基于地面三維激光掃面技術(shù)的三維模型重建

目錄摘要 1ABSTRACT 21、緒論 31.1研究背景 31.2研究目的 41.3研究現(xiàn)狀 41.4三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程 71.5全文的組織結(jié)構(gòu)如下： 92、三維激光掃描儀的工作原理及分類 102.1距離測量 122.1.1三角測距法 122.1.2脈沖測距法 132.1.3相位測距法 132.2測角方法 142.2.1角位移測量法 142.2.2線位移測量法 142.3掃描方法 142.4轉(zhuǎn)換方法 152.5三維激光掃描儀的分類 152.5.1按平臺分類 152.5.2按距離劃分 152.5.3按工作原理劃分 163、點云數(shù)據(jù)的獲取 163.1非接觸法 173.1.1主動法 173.1.2被動法 174、激光掃描系統(tǒng)的定位 184.1獲取整個測區(qū)范圍內(nèi)各個地物的相對位置關(guān)系的定位 184.2激光掃描系統(tǒng)的整體定位 195、點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn) 195.1部分區(qū)域的配準(zhǔn)方法 205.2全局配準(zhǔn) 205.2.1動態(tài)法 215.2.2ICP算法 215.2.3基于灰度的配準(zhǔn)算法 215.2.4基于幾何特征的配準(zhǔn)算法 216、點云數(shù)據(jù)的處理 226.1點云數(shù)據(jù)去噪處理 236.1.1雙邊濾波去噪處理 246.1.2小波閾值去噪 24圖：小波去噪過程 246.2點云數(shù)據(jù)的壓縮 246.2.1曲線擬合的方法 256.2.2區(qū)域重心的壓縮方法 256.2.3共頂點法 267、地物的三維模型和對模型的分析 277.1地物的三維模型 277.1.1點云模型 277.1.2三角網(wǎng)模型 287.2對地面實物模型的分析 287.2.1.對古物的分析 287.2.2.進(jìn)行地物的變形監(jiān)測 297.2.3建立數(shù)字城市 298、紋理映射 308.1紋理貼圖的流程 308.2圖像拼接與映射 30結(jié)論 31致謝 32參考文獻(xiàn) 33基于地面三維激光掃面技術(shù)的三維模型重建PAGE31基于地面三維激光掃面技術(shù)的三維模型重建摘要隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，外業(yè)測量技術(shù)的不斷提高，地面實物的模型建立也越來越受到世界范圍內(nèi)各國科技人員的關(guān)注。由于傳統(tǒng)的測量技術(shù)精度不高，要受到很多方面的影響，所以利用激光測距原理發(fā)展起來的激光掃描儀就變得很有優(yōu)勢。激光相干性比較好，測距快速準(zhǔn)確。所以利用激光掃描儀進(jìn)行的地面實物的測量不但速度快、精度高，而且還具有實時性強等特點。三維激光掃描儀可以按照平臺、掃描有效距、工作原理等進(jìn)行分類。激光掃描儀可以對各種復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行探測，而且探測的領(lǐng)域還比較廣，像城市規(guī)劃時的探測、礦物的探測。三維激光掃描儀可以將探測到的地面實物的數(shù)據(jù)輸入計算機中進(jìn)行處理，然后進(jìn)行地面實物的模型重建工作。模型重建對社會生活中的很多方面都有很大的幫助，像進(jìn)行考古工作的人員就可以利用激光掃描模型重建技術(shù)建立古物的模型，這對考古分析工作非常重要。除此以外，還可以利用三維激光掃描技術(shù)的模型重建進(jìn)行數(shù)字城市的建設(shè)等。本文主要分析了三維激光掃描系統(tǒng)的工作原理與分類，以及利用三維激光掃描儀進(jìn)行地面實物的模型重建的基本流程和在每一個流程中可以實現(xiàn)的方法，最終建立地面實物的立體模型。關(guān)鍵字：激光掃描、點云數(shù)據(jù)、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、緒論1．1研究背景三維激光掃描技術(shù)，又稱“實景復(fù)制技術(shù)”。它通過激光掃描測量的方法，獲取被測對象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的地面物體的三維模型重建在很長時間內(nèi)由于受到儀器設(shè)備等和一些技術(shù)水平的限制，致使傳統(tǒng)的這些三維地面實物的模型重建很大一部分都是建立在圖片信息的。這些建立在圖片基礎(chǔ)上的三維地面實物的模型重建雖然在三維信息的全面性和幾何程度的準(zhǔn)確性上還有一定的差距，但是這種建立在圖片基礎(chǔ)上的三維地面實物的模型建立技術(shù)非常有效的繞開了關(guān)于現(xiàn)實場景的幾何方面的復(fù)雜性質(zhì)。傳統(tǒng)測量所測的的數(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。時代在不斷的發(fā)展，隨著掃描技術(shù)的不斷進(jìn)步和先進(jìn)的、效率高的掃描儀成本的不斷下降，利用激光掃描技術(shù)進(jìn)行地面實物模型的重建工作也變得越來越簡單化，越來越普及化。利用掃描儀得到的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維地面實物的模型重建工作絕大部分是先對掃描儀掃描的數(shù)據(jù)提前處理一下，然后再對掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)工作，將獲得的掃描數(shù)據(jù)統(tǒng)一在同一個坐標(biāo)系統(tǒng)條件之下，之后還要進(jìn)行網(wǎng)格化等操作來建立地面實物的三維模型。與建立在圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維地面實物的模型重建相比較，這種建立在激光掃描獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行的三維地面實物的模型重建不但能夠建立具有很強的三維立體模型，而且用這種激光掃描數(shù)據(jù)建立的三維地面實物模型具有更好的真實感，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物模型具有更高更準(zhǔn)確的的幾何信息。在現(xiàn)在的社會中，利用激光掃描技術(shù)獲得的激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行的三維地面實物的模型重建技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)、數(shù)字城市建設(shè)、工程建設(shè)等許多方面都有著很深很廣的意義與應(yīng)用。現(xiàn)在，在小型地面實物的三維模型重建這項研究方面發(fā)展的己經(jīng)非常迅速非常成熟。針對大型的較大型的地面實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)一步加強鉆研進(jìn)而使這一方面的發(fā)展能夠取得更大的前景。