CN112902905A - 一种基于高清3d扫描的地物谱测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子与科学技术领域，公开了一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法及系统，所述基于高清3D扫描的地物谱测试方法包括：选定需要测量的地物，并进行预先处理；用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据并保存；将各个面元的法向量坐标进行提取；计算各个面元的法向量的两个方位角θ和

将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；对得到的统计数据进行假设检验。本发明填补了目前市场上基于我国特有的地形地物建立模型领域的空白，为根据地物谱推断地物形状提供依据。

Description

一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法及系统

技术领域

本发明属于电子与科学技术领域，尤其涉及一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法及系统。

背景技术

目前，3D扫描成像技术是集成了光学、计算机、机械、电子等多个学科的新兴技术，3D扫描成像技术一出现就备受关注，也迅速被开发应用到众多行业。随着光学理论、计算机图形处理技术、电子电路技术等技术和理论的发展，3D扫描成像技术获得了更加迅速的发展。随着3D扫描成像日益发展成熟，这种技术的应用范围更加广泛，已经应用到了工程测绘、游戏建模、医学影像检查、建筑三维建模、文物扫描成像等众多领域。3D扫描成像技术具有使用方便、获取图像结果快、可以扫描精细结构等优点。

对3D扫描成像技术的研究，西方发达国家一直以来领先于我国。这主要得益于西方的科学技术的发展，使得3D扫描成像技术在西方国家早已进入实际应用的阶段，他们也已经开发出了很多成熟的商业产品。西方国家的技术领先使得他们迅速占据了民用市场，占据了3D扫描成像技术的垄断地位。目前能够获得的植被、山地等模型文件都是西方国家提供的。而我国的地形地物则具有一些不同于西方国家地形地物的独有特点，在进行计算运用时，使用西方国家提供的模型去替代我国实际的地形地物必然会出现误差，也就使得计算得到的最终结果也会存在不小的误差。因此利用我国自身独有的地形地物建立我国特有的地形地物模型是很有必要的。另外，目前在游戏建模、建筑景观设计、电磁散射计算等领域都需要使用高精度的草地、树木等地物的模型，目前针对草地、树木等建立的模型大多数精度较低，达不到使用要求，也就降低了用户体验。所以对于真实地物的高精度建模是很有必要的。有时在科研中只能获得一些零散的谱数据并且并不知道这些谱数据是哪种物体的，这就给实际应用这些数据带来了很大麻烦，即使利用这些数据计算得到了结果也无法找到标准数据与之对应，也就无法分析误差以及误差产生的因素，就更不能去针对这些因素去减小误差了。所以，利用谱数据去反推物体的形状也是一项很有应用价值的技术。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)利用根据外国地形地物建立的模型应用于针对我国实际地形地物的问题会存在较大误差。

(2)目前根据以往技术得到的地物模型的精度往往较低，已经无法满足实际应用的需求，达不到使用要求，也就降低了用户体验。

(3)在实际处理问题的过程中，时常要根据已有的谱数据去预测实际物体的形状，而目前这一领域依然是空白的。

解决以上问题及缺陷的难度为：如何利用3D扫描成像技术得到实际物体的模型、如何对得到的模型进行面片处理得到每个面片的法向量相关信息、如何计算和统计方向角信息。

解决以上问题及缺陷的意义为：可以填补目前市场上基于我国特有的地形地物建立模型领域的空白，为我国依靠实际物体模型的相关技术和相关产品的发展提供强有力的支持；为根据地物谱推断地物形状提供依据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法，所述基于高清3D扫描的地物谱测试方法包括以下步骤：

步骤一，选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

步骤二，用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

步骤三，利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

步骤四，将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

步骤五，根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

步骤六，将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

步骤七，对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

进一步，步骤一中，所述选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理，包括：

(1)根据实际测量需求选择需要测量的地物，选择地物时要挑选不被其他物体遮挡的目标，保证选择的目标位于某一个平面区域上；

(2)对地物进行预先处理分为两个部分，首先是清除目标物周围的杂物，也包括去除并不需要扫描的其他物体，其次是粘贴定位标记点。

进一步，步骤二中，所述用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接，包括：

首先将移动工作站开机，在工作站上插上USB接口和加密狗，再连接3D扫描仪和移动工作站，在连接的时候应当先将电源线一端与3D扫描仪连接，然后将电源线另一端接到电源上，再将数据线与3D扫描仪连接，最后将数据线与移动工作站连接。

