畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建

PAGE畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建PAGEPAGE1基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建摘要：三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)高新科學(xué)技術(shù)。日前很多發(fā)達(dá)以及發(fā)展中國(guó)家已將這一技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)及空對(duì)地觀測(cè)，快速獲取特定目標(biāo)的主體模型。本文通過(guò)對(duì)地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和原理分類的論述，探討了建立相應(yīng)的實(shí)體模型的技術(shù)方法以及這些方法的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：地面三維激光掃描技術(shù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、三維建模一、引言三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)高新科學(xué)技術(shù),掃描系統(tǒng)平臺(tái)分為地面和機(jī)載兩種類型。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)具有快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、無(wú)接觸、全數(shù)字特征、精度高、主動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),這項(xiàng)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,克服了傳統(tǒng)建筑測(cè)量的局限性。地面三維激光掃描系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的激光測(cè)距不同。它的發(fā)展為人們?cè)诳臻g信息獲取方面提供了全新的技術(shù)手段，使人們從人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取的傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)獲取批量數(shù)據(jù)的方式，大大的提高了量測(cè)的速度與精度。地面三維激光技術(shù)可以大量、快速地采集空間點(diǎn)位信息,為快速建立物體的三維影像模型提供一種全新的技術(shù)手段。二、地面三維激光掃描技術(shù)的原理及分類2.1三維激光掃描儀的測(cè)量原理三維激光掃描儀是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描后獲得的原始數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單的處理便可以直接使用，并且不需要與被測(cè)物體直接接觸，可以在很多復(fù)雜的環(huán)境下應(yīng)用。除此以外還并且可以和GPS等集合起來(lái)實(shí)現(xiàn)更多、更強(qiáng)的應(yīng)用。三維激光掃描的主要特點(diǎn)是適應(yīng)性、主動(dòng)性、實(shí)時(shí)性好。畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第1頁(yè)。三維建模即對(duì)空間信息進(jìn)行可視化表達(dá)。通常有兩類方法：基于幾何的方法和基于圖像的方法?；趲缀蔚姆椒ㄊ抢萌S激光掃描儀來(lái)獲取深度數(shù)據(jù)并用這些數(shù)據(jù)來(lái)建立三維模型，這種方法含有被測(cè)場(chǎng)景比較精確的幾何信息。而基于圖像的方法便是通過(guò)圖片或照片來(lái)建立模型，它的數(shù)據(jù)來(lái)源是數(shù)碼相機(jī)。畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第1頁(yè)。地面型三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理：地面三維激光掃描系統(tǒng)是由地面三維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成的。三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)經(jīng)物體表面漫反射以后，沿著幾乎相同的路徑反方向傳回到接收器，可以計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀之間的距離，控制編碼器同步測(cè)量的每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測(cè)值和縱向掃描角度觀測(cè)值。三維激光掃描測(cè)量一般為儀器自定義的坐標(biāo)系。2.2三維激光掃描儀的分類：三維激光掃描儀按照不同的掃描平臺(tái)可以分為：地面型激光掃描系統(tǒng)、機(jī)載(或星載)激光掃描系統(tǒng)、便攜式激光掃描系統(tǒng)。三維激光掃描儀作為當(dāng)今時(shí)效性最強(qiáng)的三維數(shù)據(jù)獲取工具可以劃分為不同的類型。通常情況下是按照三維激光掃描儀有效的掃描距離來(lái)進(jìn)行分類，可分為：（1）短距離激光掃描儀：通常情況下最佳的掃描距離為0.6～1.2m，最長(zhǎng)掃描距離也不超過(guò)3m，這類掃描儀通常適合用于小型的模具的量測(cè)，不僅掃描精度高而且掃描速度快，可以多達(dá)三十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)精度至±0.018mm。（2）中距離激光掃描儀：最長(zhǎng)的掃描距離小于30m的三維激光掃描儀屬于中距離三維激光掃描儀，其大多用于室內(nèi)空間的測(cè)量或大型模具。（3）長(zhǎng)距離激光掃描儀:掃描距離大于30m的三維激光掃描儀是長(zhǎng)距離三維激光掃描儀。