立體真實感比較強、幾何準(zhǔn)確度比較高的三維地面實物的模型重建具有非常廣的市場，例如在城市建設(shè)、地質(zhì)探測、環(huán)境保護(hù)、區(qū)域規(guī)劃等很多方面都涉及到了建立這類立體模型。因為三維地面實物的模型重建這項技術(shù)發(fā)展的越來越迅速，應(yīng)用的范圍也越來越廣，所以研究運用怎樣的方法來研究出高效的立體感較強的三維地面實物的模型重建技術(shù)也變得越來越吸引人們的注意。世界上雖然就建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維地面實物的模型重建的技術(shù)進(jìn)行了很多方面的研究，但是存在很多方面的不足，比如普遍試用性差、推廣率很低。這些缺陷雖然造使得了三維地面實物的模型建立這項技術(shù)發(fā)展緩慢，但是隨著社會的發(fā)展，高科技人才的不斷上升，這些缺陷也會在人們的研究中不斷的減少。相信隨著科技的進(jìn)步，三維地面實物模型的建立這項技術(shù)也會變得越來越成熟，應(yīng)用也會越來越廣泛。1．2研究目的三維激光掃描技術(shù)是一項高新科學(xué)技術(shù)。世界內(nèi)很多國家都在這一方向不斷的進(jìn)行研究。本文主要對三維激光掃描的技術(shù)的研究現(xiàn)狀和工作流程進(jìn)行了論述，并且還講述了這些流程中的一些方法。精確的三維立體模型在公共服務(wù)、救援、軍事偵察等領(lǐng)域有著重要作用，激光掃描傳感器在三維立體模型重建中應(yīng)用廣泛。雖然三維激光儀器獲取的掃描數(shù)據(jù)的獲取方式、獲取時的環(huán)境因素和觀測人員的不同等方面存在一定的誤差，但是這種數(shù)據(jù)的獲取速度比較快，效率比較高，所以在今后的時代，關(guān)于三維激光掃描技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建技術(shù)會越來越受到人們的重視，發(fā)展出一個屬于自己的全新的領(lǐng)域。因此有必要就三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用前景作出相應(yīng)研究，以便對其有較為深入的認(rèn)識，從而以便其更好、更廣、更方便的應(yīng)用于各個領(lǐng)域工作。1．3研究現(xiàn)狀隨著科技社會的不斷發(fā)展，關(guān)于三維地面實物的模型重建這個領(lǐng)域也越來越引起了世界各國的關(guān)注，越來越多的專家學(xué)者在這方面進(jìn)行了大量的實驗，使得關(guān)于三維地面實物的模型重建這項技術(shù)發(fā)展的更加先進(jìn)，可以運用到社會生活的許多領(lǐng)域。最早出現(xiàn)的關(guān)于三維地面實物的模型重建技術(shù)是建立在圖像基礎(chǔ)上的。這種建立在圖像基礎(chǔ)上的三維地面實物的模型重建技術(shù)的方法有兩種。①很常見的建立在圖像基礎(chǔ)上的三維地面實物的模型重建技術(shù)一種方法是按照多個視圖建立立體幾何的這個思路，通過分析這些圖像，得出自己想要的內(nèi)容，并根據(jù)這些內(nèi)容信息建立三維地面實物的模型。②另外建立在圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維地面實物模型重建的方法就是預(yù)先把你要建立的關(guān)于三維地面實物的圖片輸入到計算機中，然后通過專業(yè)方面的軟件生成一個全新的視點圖像，這之后再進(jìn)行三維地面實物的模型重建，這樣就建立了模仿地面實物的模型。第一種方法對規(guī)模較小的三維地面實物的模型重建比較合適，對于地形地貌比較發(fā)雜，范圍較廣，規(guī)模較大的地面實物來說，因為有電腦處理的時間的制約這種方法就不太適用。除此以外，因為這種按照多個視圖建立立體幾何的這個思路，通過分析這些圖像，得出自己想要的內(nèi)容，并根據(jù)這些內(nèi)容信息建立三維地面實物的模型的方法會對大量的圖像信息進(jìn)行處理，所以耗時比較長。M．Pollefeys等人提出了通過照相機得到的圖像來對地面實物進(jìn)行模型重建這樣一種方法和D．Nister提出的關(guān)于利用沒有注記的視頻序列來自動恢復(fù)場景信息的方法就是第一種方法的代表。第二種方法雖然很好的繞開了關(guān)于現(xiàn)實地物本身具有的幾何方面的繁復(fù)的信息，但是距離高程度的恢復(fù)三維地面實物的信息還是有一定的差距。對于虛擬這方面來說這種方法還比較好，但是對于要精確的建立三維地面實物的模型來說，還是有一定的距離的。用這種方法建立的三維地面實物的模型在真實性等方面還有所欠缺。1990年出現(xiàn)的IBMR(Image．BasedModelingandRendering)技術(shù)就屬于預(yù)先把你要建立的關(guān)于三維地面實物的圖片輸入到計算機中，然后通過專業(yè)方面的軟件生成一個全新的視點圖像，這之后再進(jìn)行三維地面實物的模型重建。早期出現(xiàn)的三維地面實物的模型重建技術(shù)由于在建立模型所需要的時間方面、幾何保真度方面、現(xiàn)實存在感方面等許多方面存在缺陷所以并不是發(fā)展的很好。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，模型重建技術(shù)也在不斷的提高。現(xiàn)在建立在激光掃描儀獲得的掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維地面實物的模型重建技術(shù)日漸成熟。利用激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)建立的三維地面實物的模型不僅在信息方面具有很高的準(zhǔn)確度，而且可以得到地面實物的許多詳細(xì)的信息。用這種方法還具有很高的工作效率，得到的模型還比較精確。利用激光掃描數(shù)據(jù)建立的三維地面實物的模型不僅可以滿足精度較高的測量方面的需要，而且還具有很高的保真度。利用這種方法建立模型還可以把建立過程中的數(shù)據(jù)存儲起來。我們國家對建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的三維地面實物的模型重建方面的這項技術(shù)發(fā)展的還算不錯。與世界上的某些國家相比，我們國家在這個方面的研究雖然開始的并不算早，但是并不代表我們在這個方向領(lǐng)域的研究就很落后，在這個方向的研究還是取得了一定的建樹的。國內(nèi)起步于20世紀(jì)90年代中期，但經(jīng)過十多年來的研究，許多的科研單位已經(jīng)掌握了三維激光掃描儀的基本原理。國家"863"計劃先后支持了這一技術(shù)的研究。經(jīng)過逐步的產(chǎn)業(yè)化，國內(nèi)現(xiàn)在已有不少單位從事開發(fā)和生產(chǎn)三維激光掃描儀的方向。從21世紀(jì)開始，北京大學(xué)開始了一項關(guān)于三維模型建立的研究。研究組成員通過利用高分辨率的數(shù)碼相機和激光掃描儀，并結(jié)合全方位的攝影系統(tǒng)，來對需要進(jìn)行三維建模的地面實體進(jìn)行數(shù)據(jù)信息等的采集，采集之后進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和處理，最后進(jìn)行三維地面實物的模型建立。