进一步，步骤三中，所述利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存，包括：

(1)加载配置文件

用鼠标点击移动工作站桌面上的i3D-SCAN图标，选择以管理员身份运行；打开软件后会出现设备连接成功的提示，点击i3D-SCAN软件主界面上的工具选项卡，选择其中的配置选项卡，弹出选择配置文件复选框，选择Config文件夹，点击确定即可完成设备配置文件的配置；

(2)对3D扫描仪进行校准

将标定板置于稳定平面上，点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的校准选项，弹出校准界面；在校准界面的左右两侧和上侧会有显示扫描仪自身方位的进度条显示，进度条里深色圆点为扫描仪实际所处的位置，三个进度条里的浅色圆点和界面中心浅色椭圆是扫描仪应该所处的标准位置；

(3)进行扫描

点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的扫描选项中的扫描目标点；点击3D扫描仪的启动按钮启动3D扫描仪，对物体表面粘贴的定位点进行扫描；完成目标点的扫描后，点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的暂停扫描选项；暂停扫描之后物体的正反面会自动拟合到同一个坐标系，然后对扫描得到的目标点进行先期处理；通过鼠标右键框选不需要的目标点，然后点击工程选项卡中的删除选项即可将多余的目标点进行删除；完成多余目标点的删除操作后，即可点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的停止扫描选项完成对目标点的扫描操作；

将3D扫描仪对准物体的某一个较大平面后，再点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的扫描选项中的扫描点云选项，开始对物体进行扫描；点云扫描完成后，点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的暂停扫描选项，暂停扫描之后物体的正反面点云会自动拟合到同一个坐标系；

(4)文件保存

点击文件选项卡中的保存按钮，弹出文件保存对话框，用户在对话框中选择要保存的文件，可以选择的保存的内容有：项目、网格、点云、目标点；最后选择文件存储的地址和存储类型STL，点击确定即可。

进一步，步骤(2)中，在校准界面点击开始校准，首先移动3D扫描仪保持深色椭圆和浅色椭圆重合，然后前后、左右移动3D扫描仪，使得左侧和上侧进度条里的深浅色圆点重合，保持3D扫描仪前后和左右的位置不变；右侧会出现移动的浅色圆点，通过上下移动3D扫描仪使得右侧的深色圆点与浅色圆点重合，重合之后浅色圆点会自动移动位置，然后接着向上移动3D扫描仪再次使深浅圆点重合，重复此操作，直至右侧的浅色圆点不在移动，上下位置的校准就完成了；随后会进行左右方向的校准，操作与前后校准基本一致，只是移动3D扫描仪时应该左右倾斜；最后是进行前后俯仰方向的校准，移动3D扫描仪时应该俯仰移动；三个方位的校准完成后会弹出校准完成对话框，并显示此次校准的精度，点击确定即可完成校准。

进一步，步骤四中，所述将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取，包括：

利用FEKO软件将STL文件转换为NAS文件，然后利用MATLAB程序将NAS文件中包含的每个三角形的顶点坐标提取出来，然后写出三角形共顶点的两条边表示的矢量，假设为

利用

和

的叉乘就可以计算出各个三角面元法向量，从而获得法向量的三个坐标x、y、z。

进一步，步骤五中，所述根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

包括：

(1)方向角的定义为：

(2)利用MATLAB编程，将各个面元法向量的三个坐标代入公式计算即可得到各个法向量对应的两个方位角。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法的基于高清3D扫描的地物谱测试系统，所述基于高清3D扫描的地物谱测试系统包括：

