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三維測量范文1
【關鍵詞】 三維細化 刪除模板 拓撲結構 旋轉不變性 三維非接觸測量
一、引言
圖像細化廣泛應用在各個領域，如醫學圖像分析，模式識別等。三維圖像細化是圖像處理和視覺分析的主要研究方向，細化提取的骨架是后續圖像分析和特征提取的重要基礎。從三維細化的結果中可提取基本尺寸和基準線、基準面等特征，包括物體的軸線基準、軸線長度，形狀結構及聯接關系。通過這一系列參數和特征準確表述和確定目標的當前狀態，從而實現對三維目標的全方位的非接觸測量。
三維細化算法主要包括提取中心線和提取中心面兩類，本文重點研究中心線的提取。在一個三維二值圖像中黑點和白點分別代表目標點和背景點，細化就是將逐層將黑點移除（黑點改為白點）直到僅剩一個像素寬的骨架。連通性及拓撲結構的保持是三維細化過程中考慮的主要問題，概括為三個方面：（1）輸入圖像中的任何物體不能被拆分或完全消除；（2）任何空腔不能與背景或另一個空腔合并；（3）不能消除或新增任何的空腔和孔洞。連通性的保持是拓撲性質的保持的基礎，例如形如“o” 的物體細化后不能形如 “c”，細化后提取的骨架應位于物體的中軸，并且看起來相似于原物體；同時細化算法在物體平移、比例變化及旋轉前后提取的骨架應基本保持一致。
提取中心線的三維細化算法多是基于模板的并行細化算法。并行細化算法有子迭代并行細化算法，區域并行細化算法[10，11]和完全并行細化算法三類。完整的基于模板的完全并行三維細化算法由Ma和Sonka提出，這一算法不能很好的保護三維物體的拓撲結構，后續研究者發現這一問題，Wang和Basu通過擴充刪除模板解決了某些情況下細化結果出現斷裂的情況，但仍存在一些問題，且由于刪除模板擴充后有方向性，不能保證三維物體旋轉后的細化結果保持不變。
針對上述問題，提出一種新的細化算法，從基礎模板在各個方向上旋轉得到具有各向同性的刪除模板，保證了模板的對稱性，使物體旋轉之后細化結果和旋轉前細化結果保持一致；給出了真偽刪除點的定義，并證明了提出的算法滿足連續性保持的條件，解決了點同時刪除造成不連續的問題。
二、三維細化旋轉不變性理論分析
Wang和Basu針對Ma和Sonka的算法中不能保持連通性的情況對D類模板添加更多更細致的限制，擴充了最終的刪除模板。Ma算法中D類刪除模板是12個，Wang對模板中的一些點增加了限制，把D類模板擴充為36個。Ma算法中d7如圖2所示，Wang擴充后的d7如圖3所示。
圖3 Wang算法中刪除模板d7-1，d7-2，d7-3算法主要步驟：
1）檢測邊界點（26鄰域內至少有一個是背景點）。
2）并行刪除滿足任一刪除模板的非尾點。
3）返回1）直到o任何點可以被刪除。
完全并行細化算法，從各個方向同時逐層刪除三維物體中的點，這保證了最終結果位于原物體的中軸上，且相似于原物體。但并行細化算法的細化結果有出現斷裂的可能，每一層的點在進行刪除模板的匹配及其他刪除條件的判斷時，若點與點之間相互為滿足刪除條件的必要點，同時刪除所有滿足條件的點得到的細化結果就可能出現斷裂，不能保持原物體的拓撲結構。
其他情況下仍仍然會出現斷裂，使最終細化結果無法保持原物體拓撲結構。同時因為只改變了某些方向上的模板，最終的刪除模板不再是完全對稱，使得細化算法不具旋轉不變性。
三、基于保拓撲結構和旋轉不變性的細化算法
針對上述分析提出一種新的基于保拓撲結構和旋轉不變的三維細化算法。首先給出旋轉不變性的定義，其次設計了各向同性的刪除模板，最后根據需要定義了真偽刪除點，并論述了提出的算法滿足連續性保持的條件。通過假設驗證法，檢測候選刪除點刪除前后26鄰域內目標體和背景組的數目變化，確認刪除點的真偽，保持了原有的拓撲結構，進而確保物體旋轉后細化結果的連續性不變。
關于旋轉不變性做如下定義：
定義1（旋轉不變性）：當物體相對之前位置旋轉后，通過細化提取的骨架與旋轉前提取的骨架形態及結構保持一致，簡稱該細化算法具有旋轉不變性。
為使旋轉后結果與旋轉前結果保持一致，本文構造了具有各向同性的刪除模板。如圖4所示，新算法中具有各向同性的D類刪除模板是12個，且模板中限制點比Ma算法中少。改進刪除模板是基于圖2中四類基本模板，通過繞三個中軸旋轉獲得，在結構上是完全對稱的，從而保證在各個方向模板是同性的，使新算法具有旋轉不變性。