三維模型的紋理映射與顯示；三維模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)保存與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。2005年，北京師范大學(xué)的研究人員研究出了建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的戶外地面實體表面的三維模型重建技術(shù)，這項技術(shù)可以進(jìn)行實物表面的模型重建。至今為止，全世界范圍內(nèi)的針對建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立的三維地面實物的模型重建都存在受環(huán)境因素、光照因素、地面實物本身的因素、通視與否因素等諸多因素的影響，所以建立的這些三維地面實體模型都比較簡單。為了進(jìn)一步的研究建立更深一層的地面實物模型，世界各國有大量的科研工作人員潛心在這上面。與我國相比，國外在這個領(lǐng)域的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我們國家要前沿的多。M。Ievoy與他的科研團隊成員通過結(jié)合獲得高分辨率的圖像技術(shù)和激光掃描儀這兩項技術(shù)，完成了Michelangelo的一個作品雕塑的重建工作，并在此基礎(chǔ)之上說明了關(guān)于這方面的技術(shù)。Y．Yu等人進(jìn)行場內(nèi)實物模型的建立的過程時，提取出研究范圍內(nèi)的部分實體，研究處出來了三維實物的模型重建的移動和編輯這兩個功能。Zhao等研究人員發(fā)明了一個動態(tài)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是通過把1臺照相機和2臺2D激光掃描儀綁定在一輛可以移動的汽車上，隨著汽車的不斷移動，照相機把地物表面的信息都拍下來，激光掃描儀把地物的三維信息存儲下來，然后再建立這個研究區(qū)域的三維立體模型。NRC(NationalResearchCouncil)的E1．Hakim等科研人員通過將CCD線陣照相機和激光掃描儀綁定在一個可以移動的小車上，建立了DCR。Frfih等研究人員通過結(jié)合航空攝影時獲取的影像數(shù)據(jù)、激光掃描數(shù)據(jù)這兩種數(shù)據(jù)建立了地面樓房的屋頂?shù)牧Ⅲw模型。Allen和I。Stamosp。發(fā)明了能夠在相同的時間條件下獲取地面實物的彩色和深度圖片，并根據(jù)獲得的圖片建立相應(yīng)的地面實物的模型這樣一個系統(tǒng)。通過測量儀器獲得的離散點坐標(biāo)來建立地面實物的三維模型是難以實現(xiàn)的，但是三維激光掃描技術(shù)可以使地面實物實現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)化，支撐起其他后續(xù)的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)不但可以把各種各樣的地面實體的幾何和深度數(shù)據(jù)輸入到計算機中，然后高效率的建立出地面實物的三維模型。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。三維激光掃描系統(tǒng)在我國還處在應(yīng)用的起步階段，在數(shù)字城市、古物保護(hù)、道路交通、測量應(yīng)用等方面還是有一定的研究成果。1．4三維激光掃描系統(tǒng)的工作流程激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一項新的技術(shù)。已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用與軍事、醫(yī)學(xué)、建筑等方面的領(lǐng)域。激光具有很強的相干性。建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的三維地面實物的模型重建是由數(shù)據(jù)獲取、系統(tǒng)定位、數(shù)據(jù)處理、模型重建和紋理映射等步驟組成的。數(shù)據(jù)獲取可以通過不同的方法獲得，如外業(yè)測量獲得，GPS測量獲得等。系統(tǒng)定位可以分為局部定位和全局定位。數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)壓縮等。模型重建可以根據(jù)實際情況建立比較適合的模型，如點云模型。三角網(wǎng)模型等。雖然建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的三維地面實物的模型重建的系統(tǒng)各不相同，但是這些系統(tǒng)通常由以下來這些過程組成。(1)點云數(shù)據(jù)的獲?。狐c云數(shù)據(jù)的獲取就是指獲取與需要建立模型的地面實物相關(guān)的信息。通常就是通過操作激光掃描儀來獲取數(shù)據(jù)的。在進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的獲取時，對需要進(jìn)行掃描的區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃一下。除此以外，激光掃描儀的選取、數(shù)據(jù)的格式這些因素都需要我們進(jìn)行考慮。只有這樣，才能獲得精度比較高的點云數(shù)據(jù)。在進(jìn)行各種三維地面實物的模型建立過程中這些因素均要被考慮進(jìn)去。點云數(shù)據(jù)的獲取可以借助許多其他的設(shè)備，例如運用激光掃描儀獲取、GPS接收機獲取、照相機攝影及獲取等。(2)系統(tǒng)定位：激光掃描系統(tǒng)的定位是非常重要的，在取得點云數(shù)據(jù)之后首先就要進(jìn)行激光掃描系統(tǒng)的定位。通過激光掃描系統(tǒng)的定位可以確定在在整個需要研究的區(qū)域范圍內(nèi)各個地面實物之間的相對位置并且還可以獲取研究區(qū)域相應(yīng)的信息。三維激光掃描系統(tǒng)的定位可以分為兩個方面，第一方面為三維激光掃描系統(tǒng)的整體的定位，第二方面為三維激光掃描系統(tǒng)的局部的定位。激光掃描系統(tǒng)的整體定位用于獲取三維激光掃描系統(tǒng)在整個區(qū)域范圍統(tǒng)一的參考情況下的位置情況。激光掃描系統(tǒng)的相對定位是用來獲取研究區(qū)域范圍內(nèi)整個過程中各種地面實物之間的相對位置。因此，通過激光掃描系統(tǒng)的定位可以得出各個地物在整個研究區(qū)域內(nèi)的位置信息，并且還可以獲得整個變化過程中各個變化時刻的位置信息。(3)點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)：要想建立整個研究范圍的相應(yīng)的三維地面實物模型，應(yīng)該選擇許多不同的位置來對研究區(qū)域進(jìn)行掃描觀測。掃描觀測之后把從各個位置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行出路，生成新的位置，這便把點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在了相同的坐標(biāo)系中。