基于地面三维激光扫面技术的三维模型重建

目录摘要 1ABSTRACT 21、绪论 31.1研究背景 31.2研究目的 41.3研究现状 41.4三维激光扫描系统的工作流程 71.5全文的组织结构如下： 92、三维激光扫描仪的工作原理及分类 102.1距离测量 122.1.1三角测距法 122.1.2脉冲测距法 132.1.3相位测距法 132.2测角方法 142.2.1角位移测量法 142.2.2线位移测量法 142.3扫描方法 142.4转换方法 152.5三维激光扫描仪的分类 152.5.1按平台分类 152.5.2按距离划分 152.5.3按工作原理划分 163、点云数据的获取 163.1非接触法 173.1.1主动法 173.1.2被动法 174、激光扫描系统的定位 184.1获取整个测区范围内各个地物的相对位置关系的定位 184.2激光扫描系统的整体定位 195、点云数据的配准 195.1部分区域的配准方法 205.2全局配准 205.2.1动态法 215.2.2ICP算法 215.2.3基于灰度的配准算法 215.2.4基于几何特征的配准算法 216、点云数据的处理 226.1点云数据去噪处理 236.1.1双边滤波去噪处理 246.1.2小波阈值去噪 24图：小波去噪过程 246.2点云数据的压缩 246.2.1曲线拟合的方法 256.2.2区域重心的压缩方法 256.2.3共顶点法 267、地物的三维模型和对模型的分析 277.1地物的三维模型 277.1.1点云模型 277.1.2三角网模型 287.2对地面实物模型的分析 287.2.1.对古物的分析 287.2.2.进行地物的变形监测 297.2.3建立数字城市 298、纹理映射 308.1纹理贴图的流程 308.2图像拼接与映射 30结论 31致谢 32参考文献 33基于地面三维激光扫面技术的三维模型重建PAGE31基于地面三维激光扫面技术的三维模型重建摘要随着科学技术的进步，外业测量技术的不断提高，地面实物的模型建立也越来越受到世界范围内各国科技人员的关注。由于传统的测量技术精度不高，要受到很多方面的影响，所以利用激光测距原理发展起来的激光扫描仪就变得很有优势。激光相干性比较好，测距快速准确。所以利用激光扫描仪进行的地面实物的测量不但速度快、精度高，而且还具有实时性强等特点。三维激光扫描仪可以按照平台、扫描有效距、工作原理等进行分类。激光扫描仪可以对各种复杂的环境进行探测，而且探测的领域还比较广，像城市规划时的探测、矿物的探测。三维激光扫描仪可以将探测到的地面实物的数据输入计算机中进行处理，然后进行地面实物的模型重建工作。模型重建对社会生活中的很多方面都有很大的帮助，像进行考古工作的人员就可以利用激光扫描模型重建技术建立古物的模型，这对考古分析工作非常重要。除此以外，还可以利用三维激光扫描技术的模型重建进行数字城市的建设等。本文主要分析了三维激光扫描系统的工作原理与分类，以及利用三维激光扫描仪进行地面实物的模型重建的基本流程和在每一个流程中可以实现的方法，最终建立地面实物的立体模型。关键字：激光扫描、点云数据、定位、模型重建BASEDONTHEGROUNDTHREE-DIMENSIONALLASERSCANNINGTECHNOLOGYOF3DMODELRECONSTRUCTIONABSTRACTWiththeprogressofscienceandtechnology,thefieldmeasurementtechnologyunceasingenhancement,thephysicalmodelisbecomingmoreandmoreattentionbycountriesaroundtheworldwithinthescopeofscienceandtechnologypersonnel.Becauseofthetraditionalmeasurementtechnologyofprecisionisnothigh,affectedbymanyaspects,sodevelopedusinglaserrangingprinciple,laserscannerbecomesveryhaveanadvantage.Thelasercoherenceisbetter,rangeandfast.Sousinglaserscannertothegroundnotonlyphysicalmeasurementspeed,highprecision,butalsohasthecharacteristicsofrapidity.Accordingtotheplatform,3dlaserscannercanscaneffectivedistance,theprincipleofclassification.Laserscannerisabletodetectallkindsofcomplicatedenvironment,anddetectionfieldisrelativelywide,likeurbanplanningatthetimeofthedetection,detectionofminerals.3dlaserscannercandetectthegroundofthephysicaldatainputinthecomputerforprocessing,thenthegroundphysicalmodelreconstruction.Modelreconstructionofmanyaspectsofsociallifehaveverybighelp,likeforthearchaeologicalworkpersonnelcanuselaserscanningmodelreconstructionoftheantiquitiesofmodel,theanalysisofarchaeologicalworkisveryimportant.Inaddition,themodelofthethree-dimensionallaserscanningtechnologycanbeusedtorebuildfortheconstructionofdigitalcity,etc.Thisarticlemainlyanalyzestheworkingprincipleandclassificationof3dlaserscanningsystem,andtheuseof3dlaserscannerforgroundobjectsmodelreconstructionofthebasicprocessandcanbeimplementedineachprocess;themethodofgroundobjectthree-dimensionalmodelisestablishedfinally.KEYWORDS:Laserscanning,thepointclouddata,positioning,andmodelreconstruction1、绪论1．1研究背景三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”。它通过激光扫描测量的方法，获取被测对象表面的三维坐标数据。传统的地面物体的三维模型重建在很长时间内由于受到仪器设备等和一些技术水平的限制，致使传统的这些三维地面实物的模型重建很大一部分都是建立在图片信息的。这些建立在图片基础上的三维地面实物的模型重建虽然在三维信息的全面性和几何程度的准确性上还有一定的差距，但是这种建立在图片基础上的三维地面实物的模型建立技术非常有效的绕开了关于现实场景的几何方面的复杂性质。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，三维已经代替二维。时代在不断的发展，随着扫描技术的不断进步和先进的、效率高的扫描仪成本的不断下降，利用激光扫描技术进行地面实物模型的重建工作也变得越来越简单化，越来越普及化。利用扫描仪得到的扫描数据进行三维地面实物的模型重建工作绝大部分是先对扫描仪扫描的数据提前处理一下，然后再对扫描仪获取的数据进行数据的配准工作，将获得的扫描数据统一在同一个坐标系统条件之下，之后还要进行网格化等操作来建立地面实物的三维模型。与建立在图像基础上进行的三维地面实物的模型重建相比较，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。在现在的社会中，利用激光扫描技术获得的激光扫描数据进行的三维地面实物的模型重建技术在现代科学、数字城市建设、工程建设等许多方面都有着很深很广的意义与应用。现在，在小型地面实物的三维模型重建这项研究方面发展的己经非常迅速非常成熟。针对大型的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发展，但是还是有许多不完善的地方需要进一步加强钻研进而使这一方面的发展能够取得更大的前景。立体真实感比较强、几何准确度比较高的三维地面实物的模型重建具有非常广的市场，例如在城市建设、地质探测、环境保护、区域规划等很多方面都涉及到了建立这类立体模型。因为三维地面实物的模型重建这项技术发展的越来越迅速，应用的范围也越来越广，所以研究运用怎样的方法来研究出高效的立体感较强的三维地面实物的模型重建技术也变得越来越吸引人们的注意。世界上虽然就建立在激光扫描仪获取的扫描数据的基础上进行的三维地面实物的模型重建的技术进行了很多方面的研究，但是存在很多方面的不足，比如普遍试用性差、推广率很低。这些缺陷虽然造使得了三维地面实物的模型建立这项技术发展缓慢，但是随着社会的发展，高科技人才的不断上升，这些缺陷也会在人们的研究中不断的减少。相信随着科技的进步，三维地面实物模型的建立这项技术也会变得越来越成熟，应用也会越来越广泛。1．2研究目的三维激光扫描技术是一项高新科学技术。世界内很多国家都在这一方向不断的进行研究。本文主要对三维激光扫描的技术的研究现状和工作流程进行了论述，并且还讲述了这些流程中的一些方法。精确的三维立体模型在公共服务、救援、军事侦察等领域有着重要作用，激光扫描传感器在三维立体模型重建中应用广泛。虽然三维激光仪器获取的扫描数据的获取方式、获取时的环境因素和观测人员的不同等方面存在一定的误差，但是这种数据的获取速度比较快，效率比较高，所以在今后的时代，关于三维激光扫描技术获取的数据进行模型重建技术会越来越受到人们的重视，发展出一个属于自己的全新的领域。因此有必要就三维激光扫描技术的发展及其应用前景作出相应研究，以便对其有较为深入的认识，从而以便其更好、更广、更方便的应用于各个领域工作。1．3研究现状随着科技社会的不断发展，关于三维地面实物的模型重建这个领域也越来越引起了世界各国的关注，越来越多的专家学者在这方面进行了大量的实验，使得关于三维地面实物的模型重建这项技术发展的更加先进，可以运用到社会生活的许多领域。最早出现的关于三维地面实物的模型重建技术是建立在图像基础上的。这种建立在图像基础上的三维地面实物的模型重建技术的方法有两种。①很常见的建立在图像基础上的三维地面实物的模型重建技术一种方法是按照多个视图建立立体几何的这个思路，通过分析这些图像，得出自己想要的内容，并根据这些内容信息建立三维地面实物的模型。