地物选定及预处理模块，用于选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

仪器连接模块，用于通过数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

地物模型数据获取模块，用于利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据；

数据保存模块，用于将模型数据保存为STL文件并保存；

坐标提取模块，用于将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

方位角计算模块，用于根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

方位角统计模块，用于将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数；

关系图绘制模块，用于在得到各个角度的方位角的总个数后，画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

假设检验模块，用于对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，利用高清3D扫描成像技术进行基于高清3D扫描的地物谱测试，涉及3D扫描成像技术的应用、文件类型转换、面片处理技术、法向量的提取方法和统计估计以及假设检验方法，可用于游戏开发领域对场景建模时使用，也可以用于电磁计算领域对地物谱的预测及相关的使用方法探索。同时，本发明填补了目前市场上基于我国特有的地形地物建立模型领域的空白，为我国依靠实际物体模型的相关技术和相关产品的发展提供强有力的支持，为根据地物谱推断地物形状提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于高清3D扫描的地物谱测试方法流程图。

图2是本发明实施例提供的应用的定位标记点示意图。

图3是本发明实施例提供的3D扫描仪使用的定位标记点的粘贴方式示意图。

图4是本发明实施例提供的3D扫描仪使用的校准板示意图。

图5是本发明实施例提供的使用的3D扫描仪软件的校准界面示意图。

图6是本发明实施例提供的使用3D扫描仪扫描得到的草的3D模型。

图7是本发明实施例提供的利用草的3D扫描结果得到的θ数据的直方图。

图8是本发明实施例提供的利用草的3D扫描结果得到的

数据的直方图。

图9是本发明实施例提供的做出的θ的累积分布曲线示意图。

图10是本发明实施例提供的做出的

的累积分布曲线示意图。

图11是本发明实施例提供的基于高清3D扫描的地物谱测试系统结构框图；

图中：1、地物选定及预处理模块；2、仪器连接模块；3、地物模型数据获取模块；4、数据保存模块；5、坐标提取模块；6、方位角计算模块；7、方位角统计模块；8、关系图绘制模块；9、假设检验模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于高清3D扫描的地物谱测试方法包括以下步骤：

S101，选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

S102，用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

S103，利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

S104，将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

S105，根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

S106，将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

S107，对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

本发明提供的基于高清3D扫描的地物谱测试方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的基于高清3D扫描的地物谱测试方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图11所示，本发明实施例提供的基于高清3D扫描的地物谱测试系统包括：

地物选定及预处理模块1，用于选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

仪器连接模块2，用于通过数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

地物模型数据获取模块3，用于利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据；

数据保存模块4，用于将模型数据保存为STL文件并保存；

坐标提取模块5，用于将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

方位角计算模块6，用于根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

方位角统计模块7，用于将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数；

关系图绘制模块8，用于在得到各个角度的方位角的总个数后，画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

假设检验模块9，用于对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

本发明提供的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，本发明提供的地物预测方法仅仅是一个具体实施例而已。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明基于高清3D扫描仪，进行实际地物的3D扫描，利用得到的STL文件中包含的法向量信息进行计算，得到各个法向量的方位角，对方位角进行统计计算就能得到地物谱。

本发明提供的利用高清3D成像技术的基于高清3D扫描的地物谱测试的方法包括以下步骤：

第一步，选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理，包括去除杂物、粘贴定位标记点等；

根据实际测量需求选择需要测量的地物，这里选择一株草作为扫描目标。选择草时要挑选一株不被其他物体遮挡的草，保证这株草周围有足够的空间进行扫描，并且保证这株草位于一片较为平坦的地面上，便于后续对模型进行处理。