因為通常情況下進(jìn)行研究的區(qū)域都很廣，而且在研究過程中還要受到環(huán)境因素、人為因素、儀器本身的因素等方面的影響，因此每次研究獲得的都是本次位置情況下的數(shù)據(jù)，這種情況下的數(shù)據(jù)是在當(dāng)前儀器坐標(biāo)系統(tǒng)中產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)其實就是建立兩個坐標(biāo)系之間的變換。變換可以通過三維的平移向量和建立和一個3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣來進(jìn)行。點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)就是解算出(R，a)。至少需要3個同名相點才能結(jié)算處R和a。(4)點云數(shù)據(jù)處理：在進(jìn)行測量的過程中，由于測量的客觀環(huán)境和被測量的物體本身存在的復(fù)雜性等因素，會造成測量的關(guān)于被測的實物方面的數(shù)據(jù)存在不完整性，這給三維地面實物的建模帶來困難，這時候就要對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。測量時如果得不到測區(qū)范圍內(nèi)全部的地面實物的數(shù)據(jù)信息，應(yīng)該從多個方位對同一個地面實體進(jìn)行多次的量測，得到地面實體的數(shù)據(jù)，然后對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，建立地面實物整個表面的點云數(shù)據(jù)。因為在測量過程中，操作人員的變動和外界環(huán)境的不斷變化都會使測量的結(jié)果不太準(zhǔn)確，這時候有可能造成測量的地面實物的坐標(biāo)出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象，通常情況下這些異常的點都會被排除。除此以外，如果用激光掃描儀獲得的地面實物的數(shù)據(jù)非常密，這時候也要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就是我們說的均勻化。為了提高對地面實物的測量精度，這時候掃描的數(shù)據(jù)量會非常的高。這些數(shù)據(jù)量可甚至可以達(dá)到幾百兆的字節(jié)，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時就要壓縮點云數(shù)據(jù)了。(5)三維建模：進(jìn)行三維地面實物的模型建立的過程中，如果已經(jīng)獲得了地面實物在研究區(qū)域內(nèi)的相互位置關(guān)系，那么之后就可以進(jìn)行地面實物的模型重建了。運用激光掃描儀掃描得到地面實物的深度數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù)是一個建立在不同的方位上的動態(tài)的過程，也就是說每用激光掃描儀進(jìn)行一次掃描后，獲得的地面實物的數(shù)據(jù)均是在這次掃描時的方位位置作為原點，然后以這個原點建立相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)。所以，要把用激光掃描以獲取的地面實物的數(shù)據(jù)統(tǒng)一在相同的坐標(biāo)系中，這時候就要將在不同的掃描方位獲得的地面實物的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理后，將會得到不連續(xù)的地面實物的點云數(shù)據(jù)。這種不連續(xù)的數(shù)據(jù)對于地面實物的模型重建缺乏一定的準(zhǔn)確性。這時候就需要利用得到的這些點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)模型的建立，這樣才能更加真實準(zhǔn)確的表示出地面的實物。(6)紋理映射：紋理映射（TextureMapping）是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程。紋理映射包括紋理貼圖和圖像的拼接兩個方面。為了是建立的地面實物的模型具有很高的真實性，在建立了三角網(wǎng)這樣的模型之后，還要對建立的模型進(jìn)行紋理的貼圖和圖像的拼接，即紋理映射。1．5全文的組織結(jié)構(gòu)如下：第l章緒論部分，本章講述了關(guān)于建立在激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行的模型重建的研究背景、研究目的、研究現(xiàn)狀、模型建立的基本流程等內(nèi)容。第2章是講述了三維激光掃描儀的工作原理和系統(tǒng)的工作流程等。第3章是數(shù)據(jù)的獲取部分，這一章主要講述了點云數(shù)據(jù)的獲取方法。第4章系統(tǒng)的定位部分。本章講述了系統(tǒng)的定位的分類方法。系統(tǒng)的定位方法分為整體定位和根據(jù)相對位置來進(jìn)行定位這樣的兩種方法，除了介紹分類方法之外，還講述了這兩種分類方法各自所具有的特點。第5章點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)部分，要想建立整個研究范圍的相應(yīng)的三維地面實物模型，應(yīng)該選擇許多不同的位置來對研究區(qū)域進(jìn)行掃描觀測。掃描觀測之后把從各個位置獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行出路，生成新的位置，這便把點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一在了相同的坐標(biāo)系中。這就是通常所說的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。本章主要討論了點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)的一些基本方法。第6章點云數(shù)據(jù)處理。在進(jìn)行地面實物的模型建立的過程中必須進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。在獲得激光掃描數(shù)據(jù)后第一步進(jìn)行了掃描系統(tǒng)的定位之后，第二步就要對獲得的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就是為進(jìn)行地面實物的模型重建除去一些不必要的數(shù)據(jù)。這一章將主要介紹點云數(shù)據(jù)的去噪處理方法和點云數(shù)據(jù)的壓縮處理方法。第7章地面實物的模型建立。這一章介紹了幾種不同的模型和建立這些模型的過程，另外，還對這些模型進(jìn)行了分析，看這些模型適合哪些領(lǐng)域應(yīng)用。第8章紋理映射部分。紋理映射是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程。在三維圖形中，紋理映射的方法運用得最廣，尤其描述具有真實感的物體。在這一章主要介紹了紋理映射的一些方法和特點。在文章的結(jié)尾部分自己做個總結(jié)，并對我的老師們致以感謝。