奥法基本原理可以了解施工中围岩变形和支护状况。全站仪自由设站后，通过远距离测定点的三维坐标，不同时段的坐标记录储存好后，再由计算机对测量数据进行处理，从而得到检测结果，此过程中，三维非接触测量技术非常关键。采用三维非接触测量新技术具有效率高、数据准的特点，在围岩净空位移的测量过程发挥重要作用。三维非接触观测系统由全站仪、后至基准点、反射靶标和计算机四个主要部分组成。此外，全站仪还装有围岩验收检测模块。在进行观测时，充分发挥记录模块的效能，修正仪器参数，为了数据结果的精准，打开补偿器功能。为避免膜片发生倾斜，尽量使用相同的侧位。观测时通过三次重复设站进行测量，然后取其平均值，得到可靠的数据。最后数据由计算机分析处理输出测量结果。

三维测量范文4

关键词：全站仪；三维地形图；测绘

1 三维数字地形图的特征

三维数字地形图也是线划地形图，它把地形和地物都看成三维空间对象，用三维离散点表示地物和地貌的空间位置和立体形状。三维数字地形图具有如下特征：它既能反映制图区域内地球自然表面的高低起伏，又能反映其上地物立体形状。它是用三维离散点表示地形或地貌以及地物空间立体形态的矢量地图，在反映地物的平面位置或大小与竖直方向的高程或高度时，都是按1：1或同一比例尺表示的。它在反映空间地理信息时都是比较精确、细致和详细的，用比例尺的概念表示就是大比例尺的，如1：500、1：1000和1：200，且通常都是小区域的。它只能是数字或电子形式的，不能是纸质的。

2 全站仪棱镜测量测绘三维数字地形图的分析

2.1 全站仪棱镜采集三维数据的内容与特征

三维数字地形图数据的采集方法较多，全站仪采集是诸多方法中的一种，但全站仪野外数据采集一般工作量比较大，要注意各种技术人员的密切合作，来提高工作的效率和质量。该方法适用于大比例尺、精度要求高的三维空间数据，且作业面积范围较小的工程。三维地形数据采集包括两个阶段，一是：外业采集，主要是利用全站仪采集地形点的三维空间数据。由于受通视条件、劳动强度等因素的影响，只能采集地形特征点的三维空间数据，地形特征点一般是指山谷点、山脊点、洼地、山脚点、山顶等等。由于这些特征点的密度不够和分布不均匀。这样在对有些地区的地表高低起伏就很难精确的表示。二是：内业加密，就是将外业采集的数据，通过内插的方法对特征点的密度和分布进行有效处理，获得分布均匀，密度适当的地形点及高程，使其更能详细的反映地势的走向。在利用全站仪野外获取三维地物数据测量时，地物底部特征点数据的获取是比较容易的，难点在于怎样获取地物顶部特征点数据。

2.2 全站仪棱镜测量三维数字地形图的方法

2.1 用全站仪测量水平距离和两个竖直角，来求地物的高度

此方法在进行测量竖直角时，由于地物很高，受到全站仪望远镜仰角的限制，因此要将仪器架在离建筑物较远的地方，才能进行测量。用全站仪来测量地物的顶部和底部的两个竖直角和到地物的水平距离计算地物的高度。地物的高度H=h1+h2，其中：h1=s tan(v1)，h2=s tan(v2)。式中：v1-顶部竖直角，v2-底部竖直角，s-水平距离。此方法测量高度的精度取决于测距和角度测量精度，适合用在点状地物、线状地物和规则的面状地物。

2.2 测量两个斜距和一个平距，来求地物的高度

该方法在测距离时，同样遇到如方法1中的影响。用全站仪来测量地物点的顶部和底部的两个斜距，及到地物的水平距离，利用直角三角形的原理来计算地物的高度。地物高度是：H=h1+h2，其中