对地物进行预先处理主要分为两个部分。首先是清除目标物周围的杂物，也包括去除并不需要扫描的其他物体。因为在扫描时杂物的出现会给后续处理数据带来难度，对模型进行修整时与模型粘连在一起的杂物很难去除，就会造成模型的不精准。在扫描草时把相邻的其他草和地面上落叶石头等杂物去除，尽量保证所要扫描的草不被其他物体遮挡。其次就是粘贴定位标记点，定位点的样式如图2所示，使用时将各个定位点粘贴到草的叶片上下表面即可。定位点是为了让扫描仪确定物体的所有面的相互关系，避免将几个互相连接的面视为一个面，也就很大程度的提高了扫描精度。在粘贴定位点时有以下几点要求：首先是在物体正反面应该粘贴四个以上的定位点，要保证从任意角度观察时都能看到至少四个定位点。粘贴时尽量避免贴在棱角处。如果将定位点贴在棱角，扫描仪进行扫描时就无法确定棱角处是两个面的连接还是一整个面。其次，粘贴定位点时应保证随机粘贴，尽量避免定位点集中在同一行。采用三角形粘贴就能很好的保证随机性，粘贴方式如图3所示。随机粘贴可以使扫描仪更好的确定物体各个面之间的相互关系。

第二步，用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

首先将移动工作站开机，在移动工作站上连接USB接口和加密狗，加密狗是为了保证数据安全，不插加密狗3D扫描仪就不能进行工作。再连接3D扫描仪和移动工作站，在连接的时候应当先将电源线一端与3D扫描仪连接，注意在连接的时候应当是电源线接口处的箭头朝上，然后将电源线另一端接到电源上，再将数据线与3D扫描仪连接，最后将数据线与移动工作站连接。在接线的时候应注意动作轻缓，不要用蛮力，避免损坏连接线接头。

第三步，利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

(1)加载配置文件，具体操作如下：

首先用鼠标点击移动工作站桌面上的i3D-SCAN图标，选择以管理员身份运行打开扫描仪管理软件i3D-SCAN。打开软件后会出现设备连接成功的提示。然后点击i3D-SCAN软件主界面上的工具选项卡，选择其中的配置选项卡，弹出选择配置文件复选框，选择Config文件夹，点击确定即可完成设备配置文件的配置。

(2)对3D扫描仪进行校准，具体操作如下：

校准时使用的标定板如图4所示。首先将标定板置于一个稳定平面上，保证标定板水平。然后点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的校准选项，就会弹出校准界面。校准界面如图5所示。其中深色椭圆显示的是3D扫描仪发出的激光目前所照射到的区域，随着3D扫描仪的移动，校准界面的椭圆也会随之移动。在校准界面的左右两侧和上侧会有显示扫描仪自身方位的进度条显示。左侧的进度条里深色圆点为扫描仪在前后方向上实际所处的位置。右侧的进度条里深色圆点为扫描仪在垂直方向上实际所处的位置。上侧的进度条里深色圆点为扫描仪在左右方向上实际所处的位置。这三个进度条里的浅色圆点和界面中心浅色椭圆是扫描仪应该所处的标准位置。

在校准界面点击开始校准，首先移动3D扫描仪保持深色椭圆和浅色椭圆重合，然后前后、左右移动3D扫描仪，使得左侧和上侧进度条里的深浅色圆点重合，保持3D扫描仪前后和左右的位置不变。右侧会出现移动的浅色圆点，通过上下移动3D扫描仪使得右侧的深色圆点与浅色圆点重合，重合之后浅色圆点会自动移动位置，然后接着向上移动3D扫描仪再次使深浅圆点重合，重复此操作，直至右侧的浅色圆点不在移动，上下位置的校准就完成了。随后会进行左右方向的校准，操作与前后校准基本一致，只是移动3D扫描仪时应该左右倾斜。最后是进行前后俯仰方向的校准，移动3D扫描仪时应该俯仰移动。三个方位的校准完成后会弹出校准完成对话框，并显示此次校准的精度，点击确定即可完成校准。