②另外建立在图像基础上进行的三维地面实物模型重建的方法就是预先把你要建立的关于三维地面实物的图片输入到计算机中，然后通过专业方面的软件生成一个全新的视点图像，这之后再进行三维地面实物的模型重建，这样就建立了模仿地面实物的模型。第一种方法对规模较小的三维地面实物的模型重建比较合适，对于地形地貌比较发杂，范围较广，规模较大的地面实物来说，因为有电脑处理的时间的制约这种方法就不太适用。除此以外，因为这种按照多个视图建立立体几何的这个思路，通过分析这些图像，得出自己想要的内容，并根据这些内容信息建立三维地面实物的模型的方法会对大量的图像信息进行处理，所以耗时比较长。M．Pollefeys等人提出了通过照相机得到的图像来对地面实物进行模型重建这样一种方法和D．Nister提出的关于利用没有注记的视频序列来自动恢复场景信息的方法就是第一种方法的代表。第二种方法虽然很好的绕开了关于现实地物本身具有的几何方面的繁复的信息，但是距离高程度的恢复三维地面实物的信息还是有一定的差距。对于虚拟这方面来说这种方法还比较好，但是对于要精确的建立三维地面实物的模型来说，还是有一定的距离的。用这种方法建立的三维地面实物的模型在真实性等方面还有所欠缺。1990年出现的IBMR(Image．BasedModelingandRendering)技术就属于预先把你要建立的关于三维地面实物的图片输入到计算机中，然后通过专业方面的软件生成一个全新的视点图像，这之后再进行三维地面实物的模型重建。早期出现的三维地面实物的模型重建技术由于在建立模型所需要的时间方面、几何保真度方面、现实存在感方面等许多方面存在缺陷所以并不是发展的很好。随着科学技术的不断发展，模型重建技术也在不断的提高。现在建立在激光扫描仪获得的扫描数据的基础上进行的三维地面实物的模型重建技术日渐成熟。利用激光扫描仪获取的扫描数据建立的三维地面实物的模型不仅在信息方面具有很高的准确度，而且可以得到地面实物的许多详细的信息。用这种方法还具有很高的工作效率，得到的模型还比较精确。利用激光扫描数据建立的三维地面实物的模型不仅可以满足精度较高的测量方面的需要，而且还具有很高的保真度。利用这种方法建立模型还可以把建立过程中的数据存储起来。我们国家对建立在激光扫描仪获取的扫描数据的基础上建立的三维地面实物的模型重建方面的这项技术发展的还算不错。与世界上的某些国家相比，我们国家在这个方面的研究虽然开始的并不算早，但是并不代表我们在这个方向领域的研究就很落后，在这个方向的研究还是取得了一定的建树的。国内起步于20世纪90年代中期，但经过十多年来的研究，许多的科研单位已经掌握了三维激光扫描仪的基本原理。国家"863"计划先后支持了这一技术的研究。经过逐步的产业化，国内现在已有不少单位从事开发和生产三维激光扫描仪的方向。从21世纪开始，北京大学开始了一项关于三维模型建立的研究。研究组成员通过利用高分辨率的数码相机和激光扫描仪，并结合全方位的摄影系统，来对需要进行三维建模的地面实体进行数据信息等的采集，采集之后进行点云数据的配准和处理，最后进行三维地面实物的模型建立。三维模型的纹理映射与显示；三维模型的拓扑结构保存与转换等领域。2005年，北京师范大学的研究人员研究出了建立在激光扫描仪获取的扫描数据基础上的户外地面实体表面的三维模型重建技术，这项技术可以进行实物表面的模型重建。至今为止，全世界范围内的针对建立在激光扫描仪获取的扫描数据的基础上建立的三维地面实物的模型重建都存在受环境因素、光照因素、地面实物本身的因素、通视与否因素等诸多因素的影响，所以建立的这些三维地面实体模型都比较简单。为了进一步的研究建立更深一层的地面实物模型，世界各国有大量的科研工作人员潜心在这上面。与我国相比，国外在这个领域的研究远远比我们国家要前沿的多。M。Ievoy与他的科研团队成员通过结合获得高分辨率的图像技术和激光扫描仪这两项技术，完成了Michelangelo的一个作品雕塑的重建工作，并在此基础之上说明了关于这方面的技术。Y．Yu等人进行场内实物模型的建立的过程时，提取出研究范围内的部分实体，研究处出来了三维实物的模型重建的移动和编辑这两个功能。Zhao等研究人员发明了一个动态数据获取系统，这个系统是通过把1台照相机和2台2D激光扫描仪绑定在一辆可以移动的汽车上，随着汽车的不断移动，照相机把地物表面的信息都拍下来，激光扫描仪把地物的三维信息存储下来，然后再建立这个研究区域的三维立体模型。NRC(NationalResearchCouncil)的E1．Hakim等科研人员通过将CCD线阵照相机和激光扫描仪绑定在一个可以移动的小车上，建立了DCR。Frfih等研究人员通过结合航空摄影时获取的影像数据、激光扫描数据这两种数据建立了地面楼房的屋顶的立体模型。Allen和I。Stamosp。发明了能够在相同的时间条件下获取地面实物的彩色和深度图片，并根据获得的图片建立相应的地面实物的模型这样一个系统。通过测量仪器获得的离散点坐标来建立地面实物的三维模型是难以实现的，但是三维激光扫描技术可以使地面实物实现从二维到三维的转化，支撑起其他后续的一些基础数据。三维激光扫描系统不但可以把各种各样的地面实体的几何和深度数据输入到计算机中，然后高效率的建立出地面实物的三维模型。还可以直接进入到所要研究的区域内并且通过激光扫描仪获取的扫描数据还可以在后期工作中继续使用。三维激光扫描系统在我国还处在应用的起步阶段，在数字城市、古物保护、道路交通、测量应用等方面还是有一定的研究成果。1．4三维激光扫描系统的工作流程激光是20世纪60年代出现的一项新的技术。已经被广泛的应用与军事、医学、建筑等方面的领域。