為準確表達該算法，做如下定義：
定義2（真偽刪 除點）：在每次迭代中，通過與刪除模板的匹配，簡單點、非尾點的判斷選出候選點，假設所有候選點被刪除，再逐個檢驗候選點被同時刪除后26鄰域內目標體的數目和背景組的數目有沒有改變，若改變稱為偽刪除點，若未發生變化稱為真刪除點。
每次迭代中對符合刪除模板且滿足其他刪除條件的目標點做標記，假設標記點已全部被刪除（值為0），逐個對標記點位置進行檢測，檢測標記點位置26鄰域中目標點（黑點）的連通性，和18鄰域中背景點的連通性，若連通性發生改變則把標記點重置為1，若未改變確定刪除。因為在一次迭代中任何點的刪除不應該改變其26鄰域中目標點的連通性和18鄰域中背景點的連通性。這就有效防止同時刪除一系列點造成細化結果出現斷裂破壞拓撲結構的可能。
連通性證明：本文算法按照簡單點的定義選候刪除點，為保證被刪除的點是簡單點，在刪除前做如下判斷：判斷當前點26鄰域內的目標點是否連通；判斷當前點18鄰域內的背景點是否連通且至少有一個點與當前點是6鄰接，所以被刪除的點都是簡單點，滿足條件①。通過刪除點的真偽驗證表明對每一個刪除點來說，在其他點被刪除后，26鄰域內仍然只有一個目標體，18鄰域內只有一個背景組，即還是簡單點，所以每次迭代中同時刪除的所有點的集合是一個簡單點集合。那么屬于一個單位正方形上的兩個，三個或四個不同點被同時刪除時，它們也是簡單點集合，表明本文算法滿足條件②、③、④。假設存在一個包含在單位立方體內的目標體被完全刪除，那么單位立方體內八個點只能是可被刪除的點或者背景點，可被刪除的點必須滿足某一刪除模板，根據根據本文算法設計的刪除模板特點，八個點中總有一個面上的四個點必須同時是背景點，因此包含在一個單位立方體內能被完全刪除的目標體不存在，即滿足條件⑤。因此本文算法滿足三維細化算法保持連通性的條件。
基于保拓撲結構具有旋轉不變性的三維細化算法主要步驟：
1）檢測邊界點（26鄰域內至少有一個是背景點）；
2）檢測滿足任一刪除模板同時屬于非尾點和簡單點的點，并標記為候刪除點；
3）根據定義2判斷2）中標記的候刪除點的真偽，若為真，則確認刪除，否則不刪除；
4）返回1）直到無任何點可以被刪除。
四、 物體的尺寸提取與非接觸測量
對細化后的骨架進行像素數的統計可以得到三維模型的幾何尺寸信息，這些測量信息可以精準地描述三維模型的當前狀態。比如表面即為邊界點的集合，通過判斷是否具備空間26連通可以快速提取邊界點，表面積可以表示為邊界點像素的總和，這種表示方法不僅簡單，而且被證明是物體表面積的無偏和一致的最好估計。
根據三維圖像數據和尺寸基準線，可提出和計算目標的厚度、高度、徑向、軸向、位置等幾何尺寸，計算各組成部分的長度、高度、寬度或直徑、半徑等形狀參數，計算表面各部分的幾何距離，有關結構與重要基準面、基準線的距離以及平行度、平面度、圓度、同軸度等形位誤差。用這一系列參數和特征準確表達和確定目標的實際當前狀態，從而實現對目標的全方位的非接觸測量。
五、實驗結果與分析
該部分設置了四個實驗。在前兩個實驗中把新算法分別和Ma的算法，Wang的算法做對比，表明新算法在保持連通性方面的優勢；在第三個試驗中把新算法與Wang的算法的細化結果做對比，表明新算法具有旋轉不變性；第四個實驗是新算法細化各類模型得到的精實墓羌堋
新算法與Ma算法的細化結果對比如圖5所示，在圖5.（a）中是一個連續的簡單模型，圖5.（b）中是Ma算法的細化結果，左右連在一起的兩個方形在細化后被分開，破壞了原有的連通性，圖5.（c）中是新算法的細化結果。左右兩個方形細化后任連在一起，保持了原有的拓撲結構。在圖6.（a）中是一個連續的簡單模型，圖6.（b）中是Ma算法的細化結果，上下連在一起的兩個方形在細化后被分開，破壞了原有的連通性，圖6.（c）中是新算法的細化結果。上下兩個方形細化后任連在一起，保持了原有的拓撲結構
六、結論
完全并行基于模板的細化算法，會出現斷裂，導致細化結果拓撲結構發生改變，并且不具有旋轉不變性，本文通過設計各向同性模板，判斷后刪除點的真偽解決了這一問題，并通過實驗進行了驗證；在三維細化的基礎上實現了非接觸測量，提取三維特征信息，這將進一步滿足對三維模型特征分析的需求。
參 考 文 獻
[1]廖開陽，張學冬，章明珠.一種新的指紋圖像快速細化算法[J].計算機工程與應用，2008，44（5）：93-95.