(3)进行扫描，具体操作如下：

点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的扫描选项中的扫描目标点。然后点击3D扫描仪的启动按钮启动3D扫描仪，对草表面粘贴的定位点进行扫描。软件界面右侧会有彩虹条显示，指示光标位于绿色区域时表示3D扫描仪与草的距离是合适的，一般建议3D扫描仪与物体的距离在400mm左右。在扫描物体表面的定位点时，先从一个面开始，将侧面目标点也附带在一起进行扫描。扫描完一个面时开始另一个扫描另一个面，扫描每一个面时都应该将侧面的目标点附带在一起进行扫描。扫描时应当缓慢移动3D扫描仪，在扫描物体两个面的交界处时应当保证每个面都至少有两个定位点被扫描到，并且在交界处要缓慢的过渡扫描，不可过快。扫描过快时会导致3D扫描仪将两个面连接为同一个面。在扫描过程中也不要移动物体或者将其他物体放入3D扫描仪的扫描区域，避免造成扫描结果重影。完成目标点的扫描后，点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的暂停扫描选项。然后可以对扫描得到的目标点进行先期处理。通过鼠标右键框选不需要的目标点，然后点击工程选项卡中的删除选项即可将多余的目标点进行删除。完成多余目标点的删除操作后，就可以点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的停止扫描选项完成对目标点的扫描操作。

点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的扫描选项中的扫描点云选项，3D扫描仪会发出网状的激光，开始对物体进行扫描。这样3D扫描仪就会以最初扫描到的面为基准面，避免了后续处理数据时的建立坐标轴困难等等很多麻烦。和扫描定位点时一样，扫描点云时也应该将侧面目标点和点云附带在一起进行扫描。在扫描物体时应当缓慢扫描，匀速扫过物体后，没有扫到的地方再重新扫一次，不要在某一个位置反复扫描。在遇到物体表面有较复杂的结构时，要改变3D扫描仪的角度多次扫描，使得3D扫描仪发出的激光以多个角度扫过物体表面，这样就能得到更精细的物体模型。当物体表面有较深的凹陷时，可以点击3D扫描仪上的模式按键，转换到精细模式，这时3D扫描仪发出的网状激光会变为线状激光，可以更方便的扫描凹陷处。点云扫描完成后，点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的暂停扫描选项。暂停扫描之后物体的正反面点云会自动拟合到同一个坐标系。如果点云扫描之后出现有孤立与目标外的多余点云可以通过操作删除。点击工程选项卡中的点云选项，选择孤立点，可以在界面看到所有的孤立点都显示为红色的选中状态，然后点击工程选项卡中的删除选项即可将孤立点云删除。这个操作可以轻松地去除我们不需要的点云。也可以通过点云选项中的非连接项选中孤立的点云。

i3D-SCAN软件还具有更改坐标系的功能。通过点击工程选项卡的坐标系选项可以根据用户需求自行设定坐标系。在弹出的界面中选择窗口选项，可以根据用户的要求选择平移坐标轴或者旋转坐标轴，也可以重新设置坐标轴的原点位置。在工程选项卡中的个性化选项中用户也可以根据个人需求修改模型的颜色。

针对扫描时存在的小漏洞，i3D-SCAN软件提供了补洞的操作。点击工程选项卡中的网格选项，选择补洞操作，然后用鼠标左键点击需要修补的漏洞，就可以完成漏洞的修补工作。补洞时有三种模式可以选择，分别为平面、曲面和转角，可以根据实际物体的形状自行选择，以达到最好的效果。

(4)文件保存，具体步骤如下：

在保存前如果数据量过大，可以选择对模型进行简化。点击工程选项卡中的网格选项，选择简化就会弹出简化窗口。根据需要在窗口中输入保留三角形数量和保留百分比即可，也可以选择是否保留边界，选择完成后点击确定就可以完成模型数据的简化。同样的，如果觉得模型过于粗糙也可以对目标模型进行细化。点击工程选项卡中的网格选项，选择细化，输入相应参数就能完成细化。这款软件会在结构复杂处使用较小的三角面片进行分割，在结构比较简单的地方，比如大的平面，就会使用较大的三角面片进行分割。这种操作可以减少多余的数据量。

点击文件选项卡中的保存按钮，会弹出对话框，用户可以在对话框中选择要保存的文件：项目、网格、点云、目标点。最后选择文件存储的地址和存储类型STL，然后点击确定即可。扫描得到的草的3D模型如图6所示。