激光具有很强的相干性。建立在激光扫描仪获取的扫描数据的基础上进行的三维地面实物的模型重建是由数据获取、系统定位、数据处理、模型重建和纹理映射等步骤组成的。数据获取可以通过不同的方法获得，如外业测量获得，GPS测量获得等。系统定位可以分为局部定位和全局定位。数据处理包括数据配准、数据压缩等。模型重建可以根据实际情况建立比较适合的模型，如点云模型。三角网模型等。虽然建立在激光扫描仪获取的扫描数据的基础之上进行的三维地面实物的模型重建的系统各不相同，但是这些系统通常由以下来这些过程组成。(1)点云数据的获取：点云数据的获取就是指获取与需要建立模型的地面实物相关的信息。通常就是通过操作激光扫描仪来获取数据的。在进行点云数据的获取时，对需要进行扫描的区域进行规划一下。除此以外，激光扫描仪的选取、数据的格式这些因素都需要我们进行考虑。只有这样，才能获得精度比较高的点云数据。在进行各种三维地面实物的模型建立过程中这些因素均要被考虑进去。点云数据的获取可以借助许多其他的设备，例如运用激光扫描仪获取、GPS接收机获取、照相机摄影及获取等。(2)系统定位：激光扫描系统的定位是非常重要的，在取得点云数据之后首先就要进行激光扫描系统的定位。通过激光扫描系统的定位可以确定在在整个需要研究的区域范围内各个地面实物之间的相对位置并且还可以获取研究区域相应的信息。三维激光扫描系统的定位可以分为两个方面，第一方面为三维激光扫描系统的整体的定位，第二方面为三维激光扫描系统的局部的定位。激光扫描系统的整体定位用于获取三维激光扫描系统在整个区域范围统一的参考情况下的位置情况。激光扫描系统的相对定位是用来获取研究区域范围内整个过程中各种地面实物之间的相对位置。因此，通过激光扫描系统的定位可以得出各个地物在整个研究区域内的位置信息，并且还可以获得整个变化过程中各个变化时刻的位置信息。(3)点云数据的配准：要想建立整个研究范围的相应的三维地面实物模型，应该选择许多不同的位置来对研究区域进行扫描观测。扫描观测之后把从各个位置获得的数据进行出路，生成新的位置，这便把点云数据统一在了相同的坐标系中。因为通常情况下进行研究的区域都很广，而且在研究过程中还要受到环境因素、人为因素、仪器本身的因素等方面的影响，因此每次研究获得的都是本次位置情况下的数据，这种情况下的数据是在当前仪器坐标系统中产生的。数据的配准其实就是建立两个坐标系之间的变换。变换可以通过三维的平移向量和建立和一个3×3的旋转矩阵来进行。点云数据的配准就是解算出(R，a)。至少需要3个同名相点才能结算处R和a。(4)点云数据处理：在进行测量的过程中，由于测量的客观环境和被测量的物体本身存在的复杂性等因素，会造成测量的关于被测的实物方面的数据存在不完整性，这给三维地面实物的建模带来困难，这时候就要对测量的数据进行加密。测量时如果得不到测区范围内全部的地面实物的数据信息，应该从多个方位对同一个地面实体进行多次的量测，得到地面实体的数据，然后对测量的数据进行拼接，建立地面实物整个表面的点云数据。因为在测量过程中，操作人员的变动和外界环境的不断变化都会使测量的结果不太准确，这时候有可能造成测量的地面实物的坐标出现不正常的现象，通常情况下这些异常的点都会被排除。除此以外，如果用激光扫描仪获得的地面实物的数据非常密，这时候也要对这些数据进行处理，就是我们说的均匀化。为了提高对地面实物的测量精度，这时候扫描的数据量会非常的高。这些数据量可甚至可以达到几百兆的字节，所以在进行数据处理时就要压缩点云数据了。(5)三维建模：进行三维地面实物的模型建立的过程中，如果已经获得了地面实物在研究区域内的相互位置关系，那么之后就可以进行地面实物的模型重建了。运用激光扫描仪扫描得到地面实物的深度数据和几何数据是一个建立在不同的方位上的动态的过程，也就是说每用激光扫描仪进行一次扫描后，获得的地面实物的数据均是在这次扫描时的方位位置作为原点，然后以这个原点建立相应的坐标系统。所以，要把用激光扫描以获取的地面实物的数据统一在相同的坐标系中，这时候就要将在不同的扫描方位获得的地面实物的数据进行融合处理。经过数据融合处理后，将会得到不连续的地面实物的点云数据。这种不连续的数据对于地面实物的模型重建缺乏一定的准确性。这时候就需要利用得到的这些点云数据进行三角网模型的建立，这样才能更加真实准确的表示出地面的实物。(6)纹理映射：纹理映射（TextureMapping）是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中的像素的过程。纹理映射包括纹理贴图和图像的拼接两个方面。为了是建立的地面实物的模型具有很高的真实性，在建立了三角网这样的模型之后，还要对建立的模型进行纹理的贴图和图像的拼接，即纹理映射。1．5全文的组织结构如下：第l章绪论部分，本章讲述了关于建立在激光扫描仪获取的扫描数据基础之上进行的模型重建的研究背景、研究目的、研究现状、模型建立的基本流程等内容。第2章是讲述了三维激光扫描仪的工作原理和系统的工作流程等。第3章是数据的获取部分，这一章主要讲述了点云数据的获取方法。第4章系统的定位部分。本章讲述了系统的定位的分类方法。系统的定位方法分为整体定位和根据相对位置来进行定位这样的两种方法，除了介绍分类方法之外，还讲述了这两种分类方法各自所具有的特点。第5章点云数据配准部分，要想建立整个研究范围的相应的三维地面实物模型，应该选择许多不同的位置来对研究区域进行扫描观测。扫描观测之后把从各个位置获得的数据进行出路，生成新的位置，这便把点云数据统一在了相同的坐标系中。这就是通常所说的点云数据配准。本章主要讨论了点云数据配准的一些基本方法。