它主要應(yīng)用于建筑物、礦山、大壩、建筑物、大型土木工程等的測(cè)量。（4）航空激光掃描儀：最長(zhǎng)的掃描距離通常是大于1公里，并且還需要配備精確的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，它可用于大范圍地形的掃描測(cè)量。三、三維激光掃描系統(tǒng)工作流程三維激光掃描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從三維建模的過(guò)程看，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理可分為三個(gè)步驟:數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)加工處理以及數(shù)據(jù)建模。3.1數(shù)據(jù)的獲取畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第2頁(yè)。三維激光掃描儀是通過(guò)自動(dòng)控制技術(shù)，對(duì)目標(biāo)實(shí)體按照事先設(shè)置的分辨率進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理，掃描結(jié)束后獲得原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程種中需注意以下幾個(gè)問(wèn)題:①數(shù)據(jù)的完整性。②掃描分辨率的設(shè)置。③標(biāo)靶布設(shè)。畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第2頁(yè)。3.2數(shù)據(jù)的加工處理獲得原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理過(guò)程主要包括數(shù)據(jù)拼接和噪聲處理。3.3數(shù)據(jù)的建模在預(yù)處理的基礎(chǔ)上，通過(guò)全排序操作并考慮所有可能的約束條件，將實(shí)體表面鄰近部分的幾何特征和鄰接關(guān)系加以保留，判斷并取舍上述的鄰接關(guān)系，生成相應(yīng)的三角網(wǎng)格，最終將空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一個(gè)一致的多邊形網(wǎng)格模型。四、三維模型重建4.1點(diǎn)云模型點(diǎn)云模型就是利用三維激光掃描技術(shù)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行全方位的掃描,從而得到由三維點(diǎn)云構(gòu)成的目標(biāo)物表面模型。(1)控制測(cè)量為了更精確地獲得目標(biāo)物的三維數(shù)據(jù),首先要在待測(cè)目標(biāo)物周圍布設(shè)測(cè)量控制網(wǎng)(如圖1所示),控制測(cè)量工作必須遵循“先整體后局部,先控制后碎部”的原則,而控制網(wǎng)的布設(shè)又分為平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)兩部分。(2)三維激光數(shù)據(jù)采集用三維激光掃描儀對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行全面掃描,得到目標(biāo)物不同視點(diǎn)的三維點(diǎn)云模型,為了(3)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)要得到目標(biāo)物全面的立體點(diǎn)云模型,還要把不同視點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)根據(jù)測(cè)量控制網(wǎng)進(jìn)行配準(zhǔn),從而形成待研究物體的全方位的立體點(diǎn)云圖。4.2三角網(wǎng)模型(1)構(gòu)建三角網(wǎng)模型三維激光掃描儀所得到的點(diǎn)云模型,是由空間不規(guī)則離散點(diǎn)構(gòu)成的,要得到目標(biāo)物有拓?fù)潢P(guān)系的真實(shí)表面,要通過(guò)特殊的算法來(lái)恢復(fù)目標(biāo)物表面的拓?fù)潢P(guān)系,構(gòu)建目標(biāo)物表面三角網(wǎng)模型就是其中一種比較簡(jiǎn)單而實(shí)用的方法。(2)簡(jiǎn)化三角網(wǎng)模型畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第3頁(yè)。由于三維激光所采集的數(shù)據(jù)是數(shù)以萬(wàn)計(jì)的三維離散點(diǎn),所以在進(jìn)行三角網(wǎng)建模時(shí),就難免會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余,所以在構(gòu)建三角網(wǎng)之后還要對(duì)目標(biāo)物的三角網(wǎng)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化。畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第3頁(yè)。(3)對(duì)三角網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充在三維激光掃描儀采集目標(biāo)物的表面點(diǎn)云時(shí),由于一些原因采集的數(shù)據(jù)不是很完整，造成在目標(biāo)物表面存在一些數(shù)據(jù)空洞,在構(gòu)建三角網(wǎng)模型時(shí),這些數(shù)據(jù)丟失的地方無(wú)法構(gòu)建三角網(wǎng)模型,要根據(jù)目標(biāo)物的表面特征來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充,最終形成較為完整的目標(biāo)物三角網(wǎng)模型。4.3實(shí)體模型實(shí)體模型也是基于目標(biāo)物點(diǎn)云模型構(gòu)建的,構(gòu)建目標(biāo)物的實(shí)體模型具體方法如下所述。(1)構(gòu)建目標(biāo)物的各個(gè)構(gòu)件的實(shí)體模型大型目標(biāo)物都比較復(fù)雜,在進(jìn)行建模時(shí),要把目標(biāo)物的每一個(gè)構(gòu)建進(jìn)行分離,分離時(shí)可分為規(guī)則的構(gòu)件和不規(guī)則的構(gòu)件。