2、三維激光掃描儀的工作原理及分類三維激光掃描技術(shù)就是利用三維激光掃描儀對地面的實物進(jìn)行測量，獲得地面實物的特征數(shù)據(jù)，然后對獲得的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立地面實物相應(yīng)的模型。三維激光掃描技術(shù)比傳統(tǒng)的測量的技術(shù)要簡便，除此以外，還具有很高的精度等。系統(tǒng)的組成一般如圖2-1所示：圖2-1：一種激光掃描系統(tǒng)組成圖2-2：激光掃描系統(tǒng)圖圖2-3：一種激光掃描儀的系統(tǒng)組成與坐標(biāo)系對地面實物進(jìn)行測量時，利用激光掃描儀可以獲得地面實物的特征和深度信息。激光掃描儀工作分為距離測量、角度測量、對地面實物的掃描、方向的定位四個方面。圖2-4：激光掃描圖2．1距離測量三維激光掃描儀能夠?qū)Φ孛鎸嵨镞M(jìn)行距離的量測。測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。2．1．1三角測距法三角測距就是利用幾何上的三角形的一些幾何特征，利用公式2-1解算出激光掃描儀的掃描中心與其他點的距離。（公式2-1）L：基線長；γ：發(fā)射光線與基線的夾角；λ：入射光線與基線的夾角；α激光掃描儀的軸向自旋轉(zhuǎn)角度。三角法測量距離較短，適合于近距測量。測量范圍幾厘米到幾米，精度可達(dá)微米級。2．1．2脈沖測距法脈沖法測距就是計算出激光掃描儀發(fā)射脈沖時的時間和接受到脈沖時的時間，然后計算出這兩個時間的差值，再根據(jù)下面的公式2-2計算距離。（公式2-2）C：光速；△t：測得激光信號往返傳播的時間差。2．1．3相位測距法相位法測距就是記錄下光信號在發(fā)射時的相位和返回來的相位，然后對這兩個相位進(jìn)行差值的計算，再根據(jù)相位差公式2-3解算出傳播的距離。運用相位差來進(jìn)行測距能夠獲得精度比較高的距離量測。（公式2-3）C：光速；?：激光信號往返傳播產(chǎn)生的相位差；f：脈沖的頻率。2．2測角方法2．2．1角位移測量法三維激光掃描儀是通過步進(jìn)電機進(jìn)行驅(qū)動，然后通過步距角等來解算出角度的位移。步距角解算公式為（公式2-4）Nr：電機的轉(zhuǎn)子齒數(shù)；m：電機的相數(shù)；b是各種連接繞組的線路狀態(tài)數(shù)及運行拍數(shù)。2．2．2線位移測量法線位移測量的方法適合由發(fā)射器、CCD和棱鏡組成的這種系統(tǒng)。掃描儀進(jìn)行不斷的轉(zhuǎn)動時，由發(fā)射器射出的激光束會自動形成一個線性的區(qū)域，然后CCD元件會記錄下來線的位移量，最后再根據(jù)線的位移量與距離S之比得出激光掃描儀掃描的角度。2．3掃描方法掃描方法就是根據(jù)儀器內(nèi)部的驅(qū)動馬達(dá)來對掃描棱鏡進(jìn)行控制，設(shè)置激光束的發(fā)射的方向，使激光束能夠分別進(jìn)行橫軸方向的掃描和縱軸方向的掃描。激光掃描儀的掃描裝置是由擺動掃描鏡和旋轉(zhuǎn)正多面體掃描鏡組成。2．4轉(zhuǎn)換方法轉(zhuǎn)換方法就是將對地面實物進(jìn)行掃描后得到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到大地坐標(biāo)系中。運用這種方法時，需要設(shè)定定向的特殊標(biāo)志，然后解算出設(shè)定的定向的特殊標(biāo)志的中心的坐標(biāo)，再根據(jù)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式計算轉(zhuǎn)換參數(shù)。2．5三維激光掃描儀的分類隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)也越來越走向成熟。它可以為社會上的的多個領(lǐng)域服務(wù)。因此，激光掃描儀的設(shè)計也越來越先進(jìn)。三維激光掃描儀可以有多種分類方式。常用的分類方式有三種，按平臺劃分，按距離劃分、按原理劃分。2．5．1按平臺分類三維激光掃描儀的搭載平臺可以有多種類型。搭載在飛機或衛(wèi)星上的三維激光掃描儀系統(tǒng)屬于機載型。搭載在活動的小車上的屬于地面型。2．5．2按距離劃分隨著激光掃描技術(shù)的發(fā)展，三維激光掃描儀的也在不斷地更新，掃描距離也在不斷的增加?，F(xiàn)如今把掃描距離小于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距一類。把搭載在飛機上的掃描距離大于1公里以上的三維激光掃描儀歸為航空一類。這四類掃描儀各有屬于自己的特點。短距一類可以對小型的地面實物進(jìn)行測量，效率較高。中距一類適合較大型的地面實物。長距一類適合大型的地面實物的測量。航空一類測量的范圍更廣。2．5．3按工作原理劃分三維激光掃描儀除了按照上述的搭載平臺和掃描距離這兩種方法分類之外，還可以按照儀器的原理來進(jìn)行分類。把按照脈沖測距這一原理進(jìn)行量測的掃描儀歸結(jié)為徑向一類。把按照光學(xué)干涉原理進(jìn)行量測的掃描儀歸結(jié)為干涉一類。把通過兩條光線建立地面實物的立體模型的量測方法歸結(jié)為三角法一類。3、點云數(shù)據(jù)的獲取點云數(shù)據(jù)就是通過激光掃描儀通過掃描地面實物所獲取的關(guān)于該地面實物的數(shù)據(jù)組織。掃描得到的點云數(shù)據(jù)包含地面實物表面的幾何信息和深度信息。此外，還可以通過三維激光掃描儀獲取的地面實物的回波強度信息。這些信息的獲取不僅與測量外部環(huán)境有關(guān)，還與被測實物本身的特性（實物表面的粗糙度、實物的大?。┯嘘P(guān)，還與儀器本身有關(guān)，除此以外，在測量過程中，測量人員的更換也會對獲取的結(jié)果造成影響。隨著激光掃描技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，關(guān)于地面實物的點云數(shù)據(jù)的獲取的方式也越來越多，但整體來說可以概括為接觸和非接觸兩大類。接觸法就是在地面實物表面直接測量，如用鋼尺測量直接得出這個地面實物的尺寸等幾何信息。三角坐標(biāo)測量機、光學(xué)聚焦法均屬于這類方法、非接觸法就是借助一些儀器，在不直接接觸的情況下獲得地面實物的數(shù)據(jù)。隨著測量技術(shù)的不斷提高，非接觸法被應(yīng)用的越來越廣泛，尤其是利用計算機視覺原理的方法。這種方法使得獲得地面實物的信息變得更加容易。3．1非接觸法在不直接接觸的情況下獲得被測地面實物的信息的方法被稱為非接觸法。隨著非接觸法應(yīng)用的越來越廣泛，非接觸法也被劃分為飛行時間法、光學(xué)法和計算機視覺法等幾大類。每一類都具有各自的原理和特征。飛行時間法就是利用激光掃描儀向需要探測的地面實物發(fā)射脈沖信號，當(dāng)脈沖信號傳播到該地面實物時，脈沖信號折回來繼續(xù)發(fā)射到掃描儀。然后計算脈沖信號在往返傳播過程中所需要的時間，再根據(jù)這個時間來計算出脈沖信號往返傳播的距離，這個距離的一半就是物體到激光掃描儀的距離。光學(xué)法就是根據(jù)物理上的光學(xué)原理來對地面實物進(jìn)行量測，進(jìn)而獲得地面實物的信息。計算機視覺法就是用計算機來模擬人的視覺機理獲取和處理信息的方法。時間飛行法被廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)定位與毫米波微波雷達(dá)定位，還可以被用于精密工程測量和無導(dǎo)軌測量等。