基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建

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1、基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 目 錄 中文摘要 . ABSTRTCT. 第一章 緒論 .1 1.1 引言 .1 1.2 研究背景 .1 1.3 研究意義 .2 1.4 本文的研究?jī)?nèi)容 .3 第二章 地面三維激光掃描技術(shù) .4 2.1 三維激光掃描儀的分類 .4 2.1.1 激光掃描系統(tǒng)的分類 .4 2.1.2 三維激光掃描儀工作原理 .5 2.3 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn) .7 2.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .8 2.4.1 國(guó)內(nèi)外三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 .8 2.4.2 國(guó)內(nèi)外三維模型重建的發(fā)展現(xiàn)狀 .9 2.5 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 .10 2.5.1 變形監(jiān)測(cè) .10 2.5.2 歷

2、史古建筑物的保存與恢復(fù) .10 2.5.3 在城市建設(shè)中的應(yīng)用 .10 2.5.4 復(fù)雜工業(yè)設(shè)施的測(cè)量 .10 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 2.5.5 在其他方面的應(yīng)用 .10 第三章 三維模型重建 .11 3.1 相關(guān)概念介紹 .11 3.2 數(shù)據(jù)獲取 .12 3.3 三維激光掃描工作流程 .12 3.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理與初始模型建立 .13 3.4.1 點(diǎn)云拼接 .14 3.4.2 點(diǎn)云去躁和目標(biāo)建筑物提取 .15 3.4.3 點(diǎn)云精簡(jiǎn) .16 3.5 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 .17 3.6 紋理映射 .17 第四章 三維重建的精度分析 .17 第五章 模型重建實(shí)例 .19 5.1 辦公室模型實(shí)驗(yàn)

3、分析 .20 5.1.1 三維點(diǎn)云模型 .20 5.1.2 三維表面網(wǎng)格模型 .22 5.1.3 實(shí)體模型 .22 第六章 總結(jié) .23 6.1 本文所做的工作 .23 6.2 結(jié)論和建議 .24 致 謝 .25 參考文獻(xiàn) .26 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 摘 要 摘要：三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動(dòng)高精度立體掃描技術(shù)。作為一項(xiàng) 新的數(shù)據(jù)獲取手段，以其可以非接觸、快速、精確、高時(shí)性、大量測(cè)量目標(biāo)物 的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域，同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)可 以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，克服了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的 局限性，

4、逐漸受到人們的喜愛(ài)和關(guān)注。同時(shí)，基于三維激光掃描技術(shù)的三維模 型重建通過(guò)三維激光掃描儀獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處 理、配準(zhǔn)、網(wǎng)格化等處理來(lái)恢復(fù)建筑物的三維模型，它無(wú)需對(duì)實(shí)物表面進(jìn)行任 何處理，從實(shí)物中采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，所以所得到的模型具有更好的幾何完 整準(zhǔn)確性、更強(qiáng)的真實(shí)感，使計(jì)算機(jī)視覺(jué)更加客觀真實(shí)。 關(guān)鍵詞 三維模型重建點(diǎn)云數(shù)據(jù)網(wǎng)格化簡(jiǎn) 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 I BASED ON THE RECONSTRUCTION OF THREE-DIMENSIONAL MODEL OF THE 3D LASER SCANNING TECHNOLOGY ABSTRTCT

5、 Abstract：Three-dimensional laser scanning technology is an advanced automatic high precision three-dimensional scanning technology. As a new data acquisition means its can be non-contact, fast, accurate, high when the advantages of three- dimensional coordinates of the target data, a large number o

6、f measurements are widely used in various research areas, at the same time, three-dimensional laser scanning technology into any complex field of environment and space in the scanning operation, to overcome the limitations of traditional measurement techniques, and gradually loved by the people and

7、concerns. The same time, through the three- dimensional laser scanner based 3D model reconstruction of three-dimensional laser scanning technology for building point cloud data pre-processing, registration, grid processing point cloud data to restore the three-dimensional model of the building, it p

8、hysical surface without any treatment, real data collected from the physical target, so the resulting model has a better geometric complete accuracy, more realistic, more objective and real computer vision. KEY WORDS 3D model reconstruction,Point cloud data,Mesh simplification 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 0 第一

9、章 緒論 1.1 引言 三維激光掃描技術(shù)是測(cè)繪領(lǐng)域地又一次技術(shù)的新突破，它可以快速、準(zhǔn)確、 大量的獲取物體的三維空間信息，這些三維空間信息是各項(xiàng)工程建設(shè)的基礎(chǔ)， 但由傳統(tǒng)測(cè)量方式得到的數(shù)據(jù)采樣率低，還有一定的局限性，不能準(zhǔn)確的表達(dá) 實(shí)物的幾何信息和真實(shí)狀況。三維激光掃描技術(shù)借助其無(wú)接觸、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、大 量快速獲取物體表面三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息的優(yōu)勢(shì)，突破了傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)的局限性， 在國(guó)內(nèi)外都有很好的發(fā)展和應(yīng)用。 利用三維激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行三維模型的重是通過(guò)地面三維激光掃描儀快 速獲取目標(biāo)物的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù) 精簡(jiǎn)、特征提取等步驟來(lái)恢復(fù)建筑物的三維模型，它直接從實(shí)物中

10、采集目標(biāo)的 真實(shí)數(shù)據(jù)，無(wú)需對(duì)實(shí)物表面進(jìn)行任何處理，所以所得到的模型具有更好的幾何 完整準(zhǔn)確性、更強(qiáng)的真實(shí)感，使計(jì)算機(jī)視覺(jué)更加客觀真實(shí)，因此，基于三維激 光掃描技術(shù)的三維模型重建有很好的發(fā)展前景。 1.2 研究背景 HHess(Leica公司前任CEO)曾說(shuō)過(guò)“全站儀測(cè)量是20世紀(jì)80年代的技術(shù)， GPS測(cè)量屬于90年代，而地面三維激光掃描是2l世紀(jì)當(dāng)前的測(cè)量技術(shù) 1”。 三維激光掃描技術(shù)，又稱“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。它通過(guò)激光掃描測(cè)量的方法， 獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。采集空間點(diǎn)位信息，快速建立物體的三維 影像模型的一種技術(shù)手段。 三維激光掃描技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始的 一項(xiàng)測(cè)繪技術(shù)的新

11、突破，在最近幾年迅速發(fā)展并日漸成熟。三維激光掃描技術(shù) 被認(rèn)為是一種“實(shí)景復(fù)制技術(shù)” ，它是一種主動(dòng)測(cè)量技術(shù)，具有無(wú)接觸、精度高、 實(shí)時(shí)性強(qiáng)、快速、全數(shù)字特征等優(yōu)點(diǎn)，不但可以節(jié)約成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而 且其輸出格式可直接與CAD、三維動(dòng)畫等工具軟件接口，故使用很方便。地面 三維激光掃描儀使測(cè)繪從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集變?yōu)槊芗⑦B續(xù)的自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)， 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 1 使采集到的三維空間信息更加完整，還提高了工作效率，拓寬了測(cè)繪技術(shù)的應(yīng) 用領(lǐng)域。比如在古建筑物的修復(fù)和保存方面，可以通過(guò)無(wú)接觸來(lái)采集點(diǎn)云數(shù)據(jù) 并建立文物的表面模型，所以在文物遭到破壞后能及時(shí)而準(zhǔn)確的提供修復(fù)數(shù)據(jù)。 在大

12、型土木工程方面，可以獲取施工前的局部精細(xì)地形圖，為工程前期的勘測(cè) 設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料 2?？梢哉f(shuō)三維激光掃描技術(shù)使測(cè)繪領(lǐng)域進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā) 展階段。 隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展和三維激光掃描儀成本的下降，地面三 維模型的重建也越來(lái)越普遍。利用激光掃描儀得到的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地面實(shí) 物模型重建首先對(duì)激光掃描儀掃描的數(shù)據(jù)提前處理一下，然后再對(duì)激光掃描儀 獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，統(tǒng)一在同一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)條件之下，之后還要進(jìn)行 網(wǎng)格化等來(lái)建立三維模型。與建立在圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行的地面三維模型重建相比 較，這種建立在激光掃描獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行的三維地面實(shí)物的模型重建不但 能夠建立具有很強(qiáng)的三維立體模型，而且