第6章点云数据处理。在进行地面实物的模型建立的过程中必须进行数据的处理。在获得激光扫描数据后第一步进行了扫描系统的定位之后，第二步就要对获得的扫描数据进行处理。进行数据处理就是为进行地面实物的模型重建除去一些不必要的数据。这一章将主要介绍点云数据的去噪处理方法和点云数据的压缩处理方法。第7章地面实物的模型建立。这一章介绍了几种不同的模型和建立这些模型的过程，另外，还对这些模型进行了分析，看这些模型适合哪些领域应用。第8章纹理映射部分。纹理映射是将纹理空间中的纹理像素映射到屏幕空间中的像素的过程。在三维图形中，纹理映射的方法运用得最广，尤其描述具有真实感的物体。在这一章主要介绍了纹理映射的一些方法和特点。在文章的结尾部分自己做个总结，并对我的老师们致以感谢。2、三维激光扫描仪的工作原理及分类三维激光扫描技术就是利用三维激光扫描仪对地面的实物进行测量，获得地面实物的特征数据，然后对获得的点云数据进行处理，建立地面实物相应的模型。三维激光扫描技术比传统的测量的技术要简便，除此以外，还具有很高的精度等。系统的组成一般如图2-1所示：图2-1：一种激光扫描系统组成图2-2：激光扫描系统图图2-3：一种激光扫描仪的系统组成与坐标系对地面实物进行测量时，利用激光扫描仪可以获得地面实物的特征和深度信息。激光扫描仪工作分为距离测量、角度测量、对地面实物的扫描、方向的定位四个方面。图2-4：激光扫描图2．1距离测量三维激光扫描仪能够对地面实物进行距离的量测。测距方法主要有：三角法、脉冲法，相位法。2．1．1三角测距法三角测距就是利用几何上的三角形的一些几何特征，利用公式2-1解算出激光扫描仪的扫描中心与其他点的距离。（公式2-1）L：基线长；γ：发射光线与基线的夹角；λ：入射光线与基线的夹角；α激光扫描仪的轴向自旋转角度。三角法测量距离较短，适合于近距测量。测量范围几厘米到几米，精度可达微米级。2．1．2脉冲测距法脉冲法测距就是计算出激光扫描仪发射脉冲时的时间和接受到脉冲时的时间，然后计算出这两个时间的差值，再根据下面的公式2-2计算距离。（公式2-2）C：光速；△t：测得激光信号往返传播的时间差。2．1．3相位测距法相位法测距就是记录下光信号在发射时的相位和返回来的相位，然后对这两个相位进行差值的计算，再根据相位差公式2-3解算出传播的距离。运用相位差来进行测距能够获得精度比较高的距离量测。（公式2-3）C：光速；ᶲ：激光信号往返传播产生的相位差；f：脉冲的频率。2．2测角方法2．2．1角位移测量法三维激光扫描仪是通过步进电机进行驱动，然后通过步距角等来解算出角度的位移。步距角解算公式为（公式2-4）Nr：电机的转子齿数；m：电机的相数；b是各种连接绕组的线路状态数及运行拍数。2．2．2线位移测量法线位移测量的方法适合由发射器、CCD和棱镜组成的这种系统。扫描仪进行不断的转动时，由发射器射出的激光束会自动形成一个线性的区域，然后CCD元件会记录下来线的位移量，最后再根据线的位移量与距离S之比得出激光扫描仪扫描的角度。2．3扫描方法扫描方法就是根据仪器内部的驱动马达来对扫描棱镜进行控制，设置激光束的发射的方向，使激光束能够分别进行横轴方向的扫描和纵轴方向的扫描。激光扫描仪的扫描装置是由摆动扫描镜和旋转正多面体扫描镜组成。2．4转换方法转换方法就是将对地面实物进行扫描后得到的数据统一到大地坐标系中。运用这种方法时，需要设定定向的特殊标志，然后解算出设定的定向的特殊标志的中心的坐标，再根据坐标的转换公式计算转换参数。2．5三维激光扫描仪的分类随着科学技术的发展，激光技术也越来越走向成熟。它可以为社会上的的多个领域服务。因此，激光扫描仪的设计也越来越先进。三维激光扫描仪可以有多种分类方式。常用的分类方式有三种，按平台划分，按距离划分、按原理划分。2．5．1按平台分类三维激光扫描仪的搭载平台可以有多种类型。搭载在飞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。2．5．2按距离划分随着激光扫描技术的发展，三维激光扫描仪的也在不断地更新，扫描距离也在不断的增加。现如今把扫描距离小于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30m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。这四类扫描仪各有属于自己的特点。短距一类可以对小型的地面实物进行测量，效率较高。中距一类适合较大型的地面实物。长距一类适合大型的地面实物的测量。航空一类测量的范围更广。2．5．3按工作原理划分三维激光扫描仪除了按照上述的搭载平台和扫描距离这两种方法分类之外，还可以按照仪器的原理来进行分类。把按照脉冲测距这一原理进行量测的扫描仪归结为径向一类。把按照光学干涉原理进行量测的扫描仪归结为干涉一类。把通过两条光线建立地面实物的立体模型的量测方法归结为三角法一类。3、点云数据的获取点云数据就是通过激光扫描仪通过扫描地面实物所获取的关于该地面实物的数据组织。扫描得到的点云数据包含地面实物表面的几何信息和深度信息。此外，还可以通过三维激光扫描仪获取的地面实物的回波强度信息。这些信息的获取不仅与测量外部环境有关，还与被测实物本身的特性（实物表面的粗糙度、实物的大小）有关，还与仪器本身有关，除此以外，在测量过程中，测量人员的更换也会对获取的结果造成影响。随着激光扫描技术越来越广泛的应用，关于地面实物的点云数据的获取的方式也越来越多，但整体来说可以概括为接触和非接触两大类。接触法就是在地面实物表面直接测量，如用钢尺测量直接得出这个地面实物的尺寸等几何信息。