基于三维激光扫描技术的三维模型重建致谢25参考文献26基于三维激光扫描技术的三维模型重建摘要：三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术.作为一项新的数据获取手段,以其可以非接触、快速、精确、高时性、大量测量目标物的三维坐标数据的优势广泛应用于各个研究领域,同时,三维激光扫描技术可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作,克服了传统测量技术的局限性,逐渐受到人们的喜爱和关注.同时,基于三维激光扫描技术的三维模型重建通过三维激光扫描仪获取建筑物的点云数据,通过对点云数据进行预处理、配准、网格化等处理来恢复建筑物的三维模型,它无需对实物外表进行任何处理,从实物中采集目标的真实数据,所以所得到的模型具有更好的几何完整准确性、更强的真实感,使计算机视觉更加客观真实.关键词三维模型声建/点云数据/网格化简simplification第一章绪论1.1引言三维激光扫描技术是测绘领域地又一次技术的新突破,它可以快速、准确、大量的获取物体的三维空间信息,这些三维空间信息是各项工程建设的根底,但由传统测量方式得到的数据采样率低,还有一定的局限性,不能准确的表达实物的几何信息和真实状况.三维激光扫描技术借助其无接触、实时性强、大量快速获取物体外表三维坐标数据信息的优势,突破了传统测量技术的局限性,在国内外都有很好的开展和应用.利用三维激光扫描技术来进行三维模型的重是通过地面三维激光扫描仪快速获取目标物的大量点云数据,通过对点云数据进行预处理、点云拼接、数据精简、特征提取等步骤来恢复建筑物的三维模型,它直接从实物中采集目标的真实数据,无需对实物外表进行任何处理,所以所得到的模型具有更好的几何完整准确性、更强的真实感,使计算机视觉更加客观真实,因此,基于三维激光扫描技术的三维模型重建有很好的开展前景.1.2研究背景H.Hess〔Leica公司前任CEO〕曾说过〃全站仪测量是20世纪80年代的技术,GPS测量属于90年代,而地面三维激光扫描是21世纪当前的测量技术⑴〞.三维激光扫描技术,乂称“实景复制技术〞.它通过激光扫描测量的方法,获取被测对象外表的三维坐标数据.采集空间点位信息,快速建立物体的三维影像模型的一种技术手段.三维激光扫描技术是二十世纪九十年代中期开始的一项测绘技术的新突破,在最近几年迅速开展并口渐成熟.三维激光扫描技术被认为是一种“实景复制技术〞,它是一种主动测量技术,具有无接触、精度高、实时性强、快速、全数字特征等优点,不但可以节约本钱、降低劳动强度,而且其输出格式可直接与CAD、三维动画等匚具软件接口,故使用很方便.地面三维激光扫描仪使测绘从传统的单点数据采集变为密集、连续的自动获取数据,使采集到的三维空间信息更加完整,还提升了工作效率,拓宽了测绘技术的应用领域.比方在古建筑物的修复和保存方面,可以通过无接触来采集点云数据并建立文物的外表模型,所以在文物遭到破坏后能及时而准确的提供修复数据.在大型土木工程方面,可以获取施1:前的H部精细地形图,为工程前期的勘测设计提供根底资料囚.可以说三维激光扫描技术使测绘领域进入了一个新的开展阶段.随着三维激光扫描技术的不断开展和三维激光扫描仪本钱的下降,地面三维模型的重建也越来越普遍.利用激光扫描仪得到的扫描数据进行三维地面实物模型重建首先对激光扫描仪扫描的数据提前处理一下,然后再对激光扫描仪获取的数据进行数据的配准,统一在同一个坐标系统条件之下,之后还要进行网格化等来建立三维模型.与建立在图像根底上进行的地面三维模型重建相比拟,这种建立在激光扫描获取的扫描数据进行的三维地面实物的模型重建不但能够建立具有很强的三维立体模型,而且用这种激光扫描数据建立的三维地面实物模型具有更好的真实感,除此以外,这种模型的立体感也比利用图片建立的三维地面实物模型具有更高更准确的的几何信息.利用激光扫描技术获得的扫描数据建立的地面实物立体模型能够更好的在计算机世界中再现出现实中的地面实物我们知道,在现实世界中,所有物体都是具有三维空间信息的,因此,利用计算机重构现实世界中存在的全部实体是我们一直都感兴趣的研究问题,三维激光扫描技术还可以无需对实物外表进行任何处理,从实物中采集目标的真实数据来重建三维模型,该模型将具有更强的真实感,更准的几何信息.