13、用這種激光掃描數(shù)據(jù)建立的三維地面 實(shí)物模型具有更好的真實(shí)感，除此以外，這種模型的立體感也比利用圖片建立 的三維地面實(shí)物模型具有更高更準(zhǔn)確的的幾何信息。利用激光掃描技術(shù)獲得的 掃描數(shù)據(jù)建立的地面實(shí)物立體模型能夠更好的在計(jì)算機(jī)世界中再現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)中的 地面實(shí)物 我們知道，在現(xiàn)實(shí)世界中，所有物體都是具有三維空間信息的，因此，利 用計(jì)算機(jī)重構(gòu)現(xiàn)實(shí)世界中存在的全部實(shí)體是我們一直都感興趣的研究問(wèn)題，三 維激光掃描技術(shù)還可以無(wú)需對(duì)實(shí)物表面進(jìn)行任何處理，從實(shí)物中采集目標(biāo)的真 實(shí)數(shù)據(jù)來(lái)重建三維模型，該模型將具有更強(qiáng)的真實(shí)感，更準(zhǔn)的幾何信息。因此， 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建值得我們關(guān)注并進(jìn)一步研究。 1.3

14、 研究意義 三維激光掃描儀作為一項(xiàng)新的數(shù)據(jù)獲取手段，還可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn) 場(chǎng)環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn) 或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的采集到電腦中，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo) 的三維模型及線、面、體、空間等各種制圖數(shù)據(jù) 3。它雖然憑借其明顯的優(yōu)勢(shì) 廣泛的應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、工程建設(shè)等各種領(lǐng)域，目前，在小型地面實(shí)物的 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 2 三維模型重建這項(xiàng)研究方面發(fā)展的己經(jīng)非常成熟。在較大型的地面實(shí)物的三維 模型的重建方面的研究雖然已經(jīng)取得了突破性的發(fā)展，但是還是有許多不完善 的地方需要進(jìn)一步研究，在大型地面實(shí)物模型重建方面還有很大的發(fā)

15、展前景， 但正因?yàn)樗且环N新的技術(shù)手段，在好多方面還不太成熟，在具體應(yīng)用過(guò)程中 還存在各種問(wèn)題需要研究解決。比如運(yùn)用什么樣的方法來(lái)重建立體感較強(qiáng)的地 面實(shí)物的三維模型，研究激光光斑的發(fā)散性對(duì)實(shí)體邊緣和角落信息識(shí)別的影 響，對(duì)掃描過(guò)程中存在的各種誤差進(jìn)行分析，研究掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差傳播規(guī) 律，掃描數(shù)據(jù)的“盲區(qū)”的現(xiàn)象，掃描視場(chǎng)的局限性等。基于三維掃描儀獲取 的三維掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的三維地面實(shí)物模型重建技術(shù)普遍適用性差、推廣率低 的缺點(diǎn)造成了該項(xiàng)技術(shù)的緩慢發(fā)展，如何應(yīng)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立實(shí)體表面模型，評(píng) 價(jià)重建后的模型的精度，如何使三維激光掃描系統(tǒng)校正體系更加完善完善等問(wèn) 題都是目前地面三維激光掃描技術(shù)應(yīng)

16、用中亟待解決的 4。我們相信隨著學(xué)者們 的深入研究，這些問(wèn)題都會(huì)得到逐步解決，基于三維掃描數(shù)據(jù)的地面三維模型 重建的技術(shù)將會(huì)更加成熟，廣泛用于社會(huì)主義建設(shè)，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。 采用什么樣地方法來(lái)快速高效的重建地面三維模型并對(duì)該模型進(jìn)行精度評(píng) 定等上述問(wèn)題都將會(huì)是我們以后研究的方向，如果采取有效的手段彌補(bǔ)應(yīng)用中 的缺陷不足，對(duì)以后建立完整的三維空間數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行精確的地理空間數(shù)據(jù) 表達(dá)都有很重要的意義。 1.4 本文的研究?jī)?nèi)容 由于空間數(shù)據(jù)非常多而且特別復(fù)雜沒(méi)有什么規(guī)律，相應(yīng)的，空間數(shù)據(jù)獲取 方面也會(huì)面臨有數(shù)據(jù)獲取比較復(fù)雜，操作比較困難，工作量比較大，成本比較 高等方面的問(wèn)題，但隨測(cè)量技術(shù)水平的不

17、斷進(jìn)步和提高、數(shù)據(jù)處理方法的不斷 改進(jìn)，上述的這些問(wèn)題都將會(huì)逐步得到解決。最后真正實(shí)現(xiàn)最終數(shù)據(jù)的精確表 達(dá)，盡可能地滿足不同層次用戶和精度的工作需要。我將主要從利用三維激光 掃描儀獲取掃描數(shù)據(jù)的三維激光掃描技術(shù)和和地面三維實(shí)物模型重建兩個(gè)方面 進(jìn)行詳細(xì)介紹。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下： （1）闡述三維激光掃描技術(shù)的工作原理、簡(jiǎn)單的介紹各種類型的地面激光 掃描儀。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 3 （2）介紹三維激光掃描技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi) 外的研究現(xiàn)狀，介紹了三維激光掃描技術(shù)目前在工程建設(shè)方面的應(yīng)用。 （3） 簡(jiǎn)單介紹說(shuō)明利用弟買按三維激光掃描技術(shù)來(lái)進(jìn)行地面三維實(shí)物模

18、 型重建的基本流程并對(duì)每個(gè)步驟進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。 （4） 以具體的模型重建實(shí)例來(lái)直觀地說(shuō)明基于三維激光掃描技術(shù)的三維 模型重建成果。 第二章 地面三維激光掃描技術(shù) 三維激光掃描技術(shù)是繼GPS之后的測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)改革，它通過(guò)激 光掃描測(cè)量的方法，獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn) 測(cè)量方法，而且傳統(tǒng)測(cè)量所測(cè)的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出圖） ， 數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替二維，三維激光掃描儀每次測(cè)量的數(shù)據(jù)直接包 含點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息。三維激光掃描儀作為一種新的空 間數(shù)據(jù)采集手段，因?yàn)榭梢钥焖佾@取大量三維空間信息，所以將具有廣闊的發(fā) 展空間，它將會(huì)成

19、為一種普遍在測(cè)繪領(lǐng)域應(yīng)用的新技術(shù)手段 5。 本章我將會(huì)詳細(xì)地介紹究竟什么是三維激掃描技術(shù)，了解幾種常見(jiàn)的三維 激光掃描儀，并說(shuō)明利用三維激光掃描儀獲取三維數(shù)據(jù)的原理、三維激光掃描 技術(shù)的特有優(yōu)勢(shì)、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和在工程建設(shè)領(lǐng)域的一些應(yīng)用。為我們下一 章理解基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建打下了基礎(chǔ)。 2.1 三維激光掃描儀的分類 現(xiàn)在，不同型號(hào)的掃描儀，其種類、功能都不太相同。我們應(yīng)該根據(jù)我們 的目的對(duì)三維激光掃描儀進(jìn)行合理的選擇，下面我將要簡(jiǎn)單地介紹一下各種類 型激光掃描儀。 2.1.1 激光掃描系統(tǒng)的分類 三維激光掃描儀的搭載平臺(tái)有很多類型，搭載在飛機(jī)或衛(wèi)星上的三維激光 掃描儀系統(tǒng)屬于機(jī)

20、載型，搭載在活動(dòng)的小車上的屬于地面型。按距離劃分，把 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 4 掃描距離小于3m的三維激光掃描儀歸為短距掃描儀一類；把掃描距離大于 3m小 于30m的三維激光掃描儀歸為中距掃描儀一類；把掃描距離大于 30m的三維激光 掃描儀歸為長(zhǎng)距一類；把搭載在飛機(jī)上的掃描距離大于1公里以上的三維激光掃 描儀歸為航空一類。其中，短距掃描儀適合小型地面實(shí)物測(cè)量，中距掃描儀設(shè) 和較大型地面實(shí)物測(cè)量，長(zhǎng)距掃描儀適合大型地面實(shí)物測(cè)量。按掃描儀的成像 方式分類，有攝影掃描式掃描儀、全景掃描式掃描儀、混合型掃描式掃描。按 照掃描儀測(cè)距原理劃分基于時(shí)間漂移原理(Timeofflight)、基于