[2]鄧剛，童學鋒.FPTA快速細化算法在脫機手寫體漢子識別中的應用.計算機工程與應用，2002，01：135-136
三維測量范文2
在測量逐步數字化的今天，三維已經逐漸的代替二維，因為其直觀性是二維無法表示的。三維激光掃描儀就是近年來迅速發展起來的先進測量儀器，由于激光具有單色性、方向性、相干性和高亮度等特性，將其引入測量裝置中，在精度、速度、易操作性等方面均表現出巨大的優勢，它的出現是測繪領域繼GPS技術之后的又一次突破性技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，通過對觀測對象進行多角度的立體掃描、得到被測對象的位置及高度等信息，然后對這些信息進行處理、建模，拼接成圖，即可獲取高精度高分辨率的數字模型。三維激光掃描儀每次測量的數據不僅僅包含X，Y，Z點的信息，還包括R，G，B顏色信息，同時還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現的感覺，是一般測量手段無法做到的。
1 三維激光掃描儀分類
三維激光掃描儀種類很多，按照掃描平臺的不同可以分為：機載（或星載）激光掃描系統、地面型激光掃描系統、便攜式激光掃描系統。
按照有效掃描距離可分為：
（1）短距離激光掃描儀：其最長掃描距離不超過3m，一般最佳掃描距離為0.6～1.2m，通常這類掃描儀，不僅掃描速度快且精度較高，適合用于小型模具的量測。
（2）中距離激光掃描儀：最長掃描距離小于30m的三維激光掃描儀屬于中距離三維激光掃描儀，其多用于大型模具或室內空間的測量。
（3）長距離激光掃描儀：掃描距離大于30m的三維激光掃描儀屬于長距離三維激光掃描儀，其主要應用于建筑物、礦山、大壩、大型土木工程等的測量。例如，奧地利Riegl公司出品的LMS Z420i三維激光掃描儀和加拿大Cyra技術有限責任公司出品的Cyrax2500激光掃描儀等，屬于這類掃描儀。
（4）航空激光掃描儀：最長掃描距離通常大于1公里，并且需要配備精確的導航定位系統，其可用于大范圍地形的掃描測量。
要保證掃描數據的精度，就必須根據項目的需要，在相應類型掃描儀所規定的標準范圍內使用。
2 三維激光掃描儀外業數據采集
要進行外業數據的采集，首先要選擇合適的位置設置測站。選取視野開闊，行人車輛較少的地方，架好三腳架，將三維激光掃描儀固定在三角架上，再選擇合適的位置（或者已知點）擺放球狀標靶，并依次對其進行編號，以便于后期點云數據的編輯操作。
首先要開機預熱約5分鐘左右，然后在儀器設置中輸入工程名稱，量取儀器高，并將儀器高及標靶的坐標、高程等數據輸入儀器，選擇掃描方式，可以進行全景掃描，也可以指定角度范圍進行掃描。設置好后保存，完成設站。設站完成后，就可以進行掃描數據采集了，直到設置范圍內景物掃描完畢。
一般情況下由于掃描物范圍過大，或者被掃描物體的形狀較復雜，一次設站往往不能完成物體的掃描，這就需要多次遷站，重復上述過程，以完成整個物體的掃描。為了拼接建模的需要，各測站中，要保持三個以上公共點。
3 掃描數據的內業處理
3.1 掃描數據的預處理
野外數據采集完成后，回到室內，將點云數據傳入電腦，應用相應專業軟件對掃描數據進行預處理。
由于外業環境較為復雜，在數據采集過程中避免不了人員及車輛的通過。人員及車輛的數據信息就會被采集到儀器中，數據量大大增加，對于三維建模沒有用處，且會影響程序的運行速度，需要將其剔除，這就是點云數據的去噪聲。
點云數據采集的是海量數據，數據量過大會影響程序的運行速度，因此在不影響曲面模型重構和保持一定精度的前提下需要對采集的數據進行適當刪除精簡。常用的精簡方法有：平均精簡即原點云中每n個點保留1個；按距離精簡即刪除一些點后使保留的點云中點與點間的距離均大于某值。
3.2 三維建模
對空間信息進行可視化表達，即進行三維建模，通常有兩類方法：基于圖像的方法和基于幾何的方法?；趫D像的方法是通過照片或圖片來建立模型，其數據來源是數碼相機。而基于幾何的方法是利用三維激光掃描儀獲取深度數據來建立三維模型，這種方法含有被測場景比較精確的幾何信息。
掃描時往往在一站不能測出所有數據，而需要從不同位置、多視角進行多次掃描，即多次設站。各測站采集的點云就需要對齊、拼接。點云對齊、拼接可以通過在物體表面布設同名控制點（各測站間的重合標靶）來實現。
為了真實地還原掃描物體，需要將掃描數據用準確的曲面表示出來，這個過程叫曲面重構。常見曲面有以下幾類：三角形網格、細分曲面、明確的函數表示、暗含的函數表示、參數曲面、張量積B樣條曲面、NURBS曲面、曲化的面片等。
曲面重構完成后，下一步就可以進行掃描物體的三維建模，還原掃描物體的本來面目，點云數據處理步驟基本完成。
4 注意事項
進行三維激光掃描測站的選擇，應注意該選在視野相對開闊的地方，四周遮擋物較少，這樣掃描范圍廣，減少測站的設置，提高工作效率，加快工作進程。
其次測站的選擇離觀測對象不宜過近，以免仰角太大，影響成像的效果。
在掃描過程中，人員盡量減少在儀器前的走動，以免影響掃描結果，增加數據的采集。
各測站間一定要有3個以上重合點，且要有相應的編號，便于數據的拼接建模。
5 三維激光掃描儀發展前景
三維激光掃描的主要特點是實時性、主動性、適應性好。三維激光掃描數據經過簡單的處理就可以直接使用，無需復雜的費時費力的數據后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復雜環境下應用；并且可以和GPS等集合起來實現更強、更多的應用。三維激光掃描技術作為目前發展迅猛的新技術在文物古跡保護、建筑、規劃、土木工程、工廠改造、室內設計、建筑監測、交通事故處理、法律證據收集、災害評估、船舶設計、數字城市、軍事分析等領域已有了廣泛的應用，相信隨著科技的進一步發展三維激光掃描技術將會在越來越多的領域得到充分的應用。
【參考文獻】
[1]花向紅，馬立廣.地面三維激光掃描測量技術研究[D].武漢：武漢大學，2005.
