基于地面三维激光扫描技术的三维模型重建

PAGE基于地面三维激光扫描技术的三维模型重建PAGEPAGE7基于地面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项高新科学技术。日前很多发达以及发展中国家已将这一技术应用于工业测量系统及空对地观测，快速获取特定目标的主体模型。本文通过对地面三维激光扫描技术的应用现状和原理分类的论述，探讨了建立相应的实体模型的技术方法以及这些方法的应用。关键词：地面三维激光扫描技术、点云数据、三维建模一、引言三维激光扫描技术是一项高新科学技术,扫描系统平台分为地面和机载两种类型。三维激光扫描测量技术具有快速、实时性强、无接触、全数字特征、精度高、主动性强等优点,这项技术的出现和发展,克服了传统建筑测量的局限性。地面三维激光扫描系统，与传统的点对点的激光测距不同。它的发展为人们在空间信息获取方面提供了全新的技术手段，使人们从人工单点数据获取的传统方式转变为连续自动获取批量数据的方式，大大的提高了量测的速度与精度。地面三维激光技术可以大量、快速地采集空间点位信息,为快速建立物体的三维影像模型提供一种全新的技术手段。二、地面三维激光扫描技术的原理及分类2.1三维激光扫描仪的测量原理三维激光扫描仪是基于面的数据采集方式。三维激光扫描后获得的原始数据是点云数据。三维激光扫描数据通过简单的处理便可以直接使用，并且不需要与被测物体直接接触，可以在很多复杂的环境下应用。除此以外还并且可以和GPS等集合起来实现更多、更强的应用。三维激光扫描的主要特点是适应性、主动性、实时性好。三维建模即对空间信息进行可视化表达。通常有两类方法：基于几何的方法和基于图像的方法。基于几何的方法是利用三维激光扫描仪来获取深度数据并用这些数据来建立三维模型，这种方法含有被测场景比较精确的几何信息。而基于图像的方法便是通过图片或照片来建立模型，它的数据来源是数码相机。地面型三维激光扫描系统的工作原理：地面三维激光扫描系统是由地面三维激光扫描仪和系统软件、电源以及附属设备构成的。三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，这个信号经物体表面漫反射以后，沿着几乎相同的路径反方向传回到接收器，可以计算出目标点与扫描仪之间的距离，控制编码器同步测量的每个激光脉冲横向扫描角度观测值和纵向扫描角度观测值。三维激光扫描测量一般为仪器自定义的坐标系。2.2三维激光扫描仪的分类：三维激光扫描仪按照不同的扫描平台可以分为：地面型激光扫描系统、机载(或星载)激光扫描系统、便携式激光扫描系统。三维激光扫描仪作为当今时效性最强的三维数据获取工具可以划分为不同的类型。通常情况下是按照三维激光扫描仪有效的扫描距离来进行分类，可分为：（1）短距离激光扫描仪：通常情况下最佳的扫描距离为0.6～1.2m，最长扫描距离也不超过3m，这类扫描仪通常适合用于小型的模具的量测，不仅扫描精度高而且扫描速度快，可以多达三十万个点精度至±0.018mm。（2）中距离激光扫描仪：最长的扫描距离小于30m的三维激光扫描仪属于中距离三维激光扫描仪，其大多用于室内空间的测量或大型模具。（3）长距离激光扫描仪:扫描距离大于30m的三维激光扫描仪是长距离三维激光扫描仪。它主要应用于建筑物、矿山、大坝、建筑物、大型土木工程等的测量。（4）航空激光扫描仪：最长的扫描距离通常是大于1公里，并且还需要配备精确的导航定位系统，它可用于大范围地形的扫描测量。三、三维激光扫描系统工作流程三维激光扫描系统采集的数据是点云数据。从三维建模的过程看，点云数据处理可分为三个步骤:数据获取、数据加工处理以及数据建模。3.1数据的获取三维激光扫描仪是通过自动控制技术，对目标实体按照事先设置的分辨率进行连续的数据采集和处理，扫描结束后获得原始的点云数据。数据采集过程种中需注意以下几个问题:①数据的完整性。②扫描分辨率的设置。③标靶布设。3.2数据的加工处理获得原始的点云数据后，需要对点云数据进行预处理。预处理过程主要包括数据拼接和噪声处理。3.3数据的建模在预处理的基础上，通过全排序操作并考虑所有可能的约束条件，将实体表面邻近部分的几何特征和邻接关系加以保留，判断并取舍上述的邻接关系，生成相应的三角网格，最终将空间点云数据转换为一个一致的多边形网格模型。四、三维模型重建4.1点云模型点云模型就是利用三维激光扫描技术对目标物进行全方位的扫描,从而得到由三维点云构成的目标物表面模型。(1)控制测量为了更精确地获得目标物的三维数据,首先要在待测目标物周围布设测量控制网(如图1所示),控制测量工作必须遵循“先整体后局部,先控制后碎部”的原则,而控制网的布设又分为平面控制网和高程控制网两部分。(2)三维激光数据采集用三维激光扫描仪对目标物进行全面扫描,得到目标物不同视点的三维点云模型,为了(3)数据配准要得到目标物全面的立体点云模型,还要把不同视点之间的数据根据测量控制网进行配准,从而形成待研究物体的全方位的立体点云图。4.2三角网模型(1)构建三角网模型三维激光扫描仪所得到的点云模型,是由空间不规则离散点构成的,要得到目标物有拓扑关系的真实表面,要通过特殊的算法来恢复目标物表面的拓扑关系,构建目标物表面三角网模型就是其中一种比较简单而实用的方法。