第四步，将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标提取出来；

利用FEKO软件将STL文件转换为NAS文件，然后利用MATLAB程序将NAS文件中包含的每个三角形的顶点坐标提取出来，然后写出三角形共顶点的两条边表示的矢量，假设为

利用

和

的叉乘就可以计算出各个三角面元法向量，从而获得法向量的三个坐标x、y、z。

第五步，根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角q和

方向角的定义为：

所以将各个面元法向量的三个坐标代入公式计算就可以得到各个法向量对应的两个方位角的数据。这一步可以利用MATLAB编程完成。

第六步，将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的直方图。

首先确定数据的极差，即最大值和最小值之差。通过计算可以得到：

θ的极差为R_θ＝161.592-0＝161.592≈160；

的极差为

令θ的直方图分为16组，

的直方图分为18组。用极差除以组数就可以得到直方图每组的宽度即组距。θ的直方图组距为h_θ＝160÷16＝10，

的直方图组距为

由组距和最大值最小值可以确定每组的组界。以θ的数据为例，第一组为0～10，第二组为10～20，第三组为20～30，……，第16组为150～160。

的组界确定方法与此一样。

组距确定好了以后就可以编制频数分布表，根据组界把数据表中的各个数据列入对应的组，然后统计各组的频数即可。

θ的频数表如表1所示，

的频数表如表2所示。

表1θ的频数表

0～10	10～20	20～30	30～40	40～50	50～60	60～70	70～80
								7621	16715	17681	16849	15126	13946	9980	6742
80～90	90～100	100～110	110～120	120～130	130～140	140～150	150～160
								2288	1590	1399	195	4	4	3	1

表2

的频数表

-90～-80	-80～-70	-70～-60	-60～-50	-50～-40	-40～-30	-30～-20	-20～-10	-10～0
									4276	4695	6257	8173	9115	10102	8330	6433	5772
0～10	10～20	20～30	30～40	40～50	50～60	60～70	70～80	80～90
									5176	6344	6410	5535	4575	5395	4747	4740	4068

以数据值为横坐标，频数为横坐标即可画出直方图。画出θ数据的直方图如图7所示，

数据的直方图如图8所示。

(7)对得到的统计数据进行假设检验。

做出θ和

的累积分布曲线，曲线如图9和图10所示。利用KS检验即可对统计数据进行假设检验。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，所述基于高清3D扫描的地物谱测试方法包括：

选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

2.如权利要求1所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，所述选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理，包括：

(1)根据实际测量需求选择需要测量的地物，选择地物时要挑选不被其他物体遮挡的目标，保证选择的目标位于某一个平面区域上；

(2)对地物进行预先处理分为两个部分，首先是清除目标物周围的杂物，也包括去除并不需要扫描的其他物体，其次是粘贴定位标记点。

3.如权利要求1所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，所述用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接，包括：首先将移动工作站开机，在工作站上插上USB接口和加密狗，再连接3D扫描仪和移动工作站，在连接的时候应当先将电源线一端与3D扫描仪连接，然后将电源线另一端接到电源上，再将数据线与3D扫描仪连接，最后将数据线与移动工作站连接。

4.如权利要求1所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，所述利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存，包括：

(1)加载配置文件，用鼠标点击移动工作站桌面上的i3D-SCAN图标，选择以管理员身份运行；打开软件后会出现设备连接成功的提示，点击i3D-SCAN软件主界面上的工具选项卡，选择其中的配置选项卡，弹出选择配置文件复选框，选择Config文件夹，点击确定即可完成设备配置文件的配置；

(2)对3D扫描仪进行校准，将标定板置于稳定平面上，点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的校准选项，弹出校准界面；在校准界面的左右两侧和上侧会有显示扫描仪自身方位的进度条显示，进度条里深色圆点为扫描仪实际所处的位置，三个进度条里的浅色圆点和界面中心浅色椭圆是扫描仪应该所处的标准位置；