三維測量范文3
關健詞：隧道斷面放樣測量、CASIOfx-4800P、三維坐標法
1.引言
隧道斷面測量除實地放樣出輪廓線之外，還必須對掌子面進行控制，以判斷是否超欠挖，從而可以掌握施工的進度及如何控制生產成本。以往隧道開挖時需花幾十萬購置一臺斷面儀，對一般的施工隊伍來說花費巨資購置儀器簡直是不現實的事。而且斷面檢查時需先把中心里程的樁位實地放樣，再將儀器置于該樁位上測量對應的輪廓面。因此為了提高測量的工作效率及人員、設備的安全性，可采用免棱鏡全站儀結合CASIOfx-4800P計算器在任意站進行斷面測量，可隨時隨地掌握隧道的開挖情況。
2. CASIOfx-4800P計算器編程方法
2.1 隧道超欠挖檢查原理
根據圖1列出超欠挖的公式：
PC=[（Z-E0）2+（H-W）2]1／2-R ―――（1）
（1）式中：Z―根據實測坐標反算出來的偏距
E0―隧道中心線離線路中線（即線路坐標計算的依據線）的距離
H―實測的高程
W―待求點所在里程的圓心設計高程
R―隧道設計半徑
2.2 CASIOfx-4800P主程序（相關的符號可據圖1加以理解）
A“H0”：B“H”：M“E0”：I“I0”：O“S0”：L“LS”：Z“Z0”：R“R0”：W=A+Abs(L-O)×I+Hs:
PC“cqw”=Pol(B-W,Z-M)-R
說明：（2）式中如果PC0，表示欠挖；如果PC0，表示超挖。
式中：H0―隧道出口或進口的軌頂設計高程
H―實測點的高程
E0―隧道中心線離線路中線（即線路坐標計算的依據線）的距離
I0―路線的縱坡度%
S0―隧道進口或出口里程
LS―根據實測坐標反算出來的里程
Z0―根據實測坐標反算出來的偏距
R0―隧道設計半徑
Hs―內軌頂面至圓心的高度
2.3 隧道任意里程斷面點的坐標正反算
2.3.1 程序功能
本程序由一個主程序(ZBZFS)和兩個子程序―正算子程序(SUB1)、反算子程序(SUB2)構成，可以根據曲線段――直線、圓曲線、緩和曲線（完整或非完整型）的線元要素（起點坐標、起點里程、起點切線方位角、線元長度、起點曲率半徑、止點曲率半徑）及里程邊距或坐標，對該曲線段范圍內任意里程斷面點的坐標進行正反算。
2.3.2 源程序
(1).主程序(ZBZFS)
"1.SZ => XY"："2.XY => SZ"：N：U"X0"：V"Y0"：O"S0"：G"F0"：H"LS"：P"R0"：R"RN"：Q：C=1÷P：D=(P-R)÷(2HPR)：E=180÷π：N=1=>Goto 1：≠>Goto 2Δ
Lbl 1：{SZ}：SZ：W=Abs(S-O)：Prog "SUB1"：X"XS"=X
Y"YS"=Y
Goto 1
Lbl 2：{XY}：XY：I=X：J=Y：Prog "SUB2"：S"S"=O+W
Z"Z"=Z
Goto 2
(2).正算子程序(SUB1)
A=0.1739274226:B=0.3260725774:K=0.0694318442:L=0.3300094782:F=1-L:M=1-K:X=U+W(Acos(G+QEKW(C+KWD))+Bcos(G+QELW(C+LWD))+Bcos(G+QEFW(C+FWD))+Acos(G+QEMW(C+MWD))):Y=V+W(Asin(G+QEKW(C+KWD))+Bsin(G+QELW(C+LWD))+Bsin(G+QEFW(C+FWD))+Asin(G+QEMW(C+MWD)))：F=G+QEW(C+WD)+90：X=X+ZcosF：Y=Y+ZsinF
(3)反算子程序(SUB2)
T=G-90：W=Abs((Y-V)cosT-(X-U)sinT)：Z=0：Lbl 0：Prog "SUB1"：L=T+QEW(C+WD)：Z=(J-Y)cosL-(I-X)sinL：AbsZGoto1：≠>W=W+Z：Goto 0Δ
Lbl 1：Z=0：Prog "SUB1"：Z=(J-Y)÷sinF
3、線元起點切線方位角的計算方法
根據圖2推算出線元起點切線方位角計算公式：
αi=αA+[(ρi+ρA)(DKi-DKA)×180?！娄衇/2 ―――（2）
(2)式中：αA -前一要素點切線坐標方位角 ；ρA -前一要素點曲率半徑（ρA =1/RA）；αi- 待求要素點切線坐標方位角；ρi- 待求要素點曲率半徑（ρi =1/Ri）
DKA -前一要素點里程號；DKi-待求要素點里程號。
注意：1、當線元左偏時ρAρi為負數；當線元右偏時ρAρi為正數。
2、當ρA =0, ρi =0時,則αi=αA，式（2）變成直線段上任意點切線坐標方位角計算公式；當ρA =1/R，ρi =1/R時，式（2）代表圓曲線上任意點切線方位角計算公式。
可見，若已知曲線段起點和終點的曲率及起點的切線坐標方位角，式（2）便能計算任意線型點位切線坐標方位角。
4、輸出部分
正算時：XS=×××，計算得出的所求點的X坐標；YS=×××，計算得出的所求點的Y坐標。
反算時：S=×××，計算得出的所求點的里程；Z=×××，計算得出的所求點的邊距。
5.結語
三維坐標法適合于施工中隧道開挖斷面放樣測量，可做到哪里需要，測后馬上出結果，一次置鏡能有效地測量全段落的特征點和任意點，可根據斷面的大小與點數的頻率進行測量放樣。該方法也適用于初期支護、二襯施工的斷面放樣測量。
參考文獻：
[1] 覃輝．2009．CASIOfx-4800P/fx-4850P與fx-5800P編程計算器功能比較與程序轉換．2009．上海：同濟大學出版社．
[2] 劉志章．1992．工程測量學．北京：中國水利水電出版社．
三維測量范文4
[關鍵詞]中國實驗用小型豬；顴弓；頂骨；三維測量；修復重建
[中圖分類號]R782.2[文獻標識碼]A[文章編號]1008-6455（2011）03-0411-03
Three dimensional measurement of the zygomatic arch and parietal bone of eight-week old Chinese experimental minipig