(2)組裝建筑物構(gòu)件利用上述方法把目標(biāo)物的每一個(gè)構(gòu)件建模完成后,可以把這些構(gòu)件放到同一個(gè)文件里。由于各個(gè)構(gòu)件是分開建模的,所以各個(gè)構(gòu)件之間會(huì)有大小的縫隙和交叉,這時(shí)要對(duì)各個(gè)構(gòu)件之間的誤差加以修正,最終形成一個(gè)完整的目標(biāo)物實(shí)體模型。五、地面三維激光掃描技術(shù)建模的優(yōu)缺點(diǎn)三維激光掃描技術(shù)是基于LIDAR激光探測(cè)與測(cè)距系統(tǒng)。地面三維掃描儀，是置于三角架上的LIDAR系統(tǒng)，它是數(shù)字近景攝影測(cè)量領(lǐng)域新的技術(shù)手段，三維激光掃描技術(shù)所涉及的應(yīng)用是深刻的技術(shù)跨越，該技術(shù)目前優(yōu)缺點(diǎn)可歸納如下：（1）地面三維掃描儀的優(yōu)點(diǎn)：不需要接觸被測(cè)物體，光線昏暗甚至黑夜均可作業(yè)。速度快，節(jié)約時(shí)間，測(cè)量完整精確，可多視角觀察可視化三維點(diǎn)云模型。能標(biāo)注和測(cè)量模型的相關(guān)數(shù)據(jù)和創(chuàng)建各種復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行三維建模。（2）地面三維掃描儀的缺點(diǎn)：畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第4頁(yè)。地面掃描儀是個(gè)黑箱系統(tǒng)，難以檢校；掃描容易，處理較難；儀器昂貴，主要儀器售價(jià)在100萬(wàn)人民幣以上，市場(chǎng)定位為高檔設(shè)備。掃描數(shù)據(jù)拼接軟件不完善，各廠家自成一體，互不兼容；缺乏標(biāo)準(zhǔn)化思考，缺乏實(shí)用而價(jià)格相對(duì)便宜的軟件。三維建模有一定的主觀性，非專業(yè)人士常受到虛擬動(dòng)畫的視覺(jué)迷惑，忽視了三維模型的科學(xué)性和可測(cè)性。畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第4頁(yè)。六、結(jié)束語(yǔ)地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為實(shí)體建模提供了一種嶄新的點(diǎn)云數(shù)據(jù),從而使實(shí)體建模有了一種全新的方法。但是三維激光技術(shù)也不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)繪技術(shù),傳統(tǒng)的測(cè)量和建模方法也是不能被替代的。但是相信在不久的將來(lái),地面三維激光技術(shù)一定會(huì)在數(shù)字城市、古建筑保護(hù)、變形監(jiān)測(cè)各方面發(fā)揮重要的作用。參考文獻(xiàn)[1]路興昌,張艷紅.基于三維激光掃描的空間地物建模[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版，2008,38（1）.[2]余明,丁辰,過(guò)靜瑭.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測(cè)繪的研究[J].測(cè)繪通報(bào)，2004，29(5).[3]陳永劍,張錦.地面激光掃描系統(tǒng)在礦區(qū)構(gòu)筑物變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009.[4]陳靜,李清泉,李必軍.激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪工程,2001,10(1).[5]李長(zhǎng)春,薛華柱,徐克科.三維激光掃描在建筑物模型構(gòu)建中的研究與實(shí)現(xiàn)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,27(2).[6]趙?，?張正鵬.三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在城市建模中的應(yīng)用[J].城市勘測(cè),2009(1).[7]馬立廣.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué).2005.[8]戴升山,李田鳳.地面激光掃描技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用前景[J].現(xiàn)代測(cè)繪，2009,32(4).[9]李海泉，楊曉峰，趙彥剛.地面三維激光掃描測(cè)量精度的影響因素和控制方法[J].測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化,2011,2[10]楊貴軍,柳欽火,武文波.三維激光掃描曲面重構(gòu)算法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2005,26(11).[11]朱慶,林暉.數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2004.畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第5頁(yè)。[12]路楊,湯眾,顧景文.歷史建筑的空間信息采集三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2007,2.畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建全文共6頁(yè)，當(dāng)前為第5頁(yè)。[13]吳靜,靳奉祥,王健.基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模[J].測(cè)繪工程,2007,16(5).[14]S.Soothed.Outlierdetectioninlaserscannerpointclouds[C].InternationalArchivesofPhotogrammar,RenoresendingandSpatialInformationSciences,2006,36(5):297302[15]B.F