(3)进行扫描，点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的扫描选项中的扫描目标点；点击3D扫描仪的启动按钮启动3D扫描仪，对物体表面粘贴的定位点进行扫描；完成目标点的扫描后，点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的暂停扫描选项；暂停扫描之后物体的正反面会自动拟合到同一个坐标系，然后对扫描得到的目标点进行先期处理；通过鼠标右键框选不需要的目标点，然后点击工程选项卡中的删除选项即可将多余的目标点进行删除；完成多余目标点的删除操作后，即可点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的停止扫描选项完成对目标点的扫描操作；

将3D扫描仪对准物体的某一个较大平面后，再点击i3D-SCAN软件主界面上的工程选项卡，选择其中的扫描选项中的扫描点云选项，开始对物体进行扫描；点云扫描完成后，点击工程选项卡，选择其中的扫描选项中的暂停扫描选项，暂停扫描之后物体的正反面点云会自动拟合到同一个坐标系；

(4)文件保存，点击文件选项卡中的保存按钮，弹出文件保存对话框，用户在对话框中选择要保存的文件，可以选择的保存的内容有：项目、网格、点云、目标点；最后选择文件存储的地址和存储类型STL，点击确定即可。

5.如权利要求4所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，步骤(2)中，在校准界面点击开始校准，首先移动3D扫描仪保持深色椭圆和浅色椭圆重合，然后前后、左右移动3D扫描仪，使得左侧和上侧进度条里的深浅色圆点重合，保持3D扫描仪前后和左右的位置不变；右侧会出现移动的浅色圆点，通过上下移动3D扫描仪使得右侧的深色圆点与浅色圆点重合，重合之后浅色圆点会自动移动位置，然后接着向上移动3D扫描仪再次使深浅圆点重合，重复此操作，直至右侧的浅色圆点不在移动，上下位置的校准就完成了；随后会进行左右方向的校准，操作与前后校准基本一致，只是移动3D扫描仪时应该左右倾斜；最后是进行前后俯仰方向的校准，移动3D扫描仪时应该俯仰移动；三个方位的校准完成后会弹出校准完成对话框，并显示此次校准的精度，点击确定即可完成校准。

6.如权利要求1所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，所述将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取，包括：利用FEKO软件将STL文件转换为NAS文件，然后利用MATLAB程序将NAS文件中包含的每个三角形的顶点坐标提取出来，然后写出三角形共顶点的两条边表示的矢量，假设为

利用

和

的叉乘就可以计算出各个三角面元法向量，从而获得法向量的三个坐标x、y、z。

7.如权利要求1所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法，其特征在于，所述根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

包括：

(1)方向角的定义为：

(2)利用MATLAB编程，将各个面元法向量的三个坐标代入公式计算即可得到各个法向量对应的两个方位角。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

用数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据，将模型数据保存为STL文件并保存；

将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数，然后画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

10.一种应用如权利要求1～7任意一项所述的基于高清3D扫描的地物谱测试方法的基于高清3D扫描的地物谱测试系统，其特征在于，所述基于高清3D扫描的地物谱测试系统包括：

地物选定及预处理模块，用于选定需要测量的地物，并对地物进行预先处理；其中，所述预先处理包括去除杂物并粘贴定位标记点；

仪器连接模块，用于通过数据线和电源线将3D扫描仪与移动工作站连接；

地物模型数据获取模块，用于利用3D扫描仪对实际地物进行高精度扫描，获得被三角网格分割的地物模型数据；

数据保存模块，用于将模型数据保存为STL文件并保存；

坐标提取模块，用于将导出的STL文件中各个面元的法向量坐标进行提取；

方位角计算模块，用于根据方位角定义，计算出各个面元的法向量的两个方位角θ和

方位角统计模块，用于将所有面元的方位角进行统计，得到各个角度的方位角的总个数；

关系图绘制模块，用于在得到各个角度的方位角的总个数后，画出每个角度的个数与对应角度的关系图；

假设检验模块，用于对得到的统计数据进行假设检验；其中，所述假设检验的指标包括显著性水平和置信度。

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