21、相位測(cè)量原 理(Phase measurement)、基于激光雷達(dá)或光學(xué)的三角測(cè)量原理(Opti cal triangulation，Laser Radar)。 而基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建是以地面三維激光掃描儀為基礎(chǔ) 的，在本章中，我將簡(jiǎn)單介紹地面固定式三維激光掃描儀系統(tǒng) 6。各種類型的 激光掃描儀在測(cè)量范圍、測(cè)量精度、測(cè)量速度、采樣精度等方面都有一定的區(qū) 別 7。 三維激光掃描系統(tǒng)主要由三維激光掃描儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用是將圖像采集卡送出的視頻信號(hào)進(jìn)行精 密測(cè)量、高速存貯，并且主處理機(jī)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候取回?cái)?shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理，形成三 維數(shù)據(jù)，以便

22、進(jìn)行后續(xù)的模型重建等應(yīng)用。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)組成， 包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、接口、總線以及專用版卡，通過(guò)接口、總線和專用辦卡將其 它部分組合起來(lái)，工作時(shí)控制機(jī)械臺(tái)的起停、轉(zhuǎn)速由運(yùn)動(dòng)控制卡控制，圖像由 圖像采集卡通過(guò)CCD 攝像機(jī)采集，圖像處理、數(shù)值計(jì)算在主機(jī)上進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)平 臺(tái)支撐整個(gè)掃描系統(tǒng)，平臺(tái)上設(shè)置有方向角傳感器，在指令的控制下，它進(jìn)行 平穩(wěn)的啟動(dòng)、停止、運(yùn)轉(zhuǎn)，然后產(chǎn)生方位角脈沖信號(hào)，一遍視頻采集部分能夠 從中分離出同步信號(hào)、方位角信號(hào)以及像點(diǎn)信號(hào)。三維激光掃描系統(tǒng)本身主要 包括激光測(cè)距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)，同時(shí)也集成CCD 和儀器內(nèi)部控制和校正系 統(tǒng)等。在儀器內(nèi)，通過(guò)兩個(gè)同步反射鏡快速而有序

23、的旋轉(zhuǎn)，將激光脈沖發(fā)射體 發(fā)出的窄束激光脈沖一次掃過(guò)被測(cè)區(qū)域，測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測(cè)物表 面再返回儀器所經(jīng)過(guò)的時(shí)間（或相位差）來(lái)計(jì)算距離，同時(shí)掃描控制模塊控制 和測(cè)量每個(gè)脈沖激光的角度，最后計(jì)算出激光點(diǎn)在被測(cè)物體上的三維坐標(biāo)。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 5 2.1.2 三維激光掃描儀工作原理 三維激光掃描技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代中期開(kāi)始出現(xiàn)的測(cè)繪新技術(shù)并在最 近幾年得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是繼GPS后的一項(xiàng)新技術(shù)，被稱為“實(shí)景復(fù) 制技術(shù)”。其工作原理為：首先由激光脈沖二極管發(fā)射出激光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò) 旋轉(zhuǎn)棱鏡，射向目標(biāo)，然后通過(guò)探測(cè)器，接受反射回來(lái)的激光脈沖信號(hào)，并由 記錄器記錄，

24、最后轉(zhuǎn)換成能夠直接識(shí)別的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)軟件處理實(shí)現(xiàn)實(shí)體建 模輸出。通過(guò)計(jì)算脈沖返回的時(shí)間得到物體的觀測(cè)距離，再配合掃描的水平和 垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測(cè)站的空間坐標(biāo)。 設(shè)測(cè)的的觀測(cè)距離為S ，精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每個(gè)激光脈沖水平方 向掃描角度觀測(cè)值垂直方向掃描角度觀測(cè)。地面三維激光掃描測(cè)量一般使用 內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在水平掃描面內(nèi)，Y軸在垂直掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與 橫向掃描面垂直，如圖2-2所示，光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)的計(jì)算公式為 8: 式2-1 SsinZcoYX 圖2-1 地面三維激光掃描儀的原理 掃描過(guò)程中，在每個(gè)站點(diǎn)上都可以獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的 位置信息都都在

25、掃描坐標(biāo)中以極坐標(biāo)（，d）的形式來(lái)描述，其中 d為從物 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 6 體表面反射點(diǎn)到儀器中心的距離，用傳統(tǒng)測(cè)量手段獲取控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，然 后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，應(yīng)用與測(cè)繪領(lǐng)域的各項(xiàng)工程建設(shè)。 地面三維激光掃描系統(tǒng)主要由由三維激光掃描儀、掃描儀旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)共同構(gòu)成，集多種高新技術(shù)與一體，獲取三維空間信 息 9。 2.3 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn) （1）非接觸測(cè)量。即不需要安置反射棱鏡也不需要接觸目標(biāo)物，可以直接 獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維的高分辨率的數(shù)據(jù)而且目標(biāo)物的表面也不用進(jìn)行任何 處理，而且所采集到的數(shù)據(jù)完全真實(shí)可靠，突破了傳統(tǒng)

26、測(cè)量技術(shù)在環(huán)境惡劣、 目標(biāo)危險(xiǎn)、人員無(wú)法到達(dá)而不能測(cè)量的缺陷，因此，在簡(jiǎn)化了測(cè)量工作的同時(shí) 也保證了測(cè)量人員的安全，避免了他們?cè)趶?fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境下作業(yè) 10，在解決目 標(biāo)危險(xiǎn)或人員無(wú)法到達(dá)的情況下，具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。 （2）快速而且數(shù)據(jù)采樣率高。通過(guò)三維激光掃描技術(shù)可以大量快速的獲取 目標(biāo)物的三維空間信息，不但減少了工作時(shí)間，而且可以及時(shí)的獲取目標(biāo)的空 間信息，滿足了現(xiàn)代測(cè)量的需求。 （3）實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、主動(dòng)性。地面三維激光掃描系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)自身發(fā)射的激 光脈沖回射信號(hào)來(lái)描述目標(biāo)信息，使得該測(cè)量不受時(shí)間和空間的限制，系統(tǒng)發(fā) 射的激光束是準(zhǔn)平行光，避免了常規(guī)光學(xué)照相測(cè)量中固有的光學(xué)變形誤差，這 使實(shí)

27、體實(shí)景的結(jié)構(gòu)屬性和空間形態(tài)的描述更加準(zhǔn)確和完整，同時(shí)，采集的三維 數(shù)據(jù)更加具有準(zhǔn)確實(shí)效性 11。 （4）高分辨率、高精度和高密度。在精密傳感工藝的支持下，對(duì)目標(biāo)物進(jìn) 行自動(dòng)立體采集，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由點(diǎn)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成，避免了由人工推 導(dǎo)計(jì)算而產(chǎn)生不確定性的差錯(cuò)，提高了測(cè)量成果的精度。 （5）數(shù)字化、自動(dòng)化采集。數(shù)字自動(dòng)化是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的不可避免的趨勢(shì)， 滿足了現(xiàn)代測(cè)量的需求 12。 （6）可以與內(nèi)（外）置數(shù)碼相機(jī)和GPS系統(tǒng)配合使用。它們的配合使用拓 寬了三維激光掃描技術(shù)的使用范圍，增強(qiáng)了使用功能，更全面、更準(zhǔn)確的獲取 更高精度的三維信息。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 7 （7）擴(kuò)展

28、性強(qiáng)。得到的數(shù)據(jù)能夠與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享及交換，可以和 GPS、外接數(shù)碼相機(jī)配合使用，更好的拓寬了它的應(yīng)用范圍，使用外置數(shù)碼相 機(jī)的，增強(qiáng)了彩色信息的采集，更加全面的獲取掃描得到的目標(biāo)信息。GPS定 位系統(tǒng)的應(yīng)用，使得三維激光掃描技術(shù)與工程的結(jié)合更加緊密，具有較好的擴(kuò) 展性，也近一步提高了側(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 由于三維掃描技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它被廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)工程建設(shè)領(lǐng)域，我們 知道，傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取主要有:GPS 高精度定位、三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、全站儀 等，但它們是單點(diǎn)采集，三維激光掃描技術(shù)無(wú)需設(shè)置反射棱鏡，在人員難以企 及的危險(xiǎn)地段可以進(jìn)行無(wú)接觸測(cè)量，可以高密度、高分率的獲取物體表面的三 維空間

29、信息，但是目前其測(cè)量精度還不算很高。 2.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2.4.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 三維激光掃描技術(shù)可以不受時(shí)間和空間的限制獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，以 其全數(shù)字、快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集從靜態(tài)的單點(diǎn)測(cè)量到動(dòng)態(tài)跟 蹤、三維測(cè)量的轉(zhuǎn)變。激光技術(shù)的引入，使測(cè)繪領(lǐng)域進(jìn)入了繼GPS之后的一個(gè) 新的發(fā)展階段。如三維激光測(cè)量技術(shù)在2000年的時(shí)候被美國(guó)宇航局(NASA)成功 應(yīng)用于太空計(jì)劃；通過(guò)整合多種技術(shù)，法國(guó)MENSI公司研發(fā)了中距三維激光掃 描系統(tǒng)MENSI S10 $25及遠(yuǎn)距三維激光掃描系統(tǒng)MENSI GSl00 GS200 13。 國(guó)外在三維激光掃描方面的研究較早，1994年，M.