式中的s1-顶部斜距，s2-底部斜距，s-水平距离。该方法测量高度的精度取决于测距精度的要求，适合于有高度的点状地物、线状地物和规则的面状地物。

2.3 全站仪棱镜测量方法的实验和精度分析

用全站仪测量因瓦合金尺的高度来进行精度的分析。因瓦合金尺是一等特种・特型专用精密因瓦水准标尺，它主要采用标准CH8008-92因瓦合金带4J36，线膨胀系数≤1.3×10-6/℃；米间隔真长与名义差≤±0.02mm；米间隔平均真长≤0.008mm；分米分划真长与名义长之差≤0.01mm，标尺基本与辅助常数差及零点高差≤0.015mm，标尺纵轴线与底平面垂直测定≤4″；底平面平直度≤0.015mm；尺身矢距≤2mm；数字注记为分米和厘米，分划间隔为10mm和5mm，有正象和倒象两种。由于它的性能和精度高，可以把它的尺长看作是真值，用全站仪对它进行测量，探讨地物高度测量方法的精度。

2.3 测量水平距离和斜距的精度分析

本实验中高度精度由测距精度影响，因此高度精度为：

式中ms-斜距中误差，ml-平距中误差。根据此公式对下列试验数据进行精度分析。

表1：测量两个斜距和一个平距来求地物高度的测量数据

根据方法1解算，得到的尺长为1.9988m，和真值相比相差0.0012m。其相对误差是6/10000。

2.5 不同区域内全站仪的数据采集方法

由于野外全站仪测量受到通视条件的限制，在地物比较稀疏的地区或者小范围的测量区域，可以用全站仪采集地物底部特征点的数据，同时可以利用全站仪有棱镜测量法对地物的高度进行测量，不会受到全站仪仰角的限制。在此区域的数据采集利用无棱镜测量时，效率更高，工作量少，经济较低等特点。在城镇或地物比较密集区域，用抽样采集地物底部特征点法采集地物的顶部特征点的数据。此方法就是将全站仪设置在较高的地方，用无棱镜测量模式抽样采集数据，获得上层不同高度顶部特征点的信息。此时进行数据采集时和地面上进行数据采集时的工作过程是一致的。因此获取两层空间数据：地物底部特征数据和地物顶部特征数据。

三维测量范文5

P键词：A3 航空摄影 城市三维模型 纹理

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（a）-0046-03

三维城市模型的构建，一直是测绘领域的主要发展趋势和热门研究课题，在城市规划、国土管理、通信、房地产、城市应急减灾、虚拟现实等行业领域具有极为重要的应用价值。

目前业内针对城市三维建筑模型还没有一个建模标准，笔者基于近两年的项目与技术实践，认为构筑数字城市中的模型数据应该至少包含以下要素：高精度的地形数据、准确的建筑模型以及真实的城市纹理和真实的要素模型等，这是城市最真实化的展示。基于最真实的城市模型数据，才可以实现三维视角下的城市空间信息管理、查询和分析，使普通用户不仅能有接近现实世界真实的感受，也为专业用户提供城市空间现状更为真实、客观和准确的数据分析。

1 A3航空摄影技术介绍

1.1 硬件简介

2011年以色列VisionMap公司推出了大幅面A3数字航摄仪，将传统框幅式与推扫式优点结合起来，并且配备300 mm超长焦距，可以高效率同步获取正射和倾斜高分辨率影像。

A3数字航摄仪由存储器、小型计算机、GPS、电源、控制终端接口及旋转双镜头组成。相机质量为35 kg，尺寸为53×53×53 cm，镜头数量2个，焦距300 mm。

1.2 主要技术特点

（1）300 mm超长焦距在相同航高下可以获取超高分辨率影像数据，保证城市影像分辨率质量和效果。（2）109°超大视场角可以获取超大幅面影像数据，不但采集效率高，还可以同步采集不同角度的影像。（3）70%以上超高重叠度可获取同一地物的多角度观测影像，保证航带间影像加密点数量，提高空三精度。（4）LightSpeed全自动数据处理系统，可以保证数据的生产效率。

2 三维模型制作方法

2.1 技术路线

基于A3航空摄影数据特点，同时吸收了传统建模方法中手工制作的优点，形成了一套较完整的解决方案，可以有效解决传统城市三维建模的不足。

该方案利用A3数字航摄仪提供的超大幅面立体像对（superlarge format，SLF）同步采集建筑物矢量模型、地形，并利用大角度倾斜影像映射建筑模型侧面纹理。另外，为了弥补航空采集不足，地面底商、楼宇遮挡以及小品等区域，通过地面拍照方式进行采集制作，如图1所示。

