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基于三维激光扫描技术的物体面积的测量
作者：黄炜钰 齐东平 路永鑫 沈楚苇 来源：《科学与财富》2016年第04期
摘 要：三维激光扫描技术近年来发展迅速，可海量、快速地获取被测对象的三维坐标，构建出相应精确的三维立体模型，已经成功的在地形测绘、大型结构、飞机船舶制造、公路铁路建设等领域里应用。本文以已知半径铅球为例，将三维激光扫描仪运用到测量实际物体横截面积中。
关键词：三维激光扫描技术；三维激光扫描仪；三维立体模型；横截面积 0 引言
维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，将是测绘领域GPS技术之后的又一次技术革命，三维激光扫描仪已经成为测绘仪器发展的重要方向。为提高现有三维激光扫描仪的性能，拓展其应用范围，本文着重研究了三维激光扫描仪的全站化的方法[1]。随着激光产业链的逐渐形成，在测速、测距、测面积等方面都有广泛运用，三维激光扫描仪的诞生更是为人们带来福音，高精度的测量帮助了以CAD系统为主的绘制，减少了因不准确产生的误差。 本文将以美国法如三维激光扫描仪为例，以已知半径的铅球为对象，在FARO SCENE辅助下，扫描出铅球横截面积为0.0049π2m2 。该结果为三维激光扫描仪扫描物体的实用性和准确性做出了可靠的结论，提供了可参考的依据。 1 三维激光扫描技术
本系统激光扫描单元选用美国法如公司近年推出的一款性价比较高的小型激光扫描仪FARO Focus 3D，具有高精度、高分辨率、通过内置触摸屏进行直观控制、尺寸小、集成快速充电电池、实现高移动性等许多优点，该扫描仪使用相位偏移技术测量距离，其扫描的距离范围在低环境光线和正入射到90%反射面上的条件下为0.6-120m，在正入射到10%不光滑反射面上时为0.6-20m，完全满足测量需求，扫描最大频率可达到97.6万点/秒，系统测量误差可以控制在±2mm，精确度达到毫米级[2]。扫描仪的扫描范围垂直方向扫描视野为305°，水平方向扫描视野为360°，如图1所示。扫描仪本身内置电池，可以连续工作4个小时以上，并且配备触摸屏，可以方便直观的设置各个扫描参数。
扫描仪测量分析：FARO 3D扫描仪对对象的生成有强大的计算能力和储备能力，包括扫描数据生成点、球面、平面、圆柱体等的三维坐标点来进行整合，对目标扫描物在空间的位置进行准确定位，本课题目前仅针对室内空间中铅球面积进行测量。
SCENE 介绍：FARO 3D自带图像处理软件，检查扫描数据和对象、导入数据、分析扫描点、导出扫描点、项目点云等功能。可通过普通USB接口导入图像数据，扫描的数据以大量
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三维坐标点的形式呈现，我们的目标是对大数据中的有用数据点进行分析，从而得到铅球半径。
2 光照强度对成像清晰度的影响
三维激光扫描仪扫描过程中受到检测环境、检测距离、检测温度等影响，以下仅实验其光照强度对成像清晰度的影响。
一组为室内测量，事先放置已知半径大小的铅球于叫光滑平面上（例：桌面、地面、书架等），日光灯和窗帘处于打开状态。开启扫描仪，设置三维扫描仪扫描环境室内25m。选用内置好的参数值开始扫描，扫描过程实验人员保持正常距离范围外，扫描时间持续5分钟左右，扫描完毕关闭扫描仪，利用内存卡将扫描图像导入到SCENE中，在二维平面上观察到三维效果，图像呈黑白并自动渲染成层次不同的色层，人像和球体均清晰。
为研究三维扫描仪是否受到外界光照强度的影响，进行第二组测量。控制变量法控制唯一变量为光照，室内灯和窗帘处关闭状态，再次测量，扫描时间同第一次相比变长，扫描过程中手动显示屏提示扫描外界环境较暗，最终导出图像与第一组对比，差别不大，如图2所示，证明外界光照强度对导出图像清晰度无影响。 3 数据采集及处理
用FARO SCENE打开扫描图像，二维平面上呈现不同大小的球体，选择SCENE球体标记选项，勾选任意一个球体，如图3所示。
计算机计算出球体半径为0.07m，相对扫描口位置为-1.396312，1.080708，-37.574282，扫描点数为11563，半径偏差为0。若选择其他球体，得到不同的相对扫描口位置，扫描点数稳定在12000左右，半径偏差均为0，球体半径均为0.07m，由于扫描球体外部材料均匀，各方向投影均为圆面，故易得出球体的投影面积为0.0049π2m2。
由于FARO三维扫描仪扫描全程以三维坐标记录数据，计算机算出的球体大小即为实际大小，半径偏差为0，与已知实验所用球体半径对比可证明FARO三维激光扫描仪所发出的激光准确性极高。
4不规则物体表面积数据处理
对于不规则的物体，FARO SCENE有类似的计算方法，如图4所示。
以门的面积为例，选择“标记平面”，大数据中筛选出门的边界点的三维坐标点群，包括精确发现点坐标、距测量口相对位置坐标、扫描点等数据点。 5 结束语
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本文主要研究了运用三维激光扫描技术对球体截面积进行测量，通过三维模型的建立和横切面轮廓线提取，对铅球截面积进行计算并精确得出其半径和横截面积。通过本文的研究和实验，证明了三维激光扫描技术应用于测量铅球横截面积是可行并准确的，同时说明运用FARO扫描仪在测量精确球体截面积上是行得通的，可以大胆推测三维扫描仪在测量不规则面积、测距、测速上都会有很大前景。 参考文献：
[1]原玉磊.三维激光扫描应用技术研究[J].解放军信息工程大学，测试计量技术及仪器，2009.
[2]N/A.FARO推出新一代业界最佳三维激光扫描仪和软件[J].《光机电信息》，2009（5），10-10.