30、Levoy 和他的隊(duì)員用基 將激光掃描儀和高分辨率的彩色圖像技術(shù)相結(jié)合重建了米開(kāi)朗基羅的一個(gè)雕塑 作品，1997年，加拿大NRC的EL-Haim 等科研人員通過(guò)激光掃描儀和CCD照相 機(jī)固定在一個(gè)可以移動(dòng)的小車上，建立了DCR并在 1998年實(shí)現(xiàn)了一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景 的三維建模系統(tǒng)。2001年，Y.YU等人在進(jìn)行場(chǎng)內(nèi)室內(nèi)實(shí)物模型重建的過(guò)程的同 時(shí)，提取了場(chǎng)景內(nèi)的部分實(shí)物，研究出了三維實(shí)物模型重建的編輯和移動(dòng)的兩 個(gè)功能，2002年，Stamos I和Allen PK發(fā)明了能夠在相同的時(shí)間條件下獲取地面 實(shí)物的彩色和深度圖片，并根據(jù)獲得的圖片建立相應(yīng)的地面實(shí)物的模型的系統(tǒng)， 并最終恢復(fù)出具有照片真實(shí)感

31、的三維模型，2003年，在歷史古建筑物的三維建 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 8 模上用了該系統(tǒng)，并取得了一定效果 14。 雖然國(guó)內(nèi)起步相對(duì)來(lái)說(shuō)不算很早，但是在基于激光掃描技術(shù)的三維模型重 建這項(xiàng)技術(shù)方面的發(fā)展還是不錯(cuò)的，許多學(xué)者在這方面也做了不少研究工作。 武漢大學(xué)的李必軍利用奧地利的Rigel掃描儀掃描建筑物，后從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取 建筑物的特征要素，最后利用這些特征要素進(jìn)行三維重建，從21世紀(jì)開(kāi)始，北 京大學(xué)開(kāi)始了一項(xiàng)關(guān)于三維模型建立的研究，研究組利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī) 和激光掃描儀，并結(jié)合全方位的攝影系統(tǒng)，來(lái)對(duì)需要進(jìn)行三維建模的地面實(shí)體 進(jìn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，采集之后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配

32、準(zhǔn)和處理，最后進(jìn)行三維 地面實(shí)物的模型建立。北京大學(xué)遙感和地理信息研究所得于海龍利用三維激光 掃描技術(shù)進(jìn)行了基于表面模型的重建方法研究。同時(shí)，這幾年，在古建筑修復(fù) 測(cè)繪和文物考古領(lǐng)域也得到了新的發(fā)展，比如2005年，在對(duì)秦俑二號(hào)遺址進(jìn)行 發(fā)掘的同時(shí)引入地面激光掃描技術(shù)，同步采集和處理遺址挖掘過(guò)程的相關(guān)信息 并建立數(shù)字立體模型。 通過(guò)傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器通過(guò)測(cè)量?jī)x器獲得的離散點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)建立地面實(shí)物的三維 模型是難以實(shí)現(xiàn)的，但是三維激光掃描技術(shù)可以使地面實(shí)物實(shí)現(xiàn)從二維到三維 的轉(zhuǎn)化，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛。三維激光掃描系統(tǒng)不但可以 把各種各樣的地面實(shí)體的幾何和深度數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，然后高效率的

33、建立 出地面實(shí)物的三維模型。還可以直接進(jìn)入到所要研究的區(qū)域內(nèi)并且通過(guò)激光掃 描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)還可以在后期工作中繼續(xù)使用。目前，國(guó)內(nèi)外在基于三維 激光掃描技術(shù)的三維模型重建技術(shù)方面的研究已經(jīng)逐漸完善，更加成熟，但是， 我們對(duì)重建效果的要求也更加嚴(yán)格，因此，各種研究學(xué)者接下來(lái)的研究工作將 在重建中的細(xì)節(jié)問(wèn)題上側(cè)重，比如三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、網(wǎng)格簡(jiǎn)化、建筑物 表面紋理修復(fù)等。相信將來(lái)基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建技術(shù)會(huì)更加 簡(jiǎn)單普遍，廣泛應(yīng)用與各項(xiàng)工程建設(shè)。 目前，國(guó)內(nèi)外在基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建技術(shù)方面的研究已 經(jīng)逐漸完善，更加成熟，但是，我們對(duì)重建效果的要求也更加嚴(yán)格，因此，各

34、種研究學(xué)者接下來(lái)的研究工作將在重建中的細(xì)節(jié)問(wèn)題上側(cè)重，比如三維點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的預(yù)處理、網(wǎng)格簡(jiǎn)化、建筑物表面紋理修復(fù)等。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 9 2.4.2 國(guó)內(nèi)外三維模型重建的發(fā)展現(xiàn)狀 這些年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展及三維激光掃描技術(shù)成本的降低，利用三維激 光掃描儀快速高效獲取高精度的建筑物的三維數(shù)據(jù)重建出的三維模型幾何信息 相當(dāng)準(zhǔn)確，非常逼近實(shí)物，因此，地面實(shí)物模型重建技術(shù)有很好的實(shí)際價(jià)值， 值得我們做更進(jìn)一步的研究。 2.5 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 2.5.1 變形監(jiān)測(cè) 傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)是在易變形的地方進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此，得到的信息是不完整的， 不能代表目標(biāo)物的整體變形情況，但三維激光掃描技

35、術(shù)可以采集到目標(biāo)物的全 部數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)監(jiān)測(cè)體的局部細(xì)節(jié)變化，我們可以通過(guò)分析，做出對(duì)監(jiān)測(cè)體 的正確評(píng)估 15。我們還可以將定期掃描的前后兩次的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，對(duì)比 分析這兩次數(shù)據(jù)的差別，預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)體的變形趨勢(shì)和量級(jí)。 2.5.2 歷史古建筑物的保存與恢復(fù) 由于文物處的歷史價(jià)值使得我們不能在其表面粘貼測(cè)量標(biāo)志，而三維激光 掃描技術(shù)的無(wú)接觸性測(cè)量很好的解決了這個(gè)問(wèn)題，而且我們得到的是電子資料， 方便保存，在當(dāng)建筑物和文物遭到破壞后能及時(shí)而準(zhǔn)確地提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)， 進(jìn)而對(duì)文物進(jìn)行修復(fù)。 2.5.3 在城市建設(shè)中的應(yīng)用 在進(jìn)行測(cè)站GPS定位之后，三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與大地坐標(biāo)系 是一致地，

36、因此導(dǎo)入后處理軟件很容易得到DLG或 DEM數(shù)據(jù)，用DEM 數(shù)據(jù)可以 建立高精度的數(shù)字地面模型；用地物數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)城市三維模型的建立。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 10 2.5.4 復(fù)雜工業(yè)設(shè)施的測(cè)量 用傳統(tǒng)測(cè)量方法測(cè)量復(fù)雜工業(yè)設(shè)備，效率非常低下，而利用激光掃描儀可 以進(jìn)行分段掃描并生成模型，為設(shè)備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型 參考，極大提高了工作效率 16。 2.5.5 在其他方面的應(yīng)用 三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用很廣泛，除了上述應(yīng)用外，在現(xiàn)在正在進(jìn)行的地籍 測(cè)量中，利用三維激光掃描儀形成三維圖像，對(duì)獲取到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分 析建模，在電腦上進(jìn)行量測(cè)，相對(duì)于傳統(tǒng)的報(bào)表和圖件形式，既