该技术路线具有如下特点：

（1）利用A3高空航空摄影的作业方式，可以进行大面积、高效率的采集，特别适合大范围、快速的城市建模需求。（2）超大幅面立体像对（SLF）可以用于采集准确的建筑物轮廓几何信息，并同步提取高分辨率的纹理，节省纹理单独制作环节。（3）A3长焦距影像可以制作城市准真正射影像，保证城市密集区的视觉效果，与三维模型整合的三维场景更真实。（4）此种方式建立的建筑物模型为单体的、对象化的模型，可以对各个模型进行单独的加工、修改、编辑，甚至添加各种属性信息。（5）实景模型数据精确，三维GIS分析结果准确度更高，可以满足规划、国土、城市管理等领域的应用需求。

2.2 三维模型制作

利用超大幅面立体像对（SLF）进行三维模型的制作。在立体采集环境的支持下，类似传统DLG采集模式，采集建筑物几何信息。较传统航摄相机，SLF立体像对由于视场角度大，可以最大可能采集到建筑物侧面几何信息，如图2所示。

2.3 实景纹理制作

（1）倾斜影像空间定位。

经过空三加密输出的SLF立体像对具有精确的影像外方位元素，可以准确恢复每张影像的空间位置，具有精确的三维坐标信息，如图3所示。

（2）纹理制作。

在制作出高精度的体框模型后，基于定位后倾斜影像本身的特点，结合数字三维及空间几何投影技术选取每个模型面，获得其角点的物方坐标（X，Y，Z），已知倾斜影像的外方位元素及倾斜影像本身的投影框物方坐标（X，Y，Z），通过判断每张倾斜影像与该模型面是否相交筛选出与之模型面对应的所有影像集，然后利用共线方程，计算出所选模型面在每张像片上的投影像点坐标（x，y），通过筛选算法按照影像质量及影像投影面最优原则将相应影像集排序，挑选最优影像稍作编辑，最后将所选像片纹理部分截取并计算出纹理坐标自动映射到模型面上，从而实现实景三维模型的自动化纹理提取映射功能，如图4所示。

3 应用案例

2014年4月，在长沙市选取了约50 km2建成区进行A3影像数据采集，为了更好采集侧面纹理，测区采用双向交叉飞行方式，测区技术参数见表1。

该项目制作完成1∶1 000数字高程模型（DEM）、数字正射影像（DOM），并针对核心区进行了实景城市模型制作，如图5所示。

4 三维建模技术探讨

三维测量范文6

[关键词]颅面形态;三维测量;激光扫描

[中图分类号]R783 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455(2010)03-0404-04

A study on the reliability of three-dimensional craniofacial measuring system

SONG Jian-wei1,HOU Yu-xia1,ZHANG Yan-ning2,SHI Jian-yu2,ZHAI Pei-fang2,LI Jiang-bo1,ZHOU Hong1

(1.Department of Orthodontics,Stomatological Hospital,Xi'an Jiaotong University,Xi'an 710004,Shaanxi,China; 2.School of Computer Science,Northwestern Polytechnical University)

Abstract:ObjectiveThe study aimed to develop the three-dimensional auto measuring system of craniofacial soft tissue, and to analyze the reliability of the system.MethodsThe measuring software of craniofacial soft tissue was developed based on the laser scanner. 30 volunteers were selected to study the reliability of the system, which were analyses by comparing with the direct measurement.Results52 landmarks, 129 measurement items of craniofacial soft tissue can be done in this system. Compared with the direct measurement,the system has a better reliability. The different less than 1mm accounted to 50 percent in line measurement,and less than 2mm accounted to 35.3 percent. ConclusionThe characters of the 3D auto measuring system included: measuring item was full,the visualization was better, measuring precision was accurate relatively. The system was a useful, precise and rapid way to research the craniofacial soft tissue morphometry, especially for the large sample craniofacial soft tissue morphometry.