光學(xué)法就是利用光學(xué)物理原理進(jìn)行的量測，主要有相干法、條紋法等。隨著計算機發(fā)展的速度越來越快，計算機視覺法的應(yīng)用也變得越來越廣泛。下面主要介紹一下計算機視覺法。計算機視覺法又可以分為主動法和被動法。3．1．1主動法計算機視覺的主動法分為結(jié)構(gòu)光法和編碼光法。結(jié)構(gòu)光法由光學(xué)投射器和攝影機組成。利用結(jié)構(gòu)光法測量的步驟是：運用光學(xué)投射器投射結(jié)構(gòu)光到地面實物的表面形成一個條紋圖像，再由攝影機獲得這個條紋圖像。在根據(jù)圖像獲得地面實物的三維信息。編碼光法是在結(jié)構(gòu)光法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，原理和結(jié)構(gòu)光法一樣，但比結(jié)構(gòu)光法更容易進(jìn)行匹配。3．1．2被動法計算機被動視覺法又分為立體視差法和單目視覺法。立體視差法就是利用攝影機在不同的位置獲取同一地面實物的信息，獲取兩張或兩張以上關(guān)于這個地物的相片，然后找出這兩張相片上的幾個同名相點，利用這幾個同名相點來建立該地面實物的立體模型。用立體視差法進(jìn)行觀測時最重要的就是要對這些相片對進(jìn)行匹配，特征匹配算法有SIFT算法、相比梯度算法、哈希算法等。在這幾種特征算法中，SIFT算法在尺度、旋轉(zhuǎn)等方面比較穩(wěn)定，另外還能夠抵抗光照的影響。SIFT算法的特征匹配分兩步完成。第一步先完成特征向量的提取；第二步對提取的特征向量進(jìn)行匹配。單目視覺法就是用攝影機在一個視點上對地面實物進(jìn)行攝影，獲取在這個視點上的相片，然后再利用相片進(jìn)行三維地面實物的模型的重建。4、激光掃描系統(tǒng)的定位系統(tǒng)定位在三維地面實物的模型重建過程中非常重要。在利用激光掃描儀獲取了地面實物的幾何和深度數(shù)據(jù)之后，就要首先進(jìn)行系統(tǒng)的定位。系統(tǒng)定位的實質(zhì)就是獲取地面實物的方位。以飛機衛(wèi)星小車等作為平臺來進(jìn)行的系統(tǒng)定位均屬于移動定位。因為在以這些作為平臺進(jìn)行的定位總是在不斷地移動變化當(dāng)中進(jìn)行的。根據(jù)建立的地面實物模型所在的坐標(biāo)系，可以將系統(tǒng)的定位分為兩類。一類是在定位的過程中獲取整個測區(qū)范圍內(nèi)各個地物的相對位置關(guān)系，另一類是在定位的過程中獲取在整個區(qū)域統(tǒng)一的坐標(biāo)系下的位置。4．1獲取整個測區(qū)范圍內(nèi)各個地物的相對位置關(guān)系的定位獲取整個測區(qū)范圍內(nèi)各個地物的相對位置關(guān)系的定位系統(tǒng)是建立在一個局部的坐標(biāo)系中的。用這種系統(tǒng)定位獲得的地面實物的數(shù)據(jù)信息都是以該坐標(biāo)系統(tǒng)中的參考點為基準(zhǔn)的。這種定位系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)具有傳遞性，比如我們利用儀器獲取了一個目標(biāo)點的信息，那么我們用儀器進(jìn)行下一點量測時是根據(jù)這點的信息繼續(xù)的。由于在用激光掃描儀進(jìn)行掃描量測的過程中要受到外界環(huán)境因素的影響、地物本身復(fù)雜性因素的影響、儀器自身因素的影響還有操作人員的更換等因素的影響，使得掃描獲得掃描數(shù)據(jù)不可避免的存在誤差。當(dāng)用激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)量很大時，那么積累的誤差也會相當(dāng)大。這就使建立的三維地面實物的模型的準(zhǔn)確和真實性大大降低。激光掃描系統(tǒng)的獲取整個測區(qū)范圍內(nèi)各個地物的相對位置關(guān)系的定位系統(tǒng)有許多種。傳統(tǒng)的這方面的方法有建立在里程儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行的定位。這種定位系統(tǒng)就是在移動裝置如小車上放置一個里程儀，隨著這個小車的不斷移動，放置在這個小車上的里程儀能夠把這個系統(tǒng)變化的角度和位置都記錄下來。通過這種定位系統(tǒng)獲取的地面實物的數(shù)據(jù)信息還是不太準(zhǔn)確，因為要受到移動裝置的影響，但是運用這種方法操作簡便。傳統(tǒng)的方法對于建立精確度較高的三維地面實物模型還是比較困難的。為了使建立的地面實物的模型更加精確真實，現(xiàn)在越來越多的工作人員都是將計算機視覺理論應(yīng)用到地面實物建模的過程中。這種方法是在移動裝置如小車上安放一架照相機或攝影機，隨著移動裝置小車的不斷移動，照相機或攝影機在移動過程中獲取地面實物的多張相片。然后通過計算機對這些同名相片進(jìn)行分析處理，建立地面實物的三維立體模型。這種方法操作起來比較復(fù)雜，對于研究區(qū)域面積較大的還不適合。與建立在計算機視覺理論基礎(chǔ)上進(jìn)行的定位方法相比較的話，利用激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行定位這種方法就顯得比較簡便快捷，而且精度也比較高。利用激光掃描技術(shù)進(jìn)行定位比建立在計算機視覺理論基礎(chǔ)上的定位要省很大的計算量。4．2激光掃描系統(tǒng)的整體定位激光掃描系統(tǒng)的整體定位是建立一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系，將激光傳感器安置在移動裝置上，隨著移動裝置的不斷移動，傳感器記錄下來地面實物的信息。整體定位可以利用安置在移動裝置上的傳感器直接得到地面實物的信息，也可以利用獲取整個測區(qū)范圍內(nèi)各個地物的相對位置關(guān)系的定位這種方法獲取數(shù)據(jù)后，利用這些數(shù)據(jù)再進(jìn)行整體的定位。整體定位方法可以利用激光掃描系統(tǒng)定位方法，也可以利用GPS進(jìn)行研究區(qū)域的整體定位。5、點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)利用激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)定位后，就要進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)實質(zhì)是將激光掃描儀獲取的地面實物的坐標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個相同的坐標(biāo)系中。只有經(jīng)過數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，才能夠建立準(zhǔn)確的地面實物的模型。點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)方法通常有三種：人工手動配準(zhǔn)、借助儀器進(jìn)行的配準(zhǔn)和自動配準(zhǔn)。目前使用比較廣泛的配準(zhǔn)方法是自動配準(zhǔn)方法。