MA Jing, LV Chang-sheng,GUI Lai,LIU Jian-feng,NIU Feng
(Department of Cranialfacial Surgery,Plastic Surgery Hospital, Peking Union Medical College,Beijing,China,100144_
Abstract:ObjectiveTo obtain the three dimensional measurement data of the zygomatic arch and parietal bone of eight-week old Chinese experimental minipig and explore the feasibility of repairing the zygomatic arch defect with parietal outer table.MethodsFifteen 8-week old Chinese experimental minipigs underwent skull X-ray and three dimensional CT scan.The original CT data was analysed by Mimics 10.01 software and three dimensional image was reconstructed.Based on measurement of 30 zygomatic arches and parietal bones,the data of the length,height and thickness of the zygomatic arch and the thickness of parietal bone was obtained.And the thickness of the parietal bone and zygomatic arch was compared.ResultsThe length,height and thickness of the zygomatic arch of 8-week old Chinese experimental minipig was (28.18±0.94)mm, (12.80±1.56)mm and (3.00±0.51)mm respectively.The thickess of the parietal bone was (3.68±0.86)mm and it was obviously greater than that of the zygomatic arch (P=0.004).ConclusionsThe parietal bone of 8-week old Chinese experimental minipig has a certain thickness that could potentially be harvested as outer table for zygomatic arch reconstruction.
Key words:Chinese experimental minipig;zygomatic arch;parietal bone;three dimensional measurement;reconstruction
在顱頜面修復重建領域，顱骨常作為植骨的供區。顱骨為膜內成骨，相對于軟骨內成骨如肋骨、髂骨等更不易吸收[1-2]，而且因顱骨離受區近，能夠獲取大量的骨組織，能夠堅強固定，而且其具有自然弧度更適于顱頜面外形的重建。近年來，自體頂骨外板作為自體骨移植物廣泛應用于顱頜面重建[3-5]。
顴弓為面中部的重要支持結構，也是面中部輪廓的重要組成部分。顴弓由顴骨的顳突及顳骨的顴突構成。先天性顴弓發育不良、外傷性及腫瘤切除后顴弓缺損臨床屢見不鮮[5-9]。顴弓缺損重建的方法有全層顱骨游離移植[6]及顱骨外板游離移植[5,8]及復合顱骨外板及全層顱骨帶蒂移植[9]等。但幼齡兒童顴弓重建的報道較少[6]，而且對幼兒重建的時機也沒有統一的意見。
中國實驗用小型豬是理想的實驗動物，在顱頜面重建領域常作為動物模型[10]，但國內外缺乏對于中國實驗用小型豬幼齡豬頭顱測量的相關數據。
本文通過重建三維圖像間接測量8周齡幼齡豬顴弓的長度、高度及厚度及頂骨的厚度，并比較顴弓的厚度與頂骨的厚度，探索顱骨外板修復顴弓缺損的可行性，并為顱骨外板修復顴弓缺損的動物實驗提供一定的實驗依據。
1材料和方法
1.1 材料：8周齡中國實驗用小型豬15頭，由中國農業大學提供，其中雌性8頭，雄性7頭，進行頭顱X線照相及頭顱三維CT掃描前一周開始在北京協和醫學院中國醫學科學院整形外科醫院動物室飼養。實驗前動物體重為（8.94±0.72）kg。頭顱X線照相在北京協和醫學院中國醫學科學院整形外科醫院放射科完成。三維CT掃描在清華大學玉泉醫院CT室完成，CT為SIEMENS SOMATOM Sensation 16。麻醉方式為肌注全麻，麻醉劑為由鹽酸氯胺酮（福建古田藥業有限公司生產）與速眠新Ⅱ（每毫升含保定寧60mg，雙氫埃托啡4mg，氟哌啶醇2.5mg，軍事醫學科學院獸醫研究所研制）按2:1配成的混合液。麻醉劑量為0.6ml/kg，維持劑量為0.3ml/kg。
1.2 麻醉：所有動物麻醉均采用后肢肌注全身麻醉。初始劑量為0.6ml/kg，維持劑量為0.3ml/kg。