因此,基于三维激光扫描技术的三维模型市建值得我们关注并进一步研究.1.3研究意义三维激光扫描仪作为一项新的数据获取手段,还可以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作,并直接将各种大型的、复杂的、不规那么、标准或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中,进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据⑶.它虽然凭借其明显的优势广泛的应用于数字城市建设、工程建设等各种领域,目前,在小型地面实物的三维模型重建这项研究方面开展的己经非常成熟.在较大型的地面实物的三维模型的重建方面的研究虽然已经取得了突破性的开展,但是还是有许多不完善的地方需要进一步研究,在大型地面实物模型重建方面还有很大的开展前景,但正由于它是一种新的技术手段,在好多方面还不太成熟,在具体应用过程中还存在各种问题需要研究解决.比方运用什么样的方法来重建立体感较强的地面实物的三维模型,,研究激光光斑的发散性对实体边缘和角落信息识别的影响,对扫描过程中存在的各种误差进行分析,研究扫描点云数据的误差传播规律,扫描数据的“盲区〞的现象,扫描视场的局限性等.基于三维扫描仪获取的三维扫描数据根底上的三维地面实物模型重建技术普遍适用性差、推广率低的缺点造成了该项技术的缓慢开展,如何应用点云数据建立实体外表模型,评价重建后的模型的精度,如何使三维激光扫描系统校正体系更加完善完善等问题都是目前地面三维激光扫描技术应用中亟待解决的⑷.我们相信随着学者们的深入研究,这些问题都会得到逐步解决,基于三维扫描数据的地面三维模型重建的技术将会更加成熟,广泛用于社会主义建设,推动社会的开展.采用什么样地方法来快速高效的重建地面三维模型并对该模型进行精度评定等上述问题都将会是我们以后研究的方向,如果采取有效的手段弥补应用中的缺陷不足,对以后建立完整的三维空间数据模型,进行精确的地理空间数据表达都有很重要的意义.1.4本文的研究内容由于空间数据非常多而且特别复杂没有什么规律,相应的,空间数据获取方面也会面临有数据获取比拟及杂,操作比拟困难,工作量比拟大,本钱比拟高等方面的问题,但随测量技术水平的不断进步和提升、数据处理方法的不断改良,上述的这些问题都将会逐步得到解决.最后真正实现最终数据的精确表达,尽可能地满足不同层次用户和精度的工作需要.我将主要从利用三维激光扫描仪获取扫描数据的三维激光扫描技术和和地面三维实物模型重建两个方面进行详细介绍.本文的主要研究内容如下：(1)阐述三维激光扫描技术的工作原理、简单的介绍各种类型的地面激光 扫描仪. (2)介绍三维激光扫描技术相对于传统测量技术独有的特点,分析了国内外的研究现 状,介绍了三维激光扫描技术目前在工程建设方面的应用. (3)简单介绍说明利用弟买按三维激光扫描技术来进行地面三维实物模型重建的根 本流程并对每个步骤进行简单阐述. (4)以具体的模型重建实例来直观地说明基于三维激光扫描技术的三维模型重建成 果. 第二章地面三维激光扫描技术 三维激光扫描技术是继GPS 之后的测绘领域的乂一次技术改革,它通过激光扫描测量 的方法,获取被测对象外表的三维坐标数据.它突破了传统的单点测量方法,而且传统测量所 测的的数据最终输出的都是二维结果(如CAD出图),数字化的今天,三维己经代替二维,三维 激光扫描仪每次测量的数据直接包含点的空间坐标信息甚至还有其他关键信息.三维激光 扫描仪作为一种新的空间数据采集手段,由于可以快速获取大量三维空间信息,所以将具有 广阔的开展空间,它将会成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段⑸. 本章我将会详细地介绍究竟什么是三维激扫描技术,了解几种常见的三维激光扫描仪, 并说明利用三维激光扫描仪获取三维数据的原理、三维激光扫描技术的特有优势、国内外 研究现状和在工程建设领域的一些应用.为我们下一章理解基于二维激光扫描技术的三维 模型重建打下了根底. 27 三维激光扫描仪的分类 现在,不同型号的扫描仪,其种类、功能都不太相同.