37、方便精度又高； 在現(xiàn)在的雅安地震中，我們也可以通過(guò)三維激光掃描技術(shù)記錄現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)情況 并進(jìn)行分析，方便我們的災(zāi)后重建工作。 其實(shí)，三維激光掃描技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)在三維模型重建方面，下面我將重點(diǎn)介紹 三維模型重建的基本步驟并以具體實(shí)例介紹該項(xiàng)應(yīng)用。 第三章 三維模型重建 3.1 相關(guān)概念介紹 隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，目前，三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)字 城市建設(shè)、變形監(jiān)測(cè)、歷史文物保存和恢復(fù)等測(cè)繪領(lǐng)域。為了加強(qiáng)對(duì)三維激光 掃描技術(shù)和基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建的過(guò)程的理解，我將對(duì)一些 基本的相關(guān)概念進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。 （1） 點(diǎn)云：是在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的 海量點(diǎn)集合。

38、點(diǎn)云中點(diǎn)云的數(shù)量很大，有時(shí)可以達(dá)到幾百萬(wàn)甚至幾千萬(wàn)個(gè)。它 的多少取決于掃描儀自身參數(shù)、建筑物大小和掃描精度等因素。 （2） 掃描坐標(biāo)系：即局部坐標(biāo)系，指地面激光掃描儀內(nèi)部的球面坐標(biāo)系 統(tǒng)。 （3） 全局坐標(biāo)系：統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系，通常指大地坐標(biāo)系，可以用傳統(tǒng) 測(cè)量方法（GPS 或全站儀）獲得。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 11 （4） 點(diǎn)云濾波：將目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從其他點(diǎn)云環(huán)境中提出出將目標(biāo)物 的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從其他點(diǎn)云環(huán)境中提出出來(lái)的過(guò)程。 （5） 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)：對(duì)海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮精簡(jiǎn)，留下對(duì)后續(xù)處理和建模 有用的凝縮數(shù)據(jù)，刪除不必要的空間數(shù)據(jù)。 （6） 特征提?。簭某醪侥Ｐ蜕咸崛「鱾€(gè)特征結(jié)

39、構(gòu)，特征要素的提取和重 新組合對(duì)建模效果有直接影響。 （7） 紋理映射：將數(shù)碼相機(jī)獲得的圖像信息恢復(fù)到模型表面的技術(shù)，可 以通過(guò)重建模型的逼真的表面信息來(lái)產(chǎn)生仿真的視覺(jué)效果。 3.2 數(shù)據(jù)獲取 三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵在于如何快速獲取物體的三維立體信息，現(xiàn)在有 很多方法可以獲取目標(biāo)物的三維信息，三維模型重建后得到的目標(biāo)物的真實(shí)坐 標(biāo)是以大地坐標(biāo)系表示出來(lái)的，而通過(guò)激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)是以用激光掃描 儀的內(nèi)部坐標(biāo)系表示的，它不僅記錄了掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)，還記錄了反射率的 空間信息，因此，為了得到模型的坐標(biāo)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模之前，需要將掃 描點(diǎn)的掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)，這就需要配合其他儀器來(lái)完成。隨

40、著三維重 建技術(shù)水平的提高，逐步形成了以地面掃描儀為核心，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處 理軟件為輔助的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。 地面激光掃描儀，準(zhǔn)確快速地獲取目標(biāo)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，雖然采集的數(shù) 據(jù)多而準(zhǔn)確，但是不合理的數(shù)據(jù)會(huì)增加我們不必要的工作量，因此，在掃描目 標(biāo)物時(shí)，我們要調(diào)節(jié)好掃描儀的水平、垂直掃描角度并設(shè)置好掃描參數(shù)。 全球定位系統(tǒng)具有全天測(cè)量、定位精度高、可提供全球統(tǒng)一的三維坐標(biāo)系 的優(yōu)勢(shì)，在掃描過(guò)程用，我們可以精確的測(cè)量出布設(shè)的控制點(diǎn)的坐標(biāo)，這樣可 以為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換提供參數(shù)，全站儀測(cè)量也可以滿足該項(xiàng)要求。 在掃描目標(biāo)物表面的目標(biāo)信息時(shí)，可以同步用數(shù)碼相機(jī)來(lái)采集目標(biāo)物的圖 像信息用于后期工作。相

41、機(jī)固定在掃描儀頂部，與掃描儀內(nèi)部電腦進(jìn)行連接， 內(nèi)部電腦控制 CCD 數(shù)碼相機(jī)同激光掃描系統(tǒng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在掃描儀停止掃描的片 刻，照相機(jī)會(huì)拍攝一定掃描角度內(nèi)的實(shí)物的圖片信息，用于后續(xù)處理工作，目 前，通過(guò)各個(gè)系統(tǒng)的分工配合使該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用與各個(gè)工程建設(shè)領(lǐng)域。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 12 由于三維激光掃描儀 GPS、CCD 數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件等的配合使三維 激光掃描系統(tǒng)由很大的空間數(shù)據(jù)獲取能力，在各個(gè)系統(tǒng)的分工和配合下，目標(biāo) 物表面三維信息、目標(biāo)物表面圖像信息、大地坐標(biāo)同時(shí)獲取并經(jīng)過(guò)相關(guān)軟件進(jìn) 行數(shù)據(jù)預(yù)處理來(lái)進(jìn)行三維建模，憑借其非接觸性測(cè)量、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性、高分辨率、 高密度、高精度

42、的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。 3.3 三維激光掃描工作流程 地面三維激光掃描技術(shù)流程大致分為計(jì)劃制定、外業(yè)數(shù)據(jù)采集和內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù) 處理。其作業(yè)流程如下圖所示： 圖 3-1 地面激光掃描系統(tǒng)工作流程圖 3.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理與初始模型建立 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)原始數(shù)據(jù)再加工，比如消除雜點(diǎn)數(shù)據(jù)，補(bǔ)充 遺漏的數(shù)據(jù)，平滑噪音數(shù)據(jù)等，這樣可以使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加完整準(zhǔn)確，原始掃描 數(shù)據(jù)的質(zhì)量由掃描儀的儀器機(jī)器屬性、掃描環(huán)境和掃描方式和很多的各方面的 不確定性因素共同決定，在從數(shù)據(jù)采集過(guò)程中不可避免的存在各種誤差，它們 降低了實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中夾雜著非常多的噪聲點(diǎn)和背景 物體雜點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)會(huì)使表達(dá)三

43、維模型的數(shù)據(jù)出現(xiàn)遺漏或重復(fù)，因此，原始 數(shù)據(jù)并不適合直接建模，為了能最大程度的還原目標(biāo)物的真實(shí)性，達(dá)到建模的 要求，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)去躁、點(diǎn)云濾波、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、精 簡(jiǎn)等預(yù)處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)建立初始模型的第一步，也是關(guān)鍵的一步，只 有得到符合建模要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行后續(xù)處理工作。 3.4.1 點(diǎn)云拼接 現(xiàn)實(shí)世界中存在的都是立體空間物體，它們都是具有三維空間特征的，在 進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中，有與測(cè)量作業(yè)時(shí)很多遮擋物的遮擋和光是沿直線傳播的特定 等各種客觀環(huán)境的原因，我們一次測(cè)量得到的數(shù)據(jù)是不完整的，我們不可能進(jìn) 設(shè)計(jì)掃描路線 確定采樣密度 確定設(shè)站數(shù)及位置 工作計(jì)劃 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

44、 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理 點(diǎn)云拼接 點(diǎn)云去噪 特征提取 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn) 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 建模 紋理映射 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 13 行一次掃描就將完整的記錄地面實(shí)物的所有特征，為了得到測(cè)區(qū)范圍內(nèi)地面實(shí) 物的全部數(shù)據(jù)信息，我們就要在地面實(shí)物四周設(shè)置多個(gè)測(cè)站點(diǎn)，通過(guò)不同角度 各個(gè)方位對(duì)該地面實(shí)物進(jìn)行多次測(cè)量，得到不同測(cè)站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對(duì)不 同測(cè)站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，建立地面實(shí)物的整體表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為 了將得到的不同測(cè)站上的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在一起，我們要找出掃描坐標(biāo)系和全局 坐標(biāo)系的變換關(guān)系，一般情況下，我們是用一個(gè) 33 的旋轉(zhuǎn)矩陣 R 和三維平移 向量 t 來(lái)描述，求出（R，t）就可以實(shí)現(xiàn)