三角坐标测量机、光学聚焦法均属于这类方法、非接触法就是借助一些仪器，在不直接接触的情况下获得地面实物的数据。随着测量技术的不断提高，非接触法被应用的越来越广泛，尤其是利用计算机视觉原理的方法。这种方法使得获得地面实物的信息变得更加容易。3．1非接触法在不直接接触的情况下获得被测地面实物的信息的方法被称为非接触法。随着非接触法应用的越来越广泛，非接触法也被划分为飞行时间法、光学法和计算机视觉法等几大类。每一类都具有各自的原理和特征。飞行时间法就是利用激光扫描仪向需要探测的地面实物发射脉冲信号，当脉冲信号传播到该地面实物时，脉冲信号折回来继续发射到扫描仪。然后计算脉冲信号在往返传播过程中所需要的时间，再根据这个时间来计算出脉冲信号往返传播的距离，这个距离的一半就是物体到激光扫描仪的距离。光学法就是根据物理上的光学原理来对地面实物进行量测，进而获得地面实物的信息。计算机视觉法就是用计算机来模拟人的视觉机理获取和处理信息的方法。时间飞行法被广泛应用于激光雷达定位与毫米波微波雷达定位，还可以被用于精密工程测量和无导轨测量等。光学法就是利用光学物理原理进行的量测，主要有相干法、条纹法等。随着计算机发展的速度越来越快，计算机视觉法的应用也变得越来越广泛。下面主要介绍一下计算机视觉法。计算机视觉法又可以分为主动法和被动法。3．1．1主动法计算机视觉的主动法分为结构光法和编码光法。结构光法由光学投射器和摄影机组成。利用结构光法测量的步骤是：运用光学投射器投射结构光到地面实物的表面形成一个条纹图像，再由摄影机获得这个条纹图像。在根据图像获得地面实物的三维信息。编码光法是在结构光法的基础上发展起来的，原理和结构光法一样，但比结构光法更容易进行匹配。3．1．2被动法计算机被动视觉法又分为立体视差法和单目视觉法。立体视差法就是利用摄影机在不同的位置获取同一地面实物的信息，获取两张或两张以上关于这个地物的相片，然后找出这两张相片上的几个同名相点，利用这几个同名相点来建立该地面实物的立体模型。用立体视差法进行观测时最重要的就是要对这些相片对进行匹配，特征匹配算法有SIFT算法、相比梯度算法、哈希算法等。在这几种特征算法中，SIFT算法在尺度、旋转等方面比较稳定，另外还能够抵抗光照的影响。SIFT算法的特征匹配分两步完成。第一步先完成特征向量的提取；第二步对提取的特征向量进行匹配。单目视觉法就是用摄影机在一个视点上对地面实物进行摄影，获取在这个视点上的相片，然后再利用相片进行三维地面实物的模型的重建。4、激光扫描系统的定位系统定位在三维地面实物的模型重建过程中非常重要。在利用激光扫描仪获取了地面实物的几何和深度数据之后，就要首先进行系统的定位。系统定位的实质就是获取地面实物的方位。以飞机卫星小车等作为平台来进行的系统定位均属于移动定位。因为在以这些作为平台进行的定位总是在不断地移动变化当中进行的。根据建立的地面实物模型所在的坐标系，可以将系统的定位分为两类。一类是在定位的过程中获取整个测区范围内各个地物的相对位置关系，另一类是在定位的过程中获取在整个区域统一的坐标系下的位置。4．1获取整个测区范围内各个地物的相对位置关系的定位获取整个测区范围内各个地物的相对位置关系的定位系统是建立在一个局部的坐标系中的。用这种系统定位获得的地面实物的数据信息都是以该坐标系统中的参考点为基准的。这种定位系统采集的数据具有传递性，比如我们利用仪器获取了一个目标点的信息，那么我们用仪器进行下一点量测时是根据这点的信息继续的。由于在用激光扫描仪进行扫描量测的过程中要受到外界环境因素的影响、地物本身复杂性因素的影响、仪器自身因素的影响还有操作人员的更换等因素的影响，使得扫描获得扫描数据不可避免的存在误差。当用激光扫描仪获取的数据量很大时，那么积累的误差也会相当大。这就使建立的三维地面实物的模型的准确和真实性大大降低。激光扫描系统的获取整个测区范围内各个地物的相对位置关系的定位系统有许多种。传统的这方面的方法有建立在里程仪的基础上进行的定位。这种定位系统就是在移动装置如小车上放置一个里程仪，随着这个小车的不断移动，放置在这个小车上的里程仪能够把这个系统变化的角度和位置都记录下来。通过这种定位系统获取的地面实物的数据信息还是不太准确，因为要受到移动装置的影响，但是运用这种方法操作简便。传统的方法对于建立精确度较高的三维地面实物模型还是比较困难的。为了使建立的地面实物的模型更加精确真实，现在越来越多的工作人员都是将计算机视觉理论应用到地面实物建模的过程中。这种方法是在移动装置如小车上安放一架照相机或摄影机，随着移动装置小车的不断移动，照相机或摄影机在移动过程中获取地面实物的多张相片。然后通过计算机对这些同名相片进行分析处理，建立地面实物的三维立体模型。这种方法操作起来比较复杂，对于研究区域面积较大的还不适合。与建立在计算机视觉理论基础上进行的定位方法相比较的话，利用激光扫描仪获取的扫描数据进行定位这种方法就显得比较简便快捷，而且精度也比较高。利用激光扫描技术进行定位比建立在计算机视觉理论基础上的定位要省很大的计算量。4．2激光扫描系统的整体定位激光扫描系统的整体定位是建立一个统一的坐标系，将激光传感器安置在移动装置上，随着移动装置的不断移动，传感器记录下来地面实物的信息。整体定位可以利用安置在移动装置上的传感器直接得到地面实物的信息，也可以利用获取整个测区范围内各个地物的相对位置关系的定位这种方法获取数据后，利用这些数据再进行整体的定位。整体定位方法可以利用激光扫描系统定位方法，也可以利用GPS进行研究区域的整体定位。5、点云数据的配准利用激光扫描仪获取点云数据进行了系统定位后，就要进行点云数据的配准。