1.3 頭顱X線照相及頭顱三維CT掃描：實驗前12h動物禁食水，實驗前10min給予肌注麻醉劑，藥物4-5min起效，維持約60～80min。麻醉起效后將動物從動物室分別轉運至北京協和醫學院中國醫學科學院整形外科醫院放射科及清華大學玉泉醫院CT室，進行頭顱X線照相及頭顱三維CT掃描。檢查為俯臥位，掃描范圍從鼻部前端至頸中部。掃描參數為:電壓120kV，毫安秒mAs=270，球管每旋轉一周的每層床進為6.7mm，曝光時間26s，螺矩=1.79，掃描范圍共220～300層。掃描后所得的斷層數據在CT工作站進行坐標系調整，使得X、Y、Z軸分別與小型豬的水平中線、冠狀位中線和矢狀位中線重合。在CT工作站上進行0.75 mm薄層三維重建，斷層重建的矩陣為512×512，重建野尺寸為230mm，重建核sharp。將重建后的數據按照需要重新拆分成斷層數據，確定圖像質量清晰無誤后，將斷層數據存儲到光盤上轉移至PC機圖形處理工作站。檢查完畢后將動物轉運回動物室進行顱頜面外科其他實驗。
1.4 頭顱三維CT數據處理：用Mimics 10.01 將動物頭顱三維CT原始dicom數據轉化成mcs數據，重建出三維CT圖像（圖1）。骨組織閾值設置為270～2800 Hu。小型豬顱頂部自前向后分別由鼻骨（圖1C）、額骨（圖1D）及頂骨（圖1E）構成。側面可見由顴骨顳突及顳骨顴突構成的顴弓（圖1F）。在三維圖像上測量顴弓的長度，即顴骨與顴弓相交點（A點）與顴弓與顳骨鱗部相交點（B點）之間的距離[14]。顴弓的高度定義為顴顳縫上緣（A點）至顴顳縫對應的顴弓下緣（B點）之間的垂直距離（圖2）。顴弓厚度定義為顴弓高度中央點（圖2C）對應的顴弓內、外板之間的距離。首先在三維圖像上確定顴弓高度中央點C（圖2C），然后在點C相對應的二維圖像（圖3）的軸位相上測量顴弓內板（A點）、外板（B點）之間的距離。對頂骨厚度的測量首先要確定頂骨厚度測量的位置（圖4右下角A、B），在三維圖像（圖4右下角）上畫出顱頂部中線1，然后畫出額骨兩端最外點的連線2，在線1左右側旁開1.0cm做兩條與線1的平行線3及4，在線2與頂骨后緣的中點做線2的平行線5，線3、4與線5的交點A、B即為左右側頂骨厚度的測量點。在二維圖像冠狀位相上測量頂骨兩側對應點內板（圖4左上A點）、外板（圖4左上B點）之間的距離。
1.5 統計學分析：測量數據以均值±標準差表示。統計方法采用兩個獨立樣本檢驗。統計學軟件為SPSS16.0(SPSS,Inc.)。P≤0.05認為有統計學意義。
2結果
2.1 動物情況：15頭小型豬全部完成了頭顱X線照相及頭顱三維CT掃描，過程順利，麻醉平穩，在麻醉及轉運過程中未發生意外及并發癥。
2.2 顴弓及頂骨測量數據：根據對15頭8周齡中國實驗用小型豬30例顴弓的長度、高度、厚度及30例頂骨厚度數據得出的結果如表1，頂骨厚度明顯大于顴弓厚度（P=0.004）。
3討論
在顱頜面修復重建領域，經常會遇到先天性骨組織發育良或顱面裂隙畸形以及后天性骨組織缺損，骨組織重建是顱頜面外科臨床工作中很重要的一部分內容。自體骨因為無免疫源性、能夠獲取大量組織、無明顯供區并發癥而常作為骨組織缺損修復的材料[1-9]。但在臨床中我們很關注的一個問題就是自體骨的成活及吸收問題[1-2]。
自體骨按其形成過程可分為膜內成骨及軟骨內成骨兩種方式。膜內成骨直接由間充質分化發育成骨骼，而軟骨內成骨先由間充質發育成軟骨，然后再經骨化形成骨骼。Zins和Whitaker[1]在1983年將兔的髂骨和全厚顴弓貼敷移植到兔的鼻部，將猴的髂骨和全厚顱骨貼敷移植到顱頂部中線旁，定量比較了膜內成骨和軟骨內成骨的骨吸收和骨形成的不同，表明膜內成骨的骨比軟骨內成骨的骨在兔和猴顱面部能夠保持更多的體積。同時發現保留移植骨骨膜能夠保留更多體積。認為膜內成骨的骨體積增加可能是由于更快的血管化導致移植骨成活增加或延遲血管化導致移植骨吸收延遲。并且預示了顱骨外板作為移植骨供區的廣闊前景。事實也證明，隨著顱頜面外科技術的發展和新設備新儀器的相繼問世，顱骨外板的應用越來越廣泛[3-9]。
顱頂骨為膜內成骨的骨，因此對于各種原因引起的顱面骨發育不良或缺損來說，顱頂部無疑是最佳的供骨區。而且顱頂骨獲取方法及形式多樣靈活，可以全層游離移植[6]或帶蒂移植[9]，也可以用顱骨外板游離移植[5,8]或帶蒂移植[9]。顱骨外板不但可以單層移植，還可以折疊移植以增加突度[5]。
顴弓也是膜內成骨，因而對于顴弓發育不良或缺損來說，顱頂部作為供骨區無疑距離近，轉移方便，而且符合整形外科“缺什么，補什么”的原則。從20世紀80年代至今，有多篇文獻報道了用顱頂骨修復顴弓缺損的方法，而且效果可靠，無嚴重并發癥[5-9]。
對于幼兒早期顴弓缺損重建的文獻報道較少[6]，而且對于早期修復的時機也沒有公認的標準。Fuente del Campo [11]早期切除大鼠的顴弓來制作Treacher Collins 綜合征的動物模型，結果發現早期顴弓缺失會阻礙顱頜面的正常發育，導致前后方向過度生長，因此考慮早期修復顴弓缺損是必要的。
國內外沒有中國實驗用小型豬頭顱測量的相關數據作為參考，也沒有顱骨修復顴弓缺損的相關研究。本實驗旨在獲取8周齡中國實驗用小型豬頭顱測量的相關數據，探索幼齡豬顱骨外板修復顴弓缺損的可行性，為進一步修復方法的比較奠定基礎。
在顱頂骨中，頂骨較為平整，而且厚度較高，可以抵抗較大外力而保護顱腦免受損傷。因為其解剖上的特點，頂骨外板的采取更為常用[3-5]。本實驗采用頭顱中線外1.0cm作為測量頂骨厚度的位置，因為將來要以此線作為骨瓣制作的軸心。我們的動物實驗也證實頂骨具有較厚的厚度，而且厚度明顯大于顴弓，具有制成顱骨外板的潛力，是顴弓修復的理想骨源。
本實驗采用的測量方法具有以下優點：①精確性好，采用西門子16排螺旋CT薄層掃描，獲取的原始數據數據量大，重建后圖像清晰，解剖結構易于辨認；②重建三維圖像可以在三維空間內任意旋轉，更容易準確找到測量點。
[參考文獻]
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[2]Agostini T, Lazzeri D, Pascone C, et al. Onlay bone autografts in nasal augmentation: ilium versus calvaria[J].Plast Reconstr Surg,2010,126(5):1787-1788.