Key words:craniofacial mophometry;three-dimensional measurement;laser scanner

颅面形态三维重建和测量在口腔正畸学、正颌外科、法医学、人类学及美学等领域有重要的意义。在20世纪80年代,激光扫描首次被应用于面部软组织三维测量[1]。激光三维扫描具有非介入性、被测物体无形变、测量重复性好、测量精度最高的特点,是目前获取面部软组织数据最先进的技术。本研究基于三维激光扫描建立精确、高效的面部软组织三维重建和自动测量系统。

1材料和方法

1.1计算机软硬件支持:计算机:CPU Celeron3.2,内存 512M,硬盘 160G,显卡 Geforce 7300GS,操作系统 Windows XP 三维激光扫描仪:Minolta VIVID910三维激光扫描仪(日本美能达公司)。开发环境:Microsoft Visual C++,VTK可视化类库。

1.2颅面部标志点和测量项目:参照Farkas颅面部表面直接测量法[2],选取面部标志点52个,正中矢状面12个点,左右对称的点有20对(如图1～2);129项测量项目,包括60项线距、17项弧长、4项角度和48项比例指数;其中绝对值测量项目头面部24项,眶部23项,鼻部12项,口唇部18项;比例指数包括水平向17项,垂直向20项,水平与垂直相比11项。

1.3测量系统的建立

1.3.1采集面部图像:受试者自然姿势位,眶耳平面与地面平行,睁眼,面部放松,双眼平视前方;分别进行正面、左45°、右45°位面部激光扫描;用RapidForm2004软件对获得的面部正侧位图像进行拼接、匹配、整合为完整的三维人面图像,处理后保存为vrnl 2.0格式。

1.3.2三维自动可视化测量软件:采用Visual C++编写软件,OpenGL图形平台,自主研发颅面部软组织三维自动测量软件,使用vrml格式数据,实现面部图像的显示和三维测量功能,全部操作过程采用人机对话和菜单选择方式完成。按顺序进行52个定点,选择全面测量可以进行129项自动测量,测量结果直接输出文档,结果数据可复制到Excel表格进行处理。

1.3.3三维自动测量精度:选择西安地区正常面型青年志愿者30例(男12例,女18例),年龄18～25岁;软组织直面型,左右对称,面部形态正常,无正颌、正畸及外伤史;2°≤ANB≤4°。对每位研究对象进行面部激光扫描自动测量和Farkas面部软组织直接测量。测量结果采用SPSS12.0处理,每个测量项目进行配对t检验,分析自动测量系统的测量精度。

2结果

2.1颅面软组织三维自动测量系统:本系统实现激光扫描重建三维图像的重现,可以将人面图像显示为三角片模式、散点模式以及充填模式,操作常采用充填模式(如图3);并可对图像任意缩放、旋转、移动,便于精确定点(如图4～6)。实现面部软组织三维测量,包括52个标志点,129项测量项目,测量结束时直接输出结果文档。

2.2三维自动测量精度的比较研究

2.2.1正常面型颅面软组织77项绝对值测量中,有统计学意义的占25项,包括16项线距,9项弧长;且主要为涉及下颌角点(gonion go)、耳屏上界切迹点(tragion t)的项目。角度测量均与直接测量法无显著差异(见表1)。

2.2.2正常面型颅面软组织48项比例指数差值中,有统计学意义的项目有14项,水平比例指数8项,垂直比例指数4项,水平与垂直比例指数2项,主要涉及t点、go点绝对值测量值与直接测量法有显著差异项的比例指数,以及与弧长有关的比例指数项(见表2)。

2.2.3测量结果差值分布表,在60项线距测量项目中,测量差值小于1mm的有30项(占50%),小于2mm的有41项(占68.3%);在17项弧长测量中,差值小于2mm的有6项,占35.3%(见表3)。

3讨论

3.1自动测量:本系统通过激光扫描获取面部软组织三维信息重构面部三维模型,实现面部52个标志点的129项测量项目的自动测量,测量省时省力,适于大样本研究面部软组织三维形态。任意定点后也可以选择即时测量进行任意两或三点间线距、角度、弧长的测量,所有测量结果均自动生成数据文档,利于后期数据统计分析。

3.2测量项目全面:本课题组前期的研究初步实现面部软组织激光扫描三维重建及43个标志点的56项点距测量[3]。本系统是前期软件的优化,具有测量项目较多较全的特点,包括52个标志点和129项测量。Aung[4]等人的激光三维测量系统包括41个标志点83个测量项目,其中表面测量17项。许天民等人[5]开发激光测量系统可进行13个定点,3项线距,2个角度测量。白玉兴[6-7]等人利用数字化面部软组织三维重建和测量系统可进行14项角度、13项线距、5项比率测量。另外,面部的平衡和协调,并不仅在于测量的角度、线距的绝对值,而是由于相互之间的比例关系所引起的,面部的比例更为重要[2]。本系统的测量项目包括比例指数48项,其中水平比例17项,垂直比例20项,水平与垂直比例11项。对于面部比例指数的测量,可以对面部形态进行更全面的测量分析研究。