点云数据的配准实质是将激光扫描仪获取的地面实物的坐标数据统一到一个相同的坐标系中。只有经过数据配准，才能够建立准确的地面实物的模型。点云数据的配准方法通常有三种：人工手动配准、借助仪器进行的配准和自动配准。目前使用比较广泛的配准方法是自动配准方法。在用激光扫描仪获取数据时，我们很多情况下会利用多个坐标系，这时候得到的数据也是分布在不同的坐标系中，为了建立地面实物的模型，我们就要将这些不同的坐标系进行转换，转换到一个统一的坐标系中，然后再统一的坐标系中再进行地面实物的建模。这就是自动配准的实质。虽然点云数据的配准可以有多种方法，但是配准的实现步骤都大体相同，可以分为部分的和全局的。5．1部分区域的配准方法在进行部分区域的配准时首先要经过区域的选择然后再进行迭代局部的最近点，最后进行特征匹配。部分区域的选择的方法有两种，一种是通过人与计算机结合（人机交互）工作的方法，一种是自动的方法。①人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。工作人员可以将外业测量获取的地面实物的数据通过计算机输入设备输入到计算机中，然后通过一些技术软件对数据进行处理，最后通过计算机输出设备将一些信息输出，现实给工作人员。除此之外，工作人员可以利用计算机输入设备将自己的一些要求，一些问题输入到计算机中，是计算机按照自己的要求进行信息处理。这种方法计算量通常非常高。②自动方法其实是建立在人机交互的方法的基础之上的。人机交互不但计算量比较大，而且配准精度不高。要想进行高精度的配准工作，这时候就要选用自动方法。部分区域选择好之后，就要进行局部迭代了。这时候为了达到更好的配准结果，就要选择最好的区域来进行，而且要避开选择会影响到配准精度的区域有重叠的部分。局部迭代后最后进行特征匹配，特征匹配算法有基于曲面特征的配准算法和迭代算法。迭代算法过程比较繁琐，但是精度比较高。建立在曲面特征基础上的算法是利用曲面拟合来进行配准的，这种方法比较简单，但是精度不如迭代算法高。通常情况下，将这两种方法结合得到的结果比较精确。5．2全局配准全局配准就是将获取的点云数据统一到一个相同的坐标系中，利用激光扫描仪获取的整个区域内的多个特征数据进行的。这种方法比部分区域的配准方法精度高。因为整个区域的配准方法是利用了整个区域内的有代表性的特征数据，而不像部分配准方法只是用部分特征数据进行的。但是与部分配准方法相比，这种整体的配准方法由于处理的数据量比较大，所以进行的时间也比部分配准的方法长。整体的点云数据的配准算法有动态、迭代最近点、、基于灰度的配准算法、基于几何特征等算法。5．2．1动态法在进行变形监测和建立动态模型时，就要对获取的动态数据进行动态配准。动态配准是在多个不同的帧之间进行插值配准。对地面实物是利用旋转扫描的方法进行动态配准的。5．2．2ICP算法首先准备两组建立在不同的空间坐标系中获取的点云数据集，然后对这两组空间数据集进行空间变换，实现最佳匹配。运用迭代最近点的算法可以找出目标点和参考点之间的旋转变换和平移变换。旋转变换有四元数旋转、矩阵旋转和Euler旋转。例如，给出A={Al，A2⋯．，An}和B={B1，B2，⋯，Bm}然后定义一个目标函数：（公式5-1）用B点处的拟合曲面替代对应点的信息，就会有：（公式5-2）5．2．3基于灰度的配准算法基于灰度的配准算法就是利用外业获取的影像与计算机结合，分析影像的特征并完成数据的配准计算。基于灰度的配准，重点在于获取待与待测点所在的区域的灰度影像。这种配准方法在图像处理方面应用的比较广。用基于灰度的配准方法不用事先对图像进行处理。这种方法又有线、块、比值匹配和互相关法等方法。这种配准方法比较简单。5．2．4基于几何特征的配准算法这种算法就是根究地面实物的特征来配准。用这种方法进行配准时要考虑点线面几何特征的约束条件，所以这种算法用方面的比较窄。这些约束条件可以概括为点在平面上的不等约束条件和法线平行条件的不等约束。用这种算法需要六个不等的参数，这种算法适合附加多种几何特征的不等约束条件，通常与迭代算法一起使用。这种算法对地面实物的几何等特征表达的很好，但是就是在进行配准之前了解关于这方面的先验知识。6、点云数据的处理在进行测量的过程中，由于测量的客观环境和被测量的物体本身存在的复杂性等因素，会造成测量的关于被测的实物方面的数据存在不完整性，这给三维地面实物的建模带来困难，这时候就要对测量的数据进行加密。测量时如果得不到测区范围内全部的地面实物的数据信息，应该从多个方位对同一个地面实体进行多次的量测，得到地面实体的数据，然后对测量的数据进行拼接，建立地面实物整个表面的点云数据。因为在测量过程中，操作人员的变动和外界环境的不断变化都会使测量的结果不太准确，这时候有可能造成测量的地面实物的坐标出现不正常的现象，通常情况下这些异常的点都会被排除。除此以外，如果用激光扫描仪获得的地面实物的数据非常密，这时候也要对这些数据进行处理，就是我们说的均匀化。为了提高对地面实物的测量精度，这时候扫描的数据量会非常的高。这些数据量可甚至可以达到几百兆的字节，所以在进行数据处理时就要压缩点云数据了。点云数据处理过程如图6-1所示：获取点云数据噪声去除获取点云数据噪声去除点云数据过滤和平滑数据压缩点云特征提取和分割线曲拟合表面重建6．1点云数据去噪处理在利用激光扫描仪进行外业测量时由于受到外界环境因素、仪器本身的因素以及作业人员的更换因素、观测过程中障碍物等因素的影响，使得通过激光扫描仪扫描后获取的关于地面实物的数据出现噪声影响。如果不将这些噪声影响进行处理，这必然会使建立的地面实物的模型的真实感降低。