我们应该根据我们的目的对三维激 光扫描仪进行合理的选择,下面我将要简单地介绍一下各种类型激光扫描仪. 2.1.1 激光扫描系统的分类 三维激光扫描仪的搭载平台有很多类型,搭载在匕机或卫星上的三维激光扫描仪系统 属于机载型,搭载在活动的小车上的属于地面型.按距离划分,把扫描距离小于 3m 的三维激 光扫描仪归为短距扫描仪一类：把扫描距离大于3m小于30ni 的三维激光扫描仪归为中距 扫描仪一类；把扫描距离大于30m的三维激光扫描仪归为长距一类；把搭载在飞机上的扫 描距离大于 1 公里以上的三维激光扫描仪归为航空一类.其中,短距扫描仪适合小型地面实 物测量,中距扫描仪设和较大型地面实物测量,长距扫描仪适合大型地面实物测量.按扫描仪 的成像方式分类,有摄影扫描式扫描仪、全景扫描式扫描仪、混合型扫描式扫描.根据扫描 仪 测 距 原 理 划 分 基 于 时 间 漂 移 原 理 (TimeTf—flight) 、 基 广 相 位 测 量 原 理 (Phasemeasurement) 基 丁 • 激 光 雷 达 或 光 学 的 三 角 测 量 原 理 (Opti—caltriangulation,LaserRadar). 而基于三维激光扫描技术的三维模型重建是以地面三维激光扫描仪为根底的,在本章 中,我将简单介绍地面固定式三维激光扫描仪系统⑹.各种类型的激光扫描仪在测量范围、 测量精度、测量速度、采样精度等方面都有一定的区别⑺. 三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、数据采集系统、数据处理系统、旋转平台 组成,数据采集系统主要作用是将图像采集卡送出的视频信号进行精密测量、高速存贮,并 且主处理机在适当的时候取回数据,经过处理,形成三维数据,以便进行后续的模型重建等应 用.数据处理系统主要由计算机组成,包括计算机主机、接口、总线以及专雷竞技官网下载用版卡,通过接口、 总线和专用办卡将其它局部组合起来,工作时限制机械台的起停、转速由运动限制卡限制, 图像由图像采集卡通过CCD摄像机采集,图像处理、数值计算在主机上进行.旋转平台支撑 整个扫描系统,平台上设置有方向角传感器,在指令的限制下,它进行平稳的启动、停止、运 转,然后产生方位角脉冲信号,一遍视频采集局部能够从中别离出同步信号、方位角信号以 及像点信号:三维激光扫描系统本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统,同时也集成 CCD 和仪器内部限制和校正系统等.在仪器内,通过两个同步反射镜快速而有序的旋转,将 激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲一次扫过被测区域,测量每个激光脉冲从发出经被测 物表面再返回仪器所经过的时间(或相位差)来计算距离,同时扫描限制模块限制和测量每 个脉冲激光的角度,最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标. 2.1.2 三维激光扫描仪工作原理 三维激光扫描技术是二十世纪九十年代中期开始出现的测绘新技术并在最近几年得 到迅速开展和广泛应用,是继GPS后的一项新技术,被称为“实景赁制技术〞.其工作原理为： 首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号,经过旋转棱镜,射向目标,然后通过探测器,接 受反射回来的激光脉冲信号,并由记录器记录,最后转换成能够直接识别的数据信息,经过软 件处理实现实体建模输出.通过计算脉冲返回的时间得到物体的观测距离,再配合扫描的水 平和垂直方向角,可以得到每一扫描点与测站的空间坐标. 设测的的观测距离为 S,精密时钟限制编码器同步测量每个激光脉冲水平方向扫描角 度观测值a垂直方向扫描角度观测肌地面三维激光扫描测量一般使用内部坐标系统,X轴在 水平扫描而内,Y 轴在垂直扫描面内与 X 轴垂直,Z 轴与横向扫描面垂直,如图 2-2 所示,光扫 描点的坐标的计算公式为妙： X=Scos&osa

　　基于AgisoftPhotoScan的图像与三维激光扫描三维重建精度对比

　　基于手持式激光扫描和Geomagic的CAD模型重建_逆向工程_先进制造技术_1708