3.3可视化效果好:本测量系统可视化效果较好,测量时可以对人面模型进行任意方向的旋转,利于精确定点,如颏下点(gnathion gn)定点时可以将人面向上向后旋转成仰视暴露颏下方而准确定gn点;可以对图像进行任意放大和缩小,对于标志点比较密集的部位,可以对模型进行放大以保证视图清晰、定点准确。定点数字提示顺序,出现错误可及时纠正;所有操作采用菜单提示,人机交互使用,用户使用方便。

3.4测量精度较高:激光三维扫描测量具有精度高,可重复性好的特点,Kau[8]的研究表明,首次面部的三维激光扫描与3s后扫描的形态差值为0.3mm,与3天后扫描的差值为0.4mm。Lynnerup[9]对激光扫描精度的研究表明,干头颅的5个激光扫描测量项目与手工直接测量的差值均在1mm左右。Aung等[4]研发的激光扫描系统能以0.5mm的精度重建面部软组织图像,并进行41个标志点,83个项目的三维测量,30名志愿者的激光扫描测量和直接测量比较表明,有12项差值小于1.0mm(14.0%),16项差值小于1.5mm(19.0%)。Kovacs[10]等人在严格控制扫描条件下,发现有50%的线距测量项误差小于2mm。本研究通过对30位志愿者激光三维测量和直接测量的对比表明,在60项线距测量中,差值小于1mm的有30项(占50%),小于2mm的有41项(占68.3%)。与国外学者Aung 和Kovacs研究相比,本系统具有更高的精确性。人体测量手册要求人体测量误差不超过2～3mm,本系统的三维测量精度,基本达到临床要求。

本研究结果中仍有19项点距差值大于2mm(占31.7%),17项弧长测量项目中差值小于2mm的仅有6项(占35.3%)。弧长的测量误差与测量算法有关,有待在今后研究中进一步优化。点距误差的产生与go、t点定点困难有关,go点需要触摸方可在面部准确定点,在直接测量时能准确定位,而激光三维图像只能通过视图估计,因此定点误差较大;在激光扫描三维重建图像中,耳屏前区因头发阻挡影响该处的重建可能会影响t点定点以及其相关项目的测量。今后的研究中可以进行go点扫描前贴反光材料和带头帽等处理降低定点误差。

[参考文献]

[1]Moss JP,Linney AD,Grindrod SR,et al.Three-dimensional visualization of the face and skull using computerized tomography and laser scanning techniques[J].Eur J Orthod,1987,9(1):247-253.

[2]Farkas LG,Munro IR.Anthropometrc facial proportions in medicine[C].Springfield,Iillinois Charles C Thomas Publisher,1987:278-310.

[3]龙丽华,周 洪,潘俊君,等.面部软组织激光扫描三维自动测量系统的初步研究[J].中国美容医学,2008,17(5):701-704.

[4]Aung SC, Ngim R C K, Lee S T. Evalution of the laser as a surface measuring tool and its accuracy compared with direct facial anthropometric measurements[J].British Journal of Plastic Surgery,1995,4(8):551-558.

[5]刘 林,许天民,张 益,等.激光扫描在面部畸形三维重建及测量中的初步应用[J].口腔医学,2005,12(6):345-347.

[6]白玉兴,郭宏铭,刘凤德,等.面部软组织三维重建及测量系统的研制与应用[J].中华口腔医学杂志,2001,36(4):298-300.

[7]郭宏铭,白玉兴,周立新,等.面部软组织不对称性的三维测量研究[J].口腔正畸学,2004,1(1):32-34.

[8]Kau C,Richmond S, Zhurov A, et al.Reliability of measuring facial morphology with a 3-dimensional laser scanning system[J].American J OrthodDentofacOrthop, 2005,128(4):424-430.

[9]Niels Lynnerup,Maja-Lisa Clausen,Agnethe May Kristoffersen,et al.Facial recognition and laser surface scan: a pilot study[J].Forensic Science,Medicine,and Pathology,2009,5(3):167-173.