在用激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)時，我們很多情況下會利用多個坐標(biāo)系，這時候得到的數(shù)據(jù)也是分布在不同的坐標(biāo)系中，為了建立地面實物的模型，我們就要將這些不同的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到一個統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，然后再統(tǒng)一的坐標(biāo)系中再進(jìn)行地面實物的建模。這就是自動配準(zhǔn)的實質(zhì)。雖然點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)可以有多種方法，但是配準(zhǔn)的實現(xiàn)步驟都大體相同，可以分為部分的和全局的。5．1部分區(qū)域的配準(zhǔn)方法在進(jìn)行部分區(qū)域的配準(zhǔn)時首先要經(jīng)過區(qū)域的選擇然后再進(jìn)行迭代局部的最近點，最后進(jìn)行特征匹配。部分區(qū)域的選擇的方法有兩種，一種是通過人與計算機結(jié)合（人機交互）工作的方法，一種是自動的方法。①人機交互技術(shù)是指通過計算機輸入、輸出設(shè)備，以有效的方式實現(xiàn)人與計算機對話的技術(shù)。工作人員可以將外業(yè)測量獲取的地面實物的數(shù)據(jù)通過計算機輸入設(shè)備輸入到計算機中，然后通過一些技術(shù)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后通過計算機輸出設(shè)備將一些信息輸出，現(xiàn)實給工作人員。除此之外，工作人員可以利用計算機輸入設(shè)備將自己的一些要求，一些問題輸入到計算機中，是計算機按照自己的要求進(jìn)行信息處理。這種方法計算量通常非常高。②自動方法其實是建立在人機交互的方法的基礎(chǔ)之上的。人機交互不但計算量比較大，而且配準(zhǔn)精度不高。要想進(jìn)行高精度的配準(zhǔn)工作，這時候就要選用自動方法。部分區(qū)域選擇好之后，就要進(jìn)行局部迭代了。這時候為了達(dá)到更好的配準(zhǔn)結(jié)果，就要選擇最好的區(qū)域來進(jìn)行，而且要避開選擇會影響到配準(zhǔn)精度的區(qū)域有重疊的部分。局部迭代后最后進(jìn)行特征匹配，特征匹配算法有基于曲面特征的配準(zhǔn)算法和迭代算法。迭代算法過程比較繁瑣，但是精度比較高。建立在曲面特征基礎(chǔ)上的算法是利用曲面擬合來進(jìn)行配準(zhǔn)的，這種方法比較簡單，但是精度不如迭代算法高。通常情況下，將這兩種方法結(jié)合得到的結(jié)果比較精確。5．2全局配準(zhǔn)全局配準(zhǔn)就是將獲取的點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個相同的坐標(biāo)系中，利用激光掃描儀獲取的整個區(qū)域內(nèi)的多個特征數(shù)據(jù)進(jìn)行的。這種方法比部分區(qū)域的配準(zhǔn)方法精度高。因為整個區(qū)域的配準(zhǔn)方法是利用了整個區(qū)域內(nèi)的有代表性的特征數(shù)據(jù)，而不像部分配準(zhǔn)方法只是用部分特征數(shù)據(jù)進(jìn)行的。但是與部分配準(zhǔn)方法相比，這種整體的配準(zhǔn)方法由于處理的數(shù)據(jù)量比較大，所以進(jìn)行的時間也比部分配準(zhǔn)的方法長。整體的點云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)算法有動態(tài)、迭代最近點、、基于灰度的配準(zhǔn)算法、基于幾何特征等算法。5．2．1動態(tài)法在進(jìn)行變形監(jiān)測和建立動態(tài)模型時，就要對獲取的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)配準(zhǔn)。動態(tài)配準(zhǔn)是在多個不同的幀之間進(jìn)行插值配準(zhǔn)。對地面實物是利用旋轉(zhuǎn)掃描的方法進(jìn)行動態(tài)配準(zhǔn)的。5．2．2ICP算法首先準(zhǔn)備兩組建立在不同的空間坐標(biāo)系中獲取的點云數(shù)據(jù)集，然后對這兩組空間數(shù)據(jù)集進(jìn)行空間變換，實現(xiàn)最佳匹配。運用迭代最近點的算法可以找出目標(biāo)點和參考點之間的旋轉(zhuǎn)變換和平移變換。旋轉(zhuǎn)變換有四元數(shù)旋轉(zhuǎn)、矩陣旋轉(zhuǎn)和Euler旋轉(zhuǎn)。例如，給出A={Al，A2?．，An}和B={B1，B2，?，Bm}然后定義一個目標(biāo)函數(shù)：（公式5-1）用B點處的擬合曲面替代對應(yīng)點的信息，就會有：（公式5-2）5．2．3基于灰度的配準(zhǔn)算法基于灰度的配準(zhǔn)算法就是利用外業(yè)獲取的影像與計算機結(jié)合，分析影像的特征并完成數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)計算。基于灰度的配準(zhǔn)，重點在于獲取待與待測點所在的區(qū)域的灰度影像。這種配準(zhǔn)方法在圖像處理方面應(yīng)用的比較廣。用基于灰度的配準(zhǔn)方法不用事先對圖像進(jìn)行處理。這種方法又有線、塊、比值匹配和互相關(guān)法等方法。這種配準(zhǔn)方法比較簡單。5．2．4基于幾何特征的配準(zhǔn)算法這種算法就是根究地面實物的特征來配準(zhǔn)。用這種方法進(jìn)行配準(zhǔn)時要考慮點線面幾何特征的約束條件，所以這種算法用方面的比較窄。這些約束條件可以概括為點在平面上的不等約束條件和法線平行條件的不等約束。用這種算法需要六個不等的參數(shù)，這種算法適合附加多種幾何特征的不等約束條件，通常與迭代算法一起使用。這種算法對地面實物的幾何等特征表達(dá)的很好，但是就是在進(jìn)行配準(zhǔn)之前了解關(guān)于這方面的先驗知識。6、點云數(shù)據(jù)的處理在進(jìn)行測量的過程中，由于測量的客觀環(huán)境和被測量的物體本身存在的復(fù)雜性等因素，會造成測量的關(guān)于被測的實物方面的數(shù)據(jù)存在不完整性，這給三維地面實物的建模帶來困難，這時候就要對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。測量時如果得不到測區(qū)范圍內(nèi)全部的地面實物的數(shù)據(jù)信息，應(yīng)該從多個方位對同一個地面實體進(jìn)行多次的量測，得到地面實體的數(shù)據(jù)，然后對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，建立地面實物整個表面的點云數(shù)據(jù)。因為在測量過程中，操作人員的變動和外界環(huán)境的不斷變化都會使測量的結(jié)果不太準(zhǔn)確，這時候有可能造成測量的地面實物的坐標(biāo)出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象，通常情況下這些異常的點都會被排除。除此以外，如果用激光掃描儀獲得的地面實物的數(shù)據(jù)非常密，這時候也要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就是我們說的均勻化。