45、掃描坐標(biāo)系像全局坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn) 換的算法為：拼接匹配選取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，平面擬合對(duì)平面分割得到的若干點(diǎn)集， 得到其法向量，從兩組深度點(diǎn)云數(shù)據(jù)中選取 k 對(duì)相對(duì)應(yīng)的平面通過(guò)利用對(duì)應(yīng)的 法向量最小化 2k1i iRn-w 先求出旋轉(zhuǎn)矩陣 R 。其中 in和 1分別為 第 i 個(gè)平面的法向量， i為第 i 個(gè)平面的特征權(quán)值；再通過(guò)最小化2k1i iitm-n 并對(duì) t 求導(dǎo)，就可以得到平移向量 t，其中 im和為第i 個(gè)平面的重心。 因?yàn)槎嘤嗟牟杉畔?huì)給我們的后續(xù)處理工作帶來(lái)很多麻煩，因此在進(jìn)行 掃描時(shí)，我們要根據(jù)目標(biāo)物的規(guī)模、形狀、大小來(lái)合理地設(shè)置分站數(shù)和采樣密 度，鄰近兩測(cè)站的掃描區(qū)域應(yīng)該有一定

46、范圍的重疊，一般是 30%-40%，最小不 得低于 15%，我們還可以通過(guò)建立平面控制網(wǎng)的方法來(lái)拼接，每站控制點(diǎn)點(diǎn)數(shù) 量不能少于四個(gè)，均勻分布，在拼接時(shí)，將用全站儀等測(cè)量得到的所有點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成全局坐標(biāo)，由點(diǎn)云處理軟件根據(jù)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)自動(dòng)配準(zhǔn)。 對(duì)于像雕像、涼亭之類的小型物體的掃描測(cè)量時(shí)通過(guò)貼反射片的方法是非常方 便的，而對(duì)于像體育館之類的大型建筑物采用靶球比較方便，對(duì)拼接精度要求 較高的模型，我們可以同時(shí)使用靶標(biāo)球和反射片，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們可以根 據(jù)靶球?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗拼接，然后再根據(jù)反射片進(jìn)行精拼接來(lái)提高精度。在 對(duì)大型地物地貌掃描測(cè)量時(shí)，使用控制網(wǎng)法較方便，因?yàn)閽呙璺秶^(guò)大

47、，若要 采用靶標(biāo)法，我們需要放置大量的靶標(biāo)球和反射片，很麻煩還很浪費(fèi)時(shí)間，而 且在點(diǎn)云拼接時(shí)需要逐一搜索反射片或靶標(biāo)的位置，嚴(yán)重影響了建模速度，在 這種情況下我們應(yīng)當(dāng)采用控制網(wǎng)法，控制網(wǎng)法只需要在數(shù)據(jù)處理軟件中導(dǎo)入控 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 14 制點(diǎn)的坐標(biāo)信息，對(duì)所有點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)參數(shù)變換成大地坐標(biāo)，根據(jù)公共控制點(diǎn) 重疊這一條件將各片點(diǎn)云連接起來(lái)，在大型目標(biāo)物的重建時(shí)特別省力還特別有 效。 三維模型重建后得到的目標(biāo)物的真實(shí)坐標(biāo)是以大地坐標(biāo)系表示出來(lái)的，而 通過(guò)激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)坐標(biāo)是依局部坐標(biāo)系表示出來(lái)的，它不僅記錄 了掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)，還記錄了反射率的空間信息。而不同品牌的

48、掃描儀其內(nèi) 部坐標(biāo)參照系統(tǒng)也是不同的，得到的點(diǎn)云坐標(biāo)格式也不相同，因此，在掃描工 作結(jié)束后，我們需要用儀器廠商自帶的點(diǎn)云處理軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)格式 轉(zhuǎn)換。 3.4.2 點(diǎn)云去躁和地面實(shí)物的提取 在測(cè)量作業(yè)時(shí)，由于各種測(cè)量誤差和不確定性誤差，比如儀器本身的誤差、 操作人員的操作方式不正確、目標(biāo)物表面粗糙、遮擋物遮擋等，這些不可避免 的誤差會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)中不可避免的存在很多的雜點(diǎn)而影響曲面精度和模型質(zhì)量， 因此我們必須刪除。而目標(biāo)提取就是刪除除了目標(biāo)物以外的其他雜點(diǎn)來(lái)獲得目 標(biāo)點(diǎn)云的過(guò)程。 掃描儀掃描參數(shù)設(shè)置、目標(biāo)物表面的質(zhì)量、遮擋物、儀器自身原因和人為 操作原因都可能引起雜點(diǎn)，若點(diǎn)云數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)

49、任何處理而直接應(yīng)用，肯定會(huì)影 響曲面精度，曲面甚至無(wú)法擬合，我們必須將這些影響模型重建精度的雜點(diǎn)剔 除。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在點(diǎn)云去噪方面提出了很多有效算法，它們主要與點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的排列形式有關(guān)，點(diǎn)云的排列形式一般可分為有序或部分有序排列和無(wú)序排 列，對(duì)于前者，一般采用平滑濾波的方法按照掃描線進(jìn)行處理，對(duì)于后者，需 要在數(shù)據(jù)之間先建立拓?fù)潢P(guān)系，但目前還沒(méi)有一個(gè)簡(jiǎn)便有效的方法。一般情況 下，我們通過(guò)肉眼直接剔除背景數(shù)據(jù)雜點(diǎn)，判別噪聲點(diǎn)和誤差點(diǎn)一般采用直接 檢查法、曲線檢查法、弦高偏差檢查法和角度偏差檢查法。對(duì)于無(wú)序點(diǎn)云數(shù)據(jù)， 我們只需在散亂的點(diǎn)與點(diǎn)之間建立合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型便可進(jìn)進(jìn)行點(diǎn)云去躁， 常用的數(shù)

50、據(jù)處理方法有八叉樹法、空間單元格法、K-dtree 法。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完 整的掃描線數(shù)據(jù)我們可以采用的數(shù)據(jù)處理方法有最小二乘濾波、孤立點(diǎn)排異法、 卡爾曼濾波法。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 15 我將對(duì)掃描線數(shù)據(jù)和散亂數(shù)據(jù)的處理進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。一般情況下，我們 是通過(guò)最小二乘擬合法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合多項(xiàng)式的次數(shù)不同擬合曲線接近 地面實(shí)物的真實(shí)外形的程度也不同，次數(shù)越高，擬合曲線也越接近地面實(shí)物的 真實(shí)外形，但我們不能通過(guò)增加它的次數(shù)來(lái)提高精度，因?yàn)橛锌赡茉斐赡骋粎^(qū) 間內(nèi)大幅度的偏離真實(shí)圖形的后果，我們選用的多項(xiàng)式的次數(shù)一般不大于 7， 在地形起伏的實(shí)物表面我們應(yīng)當(dāng)采用分段擬合的方法。對(duì)

51、于散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去 噪，需要對(duì)三維散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)首先進(jìn)行三角剖分，然后在點(diǎn)與點(diǎn)之間建立拓?fù)?關(guān)系并在三角剖分域中建立數(shù)據(jù)點(diǎn) M 的鄰域，再對(duì)域內(nèi)的 M 點(diǎn)和其他點(diǎn)的方 差進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)比較各點(diǎn)方差和閾值的大小來(lái)消除噪聲點(diǎn)。 3.4.3 點(diǎn)云精簡(jiǎn) 經(jīng)過(guò)噪聲去除和點(diǎn)云濾波過(guò)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量還是相當(dāng)大的，這將會(huì)產(chǎn)生很 大的計(jì)算工作，還會(huì)數(shù)據(jù)處理的速度降低，在最快的速度用最少的點(diǎn)來(lái)表示更 多的信息是我們追求的，因此，我們可以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)快速建模。在數(shù)據(jù)精 簡(jiǎn)階段的處理方法大致有使用傳統(tǒng)算法、基于掃描線的數(shù)據(jù)壓縮算法 16，基于 掃描線的數(shù)據(jù)壓縮算法的方法模型簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，但有時(shí)會(huì)刪除特征點(diǎn)，適 合掃描