为了提高建立的地面实物的准确度就要对扫描获取的关于地面实物的数据进行去噪处理。点云数据的去噪处理有在空间域中进行处理和在频率域中进行处理两大类。点云数据再空间域中进行处理就是直接在空间中对数据进行处理。点云数据的频率域处理就是将获得的地面实物的图像经过变换，从空间域转换到频域，然后再进行处理，处理后再通过变换，回到空间域。6．1．1双边滤波去噪处理在获取点云数据后，可以直接对点云数据进行去噪处理，也可以建立格网进行噪声处理。这里我讲述一下双边滤波去噪处理。双边滤波是一种非线性的滤波方法，是结合图像的空间邻近度和像素值相似度的一种折衷处理，同时考虑空域信息和灰度相似性，达到保边去噪的目的。双边滤波是由C.Tomasi和R.Manduchi提出的一种非迭代的比较简单的去除噪声的方法。这种噪声去除方法具有简单、非迭代、局部的特点。6．1．2小波阈值去噪小波变换属于线性变换的一种，拥有不错的时频特点。在获得了地面实物的图像后，用小波进行分解处理得到许多个子图像，然后再对这些子图形分别定义一个阈值，然后再进行噪声的处理。小波去噪首先对需要进行去噪处理的图像进行特征信息的提取，然后进行低通滤波，最后再生成新的图像。过程如图6-2所示：带噪图像带噪图像特征提取低通滤波新图像特征信息图6-2：小波去噪过程6．2点云数据的压缩随着对地面实物的外业测量技术的不断提高，人们所建立的地面实物模型的精度也在不断的提高。模型精度的提高都是建立在外业获得大量的数据的基础上的。数据量太大，为了便于使用，这时候就要对获得数据进行点云数据的压缩。点云数据的压缩就是从外业测量获得数据集合之中抽取一个子集，使这个子集在规定的精度的范围内，最好的逼近原集合而又获得尽可能大的压缩比。数据压缩分为有损压缩和无损压缩。有损压缩就是在数据进行压缩的时候造成数据损害或丢失；无损压缩就是数据在进行压缩的没有造成损害。6．2．1曲线拟合的方法在对地面实物的外业测量中通常都是获取大量的点云数据，这些点云数据结构也比较复杂。这时候用单张曲面进行曲面拟合的方法这种点云数据进行处理并不合适，需要建立多张曲面来进行拟合，因此就要对数据进行分块处理，分块方法可以采用刘盛兰提出的半自动的算法。然后对进行分块处理之后的数据运用一些反求软件等进行切片处理，最后进行数据的压缩。6．2．2区域重心的压缩方法对地面的实物进行扫描后，得到的相应的数据信息都是在一个有限的范围内的。我们假设一个密闭的空间区域将这些地面实物的数据信息都包含在内，这个密闭的空间区域（最外区域）的几何信息可以根据包含的地面实物的数据信息得到。若数据集A为获得的地面实物的信息，则A()，在定义的坐标轴的方向上分别对获得的地面实物的数据进行查询，然后获得在这三个方向的最大和最小值：、、、、、。可以得到最外区域的顶点的坐标(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)。根据这几个顶点坐标就可以确定区域的范围了。确定范围后，然后进行细化。细化的方法按照下面的公式6-1进行。（公式6-1）然后根据细化后的小区域的范围内包含的地面实物的信息进行压缩处理。压缩后的精度可以根据细化后的小区域的范围来进行大致的确定。压缩的方法可以根据重心点法来进行。重心点法就是只能够保留细化后的小区域的重心点。进行确定细化后的各个区域的重心点的步骤如图6-3所示： 图6-3：区域重心压缩法 (1)先对细化后的各个小区域进行本区域内的所有的数据点进行解算，然后根据所有的点找出本区域的中点o；(2)然后根据公式6-2算出各个小区域内的所有的数据点到该区域的中心点的距离，找出距离最短的那个点，那个点就是所要求的点。（公式6-2）6．2．3共顶点法共顶点法是对关于建立在地面实物的高程方面数据进行处理的一种方法。是就是一个地面实物的高程方面的数据集合。图6-4就是建立的一个三角形控制网。图6-4：地物数据点的三角网在对用激光扫描仪获取的地面实物的数据集进行压缩处理时，为了能够得到最好的压缩成果，就要保留那些能够最佳的代表地面实物的典型特点的一些数据点，提出那些不必要的数据点。用共顶点的方法进行地面实物数据的处理的步骤：(1)先寻找出每个三角形的共顶点；(2)然后利用公式6-3解算出这些小三角形除了共顶点之外的其他点的均值。（公式6-3）(3)当（T为误差的最大允许值）时，把这个共顶点除去，反之就把这个共顶点留下。处理过程变化如图6-5所示：删除前高程图删除后高程图图6-5：共顶点法压缩7、地物的三维模型和对模型的分析7．1地物的三维模型对地面实物可以建立点云模型、三角网模型和实体模型等。7．1．1点云模型在对地面实物建立模型时，用扫描仪获取的数据建立的地面实物的三维模型就是点云模型。点云模型的建立要先进行外业的控制测量；然后对测量得到的数据进行采集，最后进行处理建立模型。①外业的控制测量。要想建立地面实物的模型，就先要获取数据，而数据就要通过外业测量获得。②数据采集。用扫描仪获取地面实物的特征信息；③数据配准。将采集到的各种数据统一到相同的坐标系中方便后面的数据处理。图7-1就是利用点云模型建立的一个控制网。

图7-1：地面实物的控制网7．1．2三角网模型除了对地面实物建立点云模型外，还可以建立三角网模型。建立三角网模型时应使数据点中最近的三个点连成三角形并且尽可能的使三角形逼近等边三角形。建立三角网模型的步骤为：①建立模型；②对建立的模型进行简化；③对建立的三角网进行分析。7．2对地面实物模型的分析7．2．1对古物的分析根据模型建立的方法对古代遗留下来的东西进行模型重建对古物的分析研究及保护有很大的帮助。历史古迹是我们中华民族一项伟大的财富，我们这些后代子民要保护好这些古老