[3]Tessier P, Kawamoto H, Posnick J,et al.Taking calvarial grafts,either split in situ or splitting of the parietal bone flap ex vivo-tools and techniques: V. A 9650-case experience in craniofacial and maxillofacial surgery[J].Plast Reconstr Surg,2005,116(5 Suppl):54S-71S.
[4]Tessier P,Kawamoto H,Posnick J,et al.Taking calvarial grafts-tools and techniques: VI.The splitting of a parietal bone "flap"[J].Plast Reconstr Surg,2005,116(5Suppl):74S-88S.
[5]Zhang Z, Niu F, Tang X, et al. Staged reconstruction forcomplete Treacher Collins syndrome[J].J Craniofac Surg,2009,20(5):1433-1438.
[6]Posnick JC,Goldstein JA,Waitzman AA.Surgical correction of the Treacher Collins malar deficiency:quantitative CT scan analysis of long-term results[J].Plast Reconstr Surg,1993,92(1):12-22.
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[9]van der Meulen JC, Hauben DJ, Vaandrager JM, et al.The use of a temporal osteoperiosteal flap for the reconstruction of malar hypoplasia in Treacher Collins syndrome[J].Plast Reconstr Surg,1984,74(5):687-693.
[10]王太玲,唐曉軍,陳志學,等.預制個體化純鈦支架修復小型豬下頜角缺損的實驗研究[J].中國美容醫學,2008,17(12):1717-1720.
三維測量范文5
第一步需要把隧道的點坐標等設計參數通過程序輸入到儀器中，之后進行放樣操作，通常儀器不直接置于導線點上，而是通過后方交會形式設站，這樣可以避免儀器與掌子面之間的距離過大。在完成儀器站點的設置后，確認三維坐標以及儀器高、方位角等參數無誤后，完成儀器的設站工作。然后，瞄準掌子面測量出儀器站與其之間的距離，計算出掌子面的里程，作為定位掌子面開挖斷面的依據。接著按不同順序測設開挖輪廓線上的點，直至紅色激光確定出第一個點后，做好標記，即完成了一個點位的放樣操作，同理，以下點位的操作亦是如此（如圖4）。需要注意的是，若掌子面不平，應對點位進行多次測量，給出點的允許偏差，力求精準。每一次的測量結果都要經過修正偏移值后從新測量坐標值，直至偏移值達到允許的范圍內為止。
2斷面測量
斷面的測量工作是利用全站儀內部配置的程序完成的，設站時其中一個程序可用后方交會或者自由測站進行設站，儀器的安置具有隨意性，只要在斷面內即可。啟動測量程序前，確認儀器的三維坐標和設置方位角，參數設定好后，儀器開始工作，在隧道軸線法線的垂直平面旋轉一周，測與各個點的距離和角度，并將測量數據儲存，這樣就完成了斷面的外業測量。另一段，儀器的放置不一定在斷面的垂直面內，為了避免頻繁移動儀器，可在建站前最大限度測出儀器最大量程內所有待測的斷面，通過后方交會測量待測斷面，此方法適用于輪廓規則的斷面。對于表面不平的斷面，要進行多次測量。將得到的數據結果輸入安裝有處理軟件的計算機進行分析、計算、比較，最后得出實測及理論斷面比較圖形。
3圍巖凈空位移量測
圍巖監控測量具有高效、經濟、準確、安全的特點，根據新奧法基本原理可以了解施工中圍巖變形和支護狀況。全站儀自由設站后，通過遠距離測定點的三維坐標，不同時段的坐標記錄儲存好后，再由計算機對測量數據進行處理，從而得到檢測結果，此過程中，三維非接觸測量技術非常關鍵。采用三維非接觸測量新技術具有效率高、數據準的特點，在圍巖凈空位移的測量過程發揮重要作用。三維非接觸觀測系統由全站儀、后至基準點、反射靶標和計算機四個主要部分組成。此外，全站儀還裝有圍巖驗收檢測模塊。在進行觀測時，充分發揮記錄模塊的效能，修正儀器參數，為了數據結果的精準，打開補償器功能。為避免膜片發生傾斜，盡量使用相同的側位。觀測時通過三次重復設站進行測量，然后取其平均值，得到可靠的數據。最后數據由計算機分析處理輸出測量結果。