52、線多但每條掃描線所含點(diǎn)不多的情況，每次掃描的點(diǎn)沿掃描方向線性排 列在同一平面內(nèi)，如果取樣點(diǎn)在同一平面內(nèi)，通過(guò)前后兩點(diǎn)的斜率變化來(lái)表示， 如果一個(gè)點(diǎn)和周圍兩點(diǎn)的斜率變化大，則說(shuō)明它包含更多點(diǎn)的物體表面信息， 應(yīng)該保留，如果取樣點(diǎn)不在同一平面內(nèi)，可以將 i 點(diǎn)到其他兩點(diǎn) i-1，i+1 的距 離 h 作為特征量。 3.5 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 原始三維數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)點(diǎn)云拼接已經(jīng)可以能夠提取出完整且平滑的背景層空間 數(shù)據(jù)點(diǎn)云，三角網(wǎng)格化更進(jìn)一步的增加模型的真實(shí)性，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是以三維立 體平面形式表示出來(lái)的，它是由點(diǎn)云數(shù)據(jù)階段到平面數(shù)據(jù)處理階段過(guò)渡的過(guò)程， 它是點(diǎn)云預(yù)處理的最后一步，也是點(diǎn)到面必經(jīng)的一步，經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)處理

53、的點(diǎn)云數(shù) 據(jù)已經(jīng)可以大概的表現(xiàn)出目標(biāo)物的輪廓、結(jié)構(gòu)等信息，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化根據(jù)點(diǎn)云的 結(jié)構(gòu)、點(diǎn)的分布構(gòu)建出無(wú)數(shù)個(gè)以數(shù)據(jù)點(diǎn)為頂點(diǎn)的 TIN 三角形，然后構(gòu)成模型的 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 16 一個(gè)表面，我們?cè)诰W(wǎng)格化生成平面時(shí)要不定時(shí)的檢查平面質(zhì)量，因?yàn)楹罄m(xù)的特 征提取是基于立體平面的，我們最終得到的三維模型必須是光滑、平整、真實(shí) 的。 3.6 紋理映射 我們把目標(biāo)表面紋理特征的模擬稱為紋理映射技術(shù)，我們將掃描地面實(shí)物 表面的目標(biāo)信息時(shí)拍攝到的圖像信息與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，我們?cè)诓杉S激 光掃描數(shù)據(jù)的同時(shí)也為也用相機(jī)記錄了目標(biāo)物表面的圖像信息，為了使模型最 大程度的接近原始圖像，我們需要對(duì)

54、模型進(jìn)行顏色處理，在建成目標(biāo)物的三維 模型之后，把紋理特征映射到模型上。 第四章 三維重建的精度分析 （1）控制點(diǎn)的誤差分析 觀測(cè)誤差 觀測(cè)誤差主要有測(cè)角和測(cè)距誤差共同影響。 2d2Sm 式 4-1 公式中， dm為全站儀測(cè)距誤差， 為測(cè)角中誤差，D 是測(cè)站點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的水 平距離，m 為觀測(cè)誤差。 （2）全站儀對(duì)中誤差。 對(duì)中誤差通過(guò)對(duì)測(cè)角的影響二影響控制點(diǎn)的精度，它對(duì)測(cè)角的影響如下： 021Dm5 式 4-2 公式中， 1m為儀器的光學(xué)對(duì)中器的對(duì)中誤差，D 為測(cè)站點(diǎn)至目標(biāo)點(diǎn)的距離，0 為測(cè)站點(diǎn)至后視點(diǎn)的水平距離。 （3）激光掃描過(guò)程中的誤差分析 掃描儀的對(duì)中誤差 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模

55、型重建 17 掃描儀架設(shè)在已知控制點(diǎn)上采集目標(biāo)物的表面數(shù)據(jù)，其對(duì)掃描點(diǎn)的影響愈 全站儀的對(duì)中誤差對(duì)測(cè)角誤差的影響是一樣的。 掃描點(diǎn)的測(cè)量誤差影響 三維激光掃描測(cè)量的因素很多，但是一般可分成：儀器誤差、與目標(biāo)物體 反射面有關(guān)的誤差、外界條件誤差。 一、外界條件環(huán)境誤差：主要受氣壓、溫度因素的影響。 二、儀器誤差：主要有激光測(cè)距誤差、掃描角度測(cè)量誤差。 三、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差，主要有目標(biāo)物體反射面傾斜和反射表面粗 糙度影響的誤差。 目標(biāo)物體反射面傾斜的影響 17。激光腳點(diǎn)光斑的大小 d、激光發(fā)射孔徑 D 和激光光束發(fā)射角 存在下面的關(guān)系 : 2rStanDd 式 4-3 其中 S 為激光發(fā)

56、射點(diǎn)到物體表面上激光腳點(diǎn)中心的距離。當(dāng)掃描目標(biāo)物傾 斜時(shí)，掃描物體表面切平面法線與激光光束方向不重合，當(dāng)它們的夾角為 時(shí)， 由公式 2 sinSco-tan1 式 4-4 可知引起腳光點(diǎn)的位置最大偏差 -d，由于 很小，則 2sin可近似 等于 2，所以 2 tanS-d1 式 4-5 目標(biāo)物反射表面粗糙程度的影響 18。對(duì)于物體表面非常光的目標(biāo)物來(lái)說(shuō)， 很容易產(chǎn)生鏡面反射，當(dāng)大部分的入射光照到待測(cè)物體時(shí)產(chǎn)生了鏡面反射， 這時(shí)需要先進(jìn)行霧化處理之后再進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于粗糙度過(guò)大的物體來(lái)說(shuō)，當(dāng)大 部分入射光照射到待測(cè)物體時(shí)，產(chǎn)生了漫反射，形成的光帶邊緣粗糙，而且容 易產(chǎn)生“飛點(diǎn)”，這是因?yàn)楣鈳?qiáng)弱的

57、分布不均勻。同時(shí)，由于三維激光回波 信號(hào)有多值性的特點(diǎn)，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理首次或最后一次反射回 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 18 來(lái)的回波信號(hào)，有的可以綜合處理兩次反射回來(lái)的回波信號(hào)。 由于測(cè)量過(guò)程中不可避免地存在各種誤差，它們共同影響著測(cè)量數(shù)據(jù)地精 度，對(duì)我們后面的三維建模及其他應(yīng)用都會(huì)產(chǎn)生影響，因此，我們要分了解誤 差產(chǎn)生原因，掌握誤差傳播規(guī)律，理解誤差計(jì)算公式從而會(huì)分析各種誤差，在 測(cè)量地過(guò)程中通過(guò)嚴(yán)格控制盡量避免產(chǎn)生誤差和誤差積累。 第五章 模型重建實(shí)例 前面我們已經(jīng)介紹了三維激光掃描技術(shù)以及對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的三 維模型重建的流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并引入了一些相關(guān)

58、概念和理論知識(shí)，對(duì)三 維模型重建有了更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，本章我們將會(huì)對(duì)基于三維激光掃描技 術(shù)的三維模型重建有直觀的認(rèn)識(shí)。我將會(huì)用兩個(gè)實(shí)例建模使我們對(duì)三維建模有 一個(gè)直觀的認(rèn)識(shí) 19。 合適的三維模型表示方法可以提高三維重建效率，按照重建物體的物體特 征不同的分類，常用下面幾種方法表示：（1）基于點(diǎn)的表示。其數(shù)據(jù)是離散的 表面采樣點(diǎn)集，這種方法缺乏靈活性，采樣點(diǎn)的分辨率比較局限，適用于較大 規(guī)?；蚍直媛室蟛桓叩娜S重建。（2）基于表面的表示。三角形網(wǎng)格就屬于 該種表示方法，這種表示方法能夠充分利用點(diǎn)云信息，很適合三維激光掃描儀 獲取的數(shù)據(jù)。（3）基于實(shí)體的表示，它能以很小的數(shù)據(jù)量來(lái)描述一個(gè)復(fù)