(2)简化三角网模型由于三维激光所采集的数据是数以万计的三维离散点,所以在进行三角网建模时,就难免会产生数据冗余,所以在构建三角网之后还要对目标物的三角网模型进行数据简化。(3)对三角网进行数据补充在三维激光扫描仪采集目标物的表面点云时,由于一些原因采集的数据不是很完整，造成在目标物表面存在一些数据空洞,在构建三角网模型时,这些数据丢失的地方无法构建三角网模型,要根据目标物的表面特征来进行数据补充,最终形成较为完整的目标物三角网模型。4.3实体模型实体模型也是基于目标物点云模型构建的,构建目标物的实体模型具体方法如下所述。(1)构建目标物的各个构件的实体模型大型目标物都比较复杂,在进行建模时,要把目标物的每一个构建进行分离,分离时可分为规则的构件和不规则的构件。(2)组装建筑物构件利用上述方法把目标物的每一个构件建模完成后,可以把这些构件放到同一个文件里。由于各个构件是分开建模的,所以各个构件之间会有大小的缝隙和交叉,这时要对各个构件之间的误差加以修正,最终形成一个完整的目标物实体模型。五、地面三维激光扫描技术建模的优缺点三维激光扫描技术是基于LIDAR激光探测与测距系统。地面三维扫描仪，是置于三角架上的LIDAR系统，它是数字近景摄影测量领域新的技术手段，三维激光扫描技术所涉及的应用是深刻的技术跨越，该技术目前优缺点可归纳如下：（1）地面三维扫描仪的优点：不需要接触被测物体，光线昏暗甚至黑夜均可作业。速度快，节约时间，测量完整精确，可多视角观察可视化三维点云模型。能标注和测量模型的相关数据和创建各种复杂几何形状进行三维建模。（2）地面三维扫描仪的缺点：地面扫描仪是个黑箱系统，难以检校；扫描容易，处理较难；仪器昂贵，主要仪器售价在100万人民币以上，市场定位为高档设备。扫描数据拼接软件不完善，各厂家自成一体，互不兼容；缺乏标准化思考，缺乏实用而价格相对便宜的软件。三维建模有一定的主观性，非专业人士常受到虚拟动画的视觉迷惑，忽视了三维模型的科学性和可测性。六、结束语地面三维激光扫描技术的出现为实体建模提供了一种崭新的点云数据,从而使实体建模有了一种全新的方法。但是三维激光技术也不能完全代替传统的测绘技术,传统的测量和建模方法也是不能被替代的。但是相信在不久的将来,地面三维激光技术一定会在数字城市、古建筑保护、变形监测各方面发挥重要的作用。参考文献[1]路兴昌,张艳红.基于三维激光扫描的空间地物建模[J].吉林大学学报:地球科学版，2008,38（1）.[2]余明,丁辰,过静瑭.激光三维扫描技术用于古建筑测绘的研究[J].测绘通报，2004，29(5).[3]陈永剑,张锦.地面激光扫描系统在矿区构筑物变形监测中的应用研究[J].科技情报开发与经济,2009.[4]陈静,李清泉,李必军.激光扫描测量系统的应用研究[J].测绘工程,2001,10(1).[5]李长春,薛华柱,徐克科.三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与实现[J].河南理工大学学报:自然科学版,2008,27(2).[6]赵海莹,张正鹏.三维激光点云数据在城市建模中的应用[J].城市勘测,2009(1).[7]马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉:武汉大学.2005.[8]戴升山,李田凤.地面激光扫描技术的发展与应用前景[J].现代测绘，2009,32(4).[9]李海泉，杨晓峰，赵彦刚.地面三维激光扫描测量精度的影响因素和控制方法[J].测绘标准化,2011,2[10]杨贵军,柳钦火,武文波.三维激光扫描曲面重构算法研究[J].仪器仪表学报,2005,26(11).[11]朱庆,林晖.数码城市地理信息系统[M].武汉:武汉大学出版社,2004.[12]路杨,汤众,顾景文.历史建筑的空间信息采集三维激光扫描技术应用[J].电脑知识与技术,2007,2.[13]吴静,靳奉祥,王健.基于三维激光扫描数据的建筑物三维建模[J].测绘工程,2007,16(5).[14]S.Soothed.Outlierdetectioninlaserscannerpointclouds[C].InternationalArchivesofPhotogrammar,RenoresendingandSpatialInformationSciences,2006,36(5):297302[15]B.Faust,M.M.Iona,R.Holly.Highqualitytexturereconstructionfrommultiplescans[J].IEEETrans.VisualizationandComputerGraphics,2001,7(4):318332基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基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