三維測量范文6
關鍵詞：三維激光掃描 數據處理 地形圖 誤差 精度
中圖分類號：P2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0058-01
地形測量一體化是運用測量儀器及技術，對某一地形進行外業測量，并通過內業進行數據處理、建模、生成地形圖的一體化生產過程。對于地形測量，常見的技術方法是全站儀測圖、GPS-RTK測圖、攝影測量等。而對于危險區域的地形測量，如高海拔、地形險峻、環境惡劣區域的地形數據采集，傳統的測量方法如全站儀測圖不能快速的獲取數據，且存在采點困難、作業效率低下等問題，而攝影測量雖然可以一次性獲取大量空間信息，但存在周期長、效率低等問題。三維激光掃描技術實現了傳統測量方法所不具有的優點：無需接觸被測地形、高效率、高精度、快速獲取高密度的三維點云數據。三維激光掃描技術是一種新型的空間信息數據獲取手段，已經在變形監測、文物保護、土木工程、工業測量、自然災害調查、數字城市地形可視化、城鄉規劃等領域得到廣泛運用[1-3]。
1 三維激光掃描儀在地形測量一體化中的運用
1.1 測區概況
本次測區為一滑坡，其位于四川省漢源縣縣城東南約20公里的萬工集鎮，地處大渡河瀑布溝庫區左岸，屬于高中山地形，掃描區域的地形起伏略大，植被較少，減少了對采集到的云數據的干擾，對數據的預處理比較有利，提高了點云數據的真實性和可靠性。
鑒于本項目的地形特點，決定采用Leica Scanstation2三維激光掃描儀進行測量，使用拓普康GPT-7502全站儀布設控制網，其測角精度為2”，測距精度為±（2mm+2ppm）。
1.2 控制網布設
為了在統一的坐標系下對點云數據進行匹配拼接，在測區范圍內埋設了用于設站和定向的控制點K1～K6，其均勻布設在測區內。掃描站點選擇在視野開闊的區域，在保證精度的情況下，能最大范圍的掃描到目標。
1.3 外業數據采集
考慮到該地形的特殊性，采用分站式的掃描方式對測區進行大面積的掃描，即以測站為中心，對周圍一定距離半徑的區域進行掃描。
該三維激光掃描儀與常規全站儀測量不同，可采用已知后視點坐標的自由設站法，置平后無須定向即可測量。將儀器安置在K1上，在測區選擇3個不在同一條直線上的點安放藍白標靶，將其中一個標靶安置在K2上，啟動配套的Cyclone軟件并建立數據庫與工程文件，通過設置角度范圍對掃描區域進行拍照，設置好參數后對目標區域進行掃描。然后依次把掃描儀架設在K3、K5、K6、K4、K2上，采用相同方法進行掃描，直到所有掃描完成。
每測站掃描結束后進行數據的現場檢查，判斷是否有區域掃描遺漏，檢查標靶的采樣率是否符合要求，檢查無誤后對每一測站的數據進行命名，包括測站名稱、掃描順序等，然后保存。
1.4 內業數據處理
點云數據采集完成后，應用Cyclone軟件及Geomagic Studio 12軟件對采集的數據進行處理。其處理過程主要包括：不同測站點云的拼接、噪聲處理、點云濾波平滑、抽稀壓縮、空洞修補及數據輸出。
1.5 地形圖的繪制
經過預處理得到的點云數據其三維坐標是基于掃描儀坐標系統的，而地形圖采用的是國家坐標系統，因此，在用點云數據繪制地形圖前需將基于三維掃描儀的點云數據坐標系轉換到國家坐標系中。在此采用四參數模型進行平面坐標的轉換，而高程的轉換采用平面擬合法。
轉換完成后，從點云數據中提取居民地、交通設施、河流、陡坎、獨立地物等地物點坐標并編輯制圖。其他高程點過濾植被后，按照成圖比例尺大小，選擇合適的點間距，稀釋點云數據，將采樣得到的點云數據導入到CASS中建立DTM模型，生成等高線。將地物和等高線圖形進行疊加編輯，最終完成地形圖。
1.6 成圖質量檢查
對三維激光掃描儀所獲得的點云數據所成的地形圖進行質量檢查，主要采用全站儀所測檢核點的三維坐標和三維激光掃描儀掃描得到的點三維坐標進行對比計算，求出此類點的平面中誤差和高程中誤差[4]，進行質量檢查。
本次在測區內均勻布設了5個檢核點，掃描時在檢核點上安置標靶。采用全站儀測得5個檢核點的三維坐標和掃描儀轉換后坐標數據進行比較來檢查地形圖的可靠性，見表1。
通過表1可以看出，兩者獲取的檢核點平面坐標差值的絕對值最小為4mm，最大值為17mm；高程差值的絕對值最小值為4mm，最大值為28mm。采用表1中的數據，計算得到檢核點的平面中誤差和高程中誤差為：M??x=±15mm，My=±14mm，Mh=±20mm。
對采用三維激光掃描儀得到的點云數據與利用全站儀測得的三維坐標，其檢核點的平面坐標中誤差
2 結論
將三維激光掃描儀用于地形測量是完全可行的，在地形測量一體化中，采用三維激光掃描技術完全能夠滿足一般地形圖測量的需要，與其他地形圖測量方法相比較，其能夠實現真正的一體化，利用三維激光掃描儀與計算機相結合得出的地形圖，大大提高了效率，節省大量人力物力，尤其是在地形險峻、人難以到達的地方有著極大的優勢。
參考文獻
[1] 彭維吉，李孝雁，黃颯.基于地面三維激光掃描技術的快速地形圖測繪[J].測繪通報，2013（3）：70-72.