59、雜的物 體。 5.1 辦公室模型實(shí)驗(yàn)分析 本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用徠卡 HDS3000 地面激光掃描儀對(duì)某高校辦公樓進(jìn)行掃描獲 得，實(shí)驗(yàn)中對(duì)該樓設(shè)置了六個(gè)掃描站，得到六片點(diǎn)云數(shù)據(jù)，掃描采用放置靶標(biāo) 球的方式。 5.1.1 三維點(diǎn)云模型 本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了六個(gè)掃描站，從六個(gè)不同角度對(duì)該辦公樓進(jìn)行掃描，對(duì)得 到的六片合格的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，去掉六篇點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)并用相 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 19 應(yīng)的方法進(jìn)行點(diǎn)云拼接，下圖為第一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜去躁后的對(duì)比效果。 其中第一個(gè)圖為原始數(shù)據(jù)圖，第二個(gè)圖為處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖。 圖 5-1 原始數(shù)據(jù)圖 圖 5-2 去噪效果圖 同理，我們對(duì)其他五個(gè)

60、掃描站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的處理，得到六塊明朗、 清晰地點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云拼接，可以使用靶標(biāo)法和控制點(diǎn)法 來(lái)進(jìn)行點(diǎn)云拼接，本實(shí)驗(yàn)中我們用的是靶標(biāo)法，我們可以按前面敘述的方法進(jìn) 行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，六塊點(diǎn)云拼接之后的模型整體點(diǎn)云效果如圖 5-3 所示。 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 20 圖 5-3 點(diǎn)云拼接效果圖 因?yàn)槿S點(diǎn)云模型中的點(diǎn)是離散的。所以三維點(diǎn)云模型并不能完整的描述 該辦公樓的表面信息，只能表示辦公樓的大概輪廓。 5.1.2 三維表面網(wǎng)格模型 三角形格網(wǎng)是三維模型重建最常用的方法，它通過(guò)構(gòu)建三格網(wǎng)將離散點(diǎn)云 聯(lián)系起來(lái)，形成由無(wú)數(shù)三角形組成的面來(lái)表示地面實(shí)物表面。 在

61、Geomagic Studio 軟件中對(duì)上面拼接好的點(diǎn)云模型進(jìn)行封裝，軟件對(duì)點(diǎn) 云數(shù)據(jù)按照生成 TIN 三角網(wǎng)的規(guī)則對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格化，模型的表面就 由生成的三角形網(wǎng)格面表示，如圖 5-4、圖 5-5 所示： 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 21 圖 5-4 整體網(wǎng)格模型 圖 5-5 局部網(wǎng)格模型 5.1.3 實(shí)體模型 對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后就可以生成建筑物的實(shí)體模型，實(shí)體結(jié)構(gòu)能 夠很好地表達(dá)建筑物的外形及結(jié)構(gòu)特征，也能夠描述建筑物的表面信息，能夠 直觀的再現(xiàn)建筑物的原貌。其真實(shí)原貌如圖 5-6 所示： 圖 5-6 實(shí)體模型 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 22 第六章 總結(jié)

62、 6.1 本文所做的工作 現(xiàn)實(shí)世界中，各種物體的空間地理信息的表達(dá)是復(fù)雜的，現(xiàn)在，隨著三維 激光掃描技術(shù)研究的不斷深入和成熟，基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 也受到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外也取得了一定的研究成果。本文主要介紹了三維激 光掃描技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)在三維模型重建方面的應(yīng)用，主要完成了以下 工作： （1） 第一章緒論部分引出三維激光掃描技術(shù)這一新技術(shù)，并分析了它具 有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值，這也是我選這個(gè)課題作為研究的原因。 （2） 第二章部分詳細(xì)闡述了三維激光掃描儀的工作原理，簡(jiǎn)單介紹了目 前常用的幾種地面三維激光掃描儀，并說(shuō)明了三維激光掃描技術(shù)非接觸性測(cè)量、 快速、數(shù)據(jù)采樣率高

63、、實(shí)時(shí)、主動(dòng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它憑借獨(dú)有的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用與 各個(gè)工程研究領(lǐng)域，我對(duì)該項(xiàng)技術(shù)上現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)外取得的成就做了簡(jiǎn)單的介紹。 （3） 第三章主要介紹了基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建，我們最 終獲得的模型應(yīng)當(dāng)最大限度的逼真實(shí)體，直觀清晰地表現(xiàn)建筑物的結(jié)構(gòu)、外形 和表面特征，在本章中，我介紹了三維重建的具體流程：點(diǎn)云處理預(yù)處理和初 始模型建立、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和紋理映射，并詳細(xì)介紹了各個(gè)流程的具體工作和方 法。 （4） 通過(guò)兩個(gè)模型重建實(shí)例來(lái)給直觀地說(shuō)明基于地面掃描技術(shù)的三維模 型重建這項(xiàng)技術(shù)，我們可以看到，重建后的模型栩栩如生，特別逼真，而且相 比與傳統(tǒng)的測(cè)量，方法簡(jiǎn)單，是一種很好的模型重建技術(shù)，而

64、且這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng) 很成熟了。 6.2 結(jié)論和建議 與傳統(tǒng)測(cè)量手段相比，三維激光掃描可以快速大量獲取目標(biāo)物表面的三維 空間信息，不但很大程度地減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，而且采集到的 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 23 信息比較完整，好提高了測(cè)量精度，使重建后的三維模型幾何信息更準(zhǔn)確，真 實(shí)感更強(qiáng)，這已經(jīng)非常符合我們對(duì)三維模型重建的要求了。 但是，隨著研究的更進(jìn)一步深入，我認(rèn)為還有以下方面的問(wèn)題需要解決： 對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建過(guò)程中的誤差進(jìn)行分析，掌握點(diǎn)云數(shù) 據(jù)的誤差傳播規(guī)律，方便我們?cè)跍y(cè)量過(guò)程中嚴(yán)格控制來(lái)提高測(cè)量精度；激光光 源對(duì)特定的材料的物體反射不敏感或者具有強(qiáng)反射

65、特性的區(qū)域使得掃描區(qū)域出 現(xiàn)”盲區(qū)”現(xiàn)象，還有掃描視場(chǎng)的局限性等，這都是值得我們研究的，我們可 以利用地面激光掃描技術(shù)快速重建三維模型，但是模型的精度問(wèn)題也是很重要 的，如何進(jìn)行評(píng)估和怎么選擇評(píng)估模型，都是我們?cè)谝院蟮难芯糠较颉?致 謝 首先，我要特別感謝我的論文指導(dǎo)老師肖老師，本篇論文是在肖老師的諄 諄教誨下完成的，從論文的資料收集、思路整理以及寫作過(guò)程中遇到的各種問(wèn) 題，謝老師都給予了我合理的建議和恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，然后我還要感謝學(xué)校圖書館 的豐富資料，使我在寫作時(shí)方便查閱最新最準(zhǔn)確的資料，通過(guò)查閱資料，使我 認(rèn)識(shí)了三維激光掃描技術(shù)這一繼 GPS 之后的測(cè)繪領(lǐng)域上的又一新突破，還對(duì)它 在各方面的

66、應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解，特別是對(duì)基于三維激光掃描技術(shù)的三維模 型重建這一應(yīng)用有了很深的了解。 其次，我要感謝土木工程學(xué)院的全體教師，它們的諄諄教誨使我對(duì)測(cè)繪工 程這一學(xué)科從入門到現(xiàn)在有了一定的了解，從基礎(chǔ)到前沿都有了深入的了解和 學(xué)習(xí)，為我以后階段的學(xué)習(xí)打下了很好很堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。最后，我還要感謝測(cè)繪 基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建 24 工程的同學(xué)們，大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活很充實(shí)，很豐富，謝謝同學(xué)對(duì)我的關(guān)心、 照顧和支持，大家團(tuán)結(jié)協(xié)作、互相幫助形成的良好學(xué)習(xí)和生活氛圍為我的學(xué)習(xí) 成長(zhǎng)創(chuàng)造了良好的條件。在此，我祝大家身體健康，萬(wàn)事如意，幸福開(kāi)心！ 參考文獻(xiàn) 1 Zhu Ling, Zhou Keqin, LI Xiao, ancient buildings of modern mapping technology-based mapping methodsJ. Shanxi Architecture, 2007 .4 2馬曉泉，地面三維激光掃描技術(shù)及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，東華理工大學(xué)測(cè)繪工程學(xué)院 J.科技信息；2012 年 19 期 3趙慶陽(yáng)，三維激光掃描儀數(shù)據(jù)系統(tǒng)研制D.西安科技大學(xué)；20