為了提高對地面實物的測量精度，這時候掃描的數(shù)據(jù)量會非常的高。這些數(shù)據(jù)量可甚至可以達(dá)到幾百兆的字節(jié)，所以在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時就要壓縮點云數(shù)據(jù)了。點云數(shù)據(jù)處理過程如圖6-1所示：獲取點云數(shù)據(jù)噪聲去除獲取點云數(shù)據(jù)噪聲去除點云數(shù)據(jù)過濾和平滑數(shù)據(jù)壓縮點云特征提取和分割線曲擬合表面重建6．1點云數(shù)據(jù)去噪處理在利用激光掃描儀進(jìn)行外業(yè)測量時由于受到外界環(huán)境因素、儀器本身的因素以及作業(yè)人員的更換因素、觀測過程中障礙物等因素的影響，使得通過激光掃描儀掃描后獲取的關(guān)于地面實物的數(shù)據(jù)出現(xiàn)噪聲影響。如果不將這些噪聲影響進(jìn)行處理，這必然會使建立的地面實物的模型的真實感降低。為了提高建立的地面實物的準(zhǔn)確度就要對掃描獲取的關(guān)于地面實物的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理。點云數(shù)據(jù)的去噪處理有在空間域中進(jìn)行處理和在頻率域中進(jìn)行處理兩大類。點云數(shù)據(jù)再空間域中進(jìn)行處理就是直接在空間中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。點云數(shù)據(jù)的頻率域處理就是將獲得的地面實物的圖像經(jīng)過變換，從空間域轉(zhuǎn)換到頻域，然后再進(jìn)行處理，處理后再通過變換，回到空間域。6．1．1雙邊濾波去噪處理在獲取點云數(shù)據(jù)后，可以直接對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，也可以建立格網(wǎng)進(jìn)行噪聲處理。這里我講述一下雙邊濾波去噪處理。雙邊濾波是一種非線性的濾波方法，是結(jié)合圖像的空間鄰近度和像素值相似度的一種折衷處理，同時考慮空域信息和灰度相似性，達(dá)到保邊去噪的目的。雙邊濾波是由C.Tomasi和R.Manduchi提出的一種非迭代的比較簡單的去除噪聲的方法。這種噪聲去除方法具有簡單、非迭代、局部的特點。6．1．2小波閾值去噪小波變換屬于線性變換的一種，擁有不錯的時頻特點。在獲得了地面實物的圖像后，用小波進(jìn)行分解處理得到許多個子圖像，然后再對這些子圖形分別定義一個閾值，然后再進(jìn)行噪聲的處理。小波去噪首先對需要進(jìn)行去噪處理的圖像進(jìn)行特征信息的提取，然后進(jìn)行低通濾波，最后再生成新的圖像。過程如圖6-2所示：帶噪圖像帶噪圖像特征提取低通濾波新圖像特征信息圖6-2：小波去噪過程6．2點云數(shù)據(jù)的壓縮隨著對地面實物的外業(yè)測量技術(shù)的不斷提高，人們所建立的地面實物模型的精度也在不斷的提高。模型精度的提高都是建立在外業(yè)獲得大量的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上的。數(shù)據(jù)量太大，為了便于使用，這時候就要對獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行點云數(shù)據(jù)的壓縮。點云數(shù)據(jù)的壓縮就是從外業(yè)測量獲得數(shù)據(jù)集合之中抽取一個子集，使這個子集在規(guī)定的精度的范圍內(nèi)，最好的逼近原集合而又獲得盡可能大的壓縮比。數(shù)據(jù)壓縮分為有損壓縮和無損壓縮。有損壓縮就是在數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮的時候造成數(shù)據(jù)損害或丟失；無損壓縮就是數(shù)據(jù)在進(jìn)行壓縮的沒有造成損害。6．2．1曲線擬合的方法在對地面實物的外業(yè)測量中通常都是獲取大量的點云數(shù)據(jù)，這些點云數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。這時候用單張曲面進(jìn)行曲面擬合的方法這種點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并不合適，需要建立多張曲面來進(jìn)行擬合，因此就要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，分塊方法可以采用劉盛蘭提出的半自動的算法。然后對進(jìn)行分塊處理之后的數(shù)據(jù)運用一些反求軟件等進(jìn)行切片處理，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮。6．2．2區(qū)域重心的壓縮方法對地面的實物進(jìn)行掃描后，得到的相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息都是在一個有限的范圍內(nèi)的。我們假設(shè)一個密閉的空間區(qū)域?qū)⑦@些地面實物的數(shù)據(jù)信息都包含在內(nèi)，這個密閉的空間區(qū)域（最外區(qū)域）的幾何信息可以根據(jù)包含的地面實物的數(shù)據(jù)信息得到。若數(shù)據(jù)集A為獲得的地面實物的信息，則A()，在定義的坐標(biāo)軸的方向上分別對獲得的地面實物的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，然后獲得在這三個方向的最大和最小值：、、、、、?？梢缘玫阶钔鈪^(qū)域的頂點的坐標(biāo)(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)。根據(jù)這幾個頂點坐標(biāo)就可以確定區(qū)域的范圍了。確定范圍后，然后進(jìn)行細(xì)化。細(xì)化的方法按照下面的公式6-1進(jìn)行。（公式6-1）然后根據(jù)細(xì)化后的小區(qū)域的范圍內(nèi)包含的地面實物的信息進(jìn)行壓縮處理。壓縮后的精度可以根據(jù)細(xì)化后的小區(qū)域的范圍來進(jìn)行大致的確定。壓縮的方法可以根據(jù)重心點法來進(jìn)行。重心點法就是只能夠保留細(xì)化后的小區(qū)域的重心點。進(jìn)行確定細(xì)化后的各個區(qū)域的重心點的步驟如圖6-3所示： 圖6-3：區(qū)域重心壓縮法 (1)先對細(xì)化后的各個小區(qū)域進(jìn)行本區(qū)域內(nèi)的所有的數(shù)據(jù)點進(jìn)行解算，然后根據(jù)所有的點找出本區(qū)域的中點o；(2)然后根據(jù)公式6-2算出各個小區(qū)域內(nèi)的所有的數(shù)據(jù)點到該區(qū)域的中心點的距離，找出距離最短的那個點，那個點就是所要求的點。（公式6-2）6．2．3共頂點法共頂點法是對關(guān)于建立在地面實物的高程方面數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一種方法。是就是一個地面實物的高程方面的數(shù)據(jù)集合。圖6-4就是建立的一個三角形控制網(wǎng)。圖6-4：地物數(shù)據(jù)點的三角網(wǎng)在對用激光掃描儀獲取的地面實物的數(shù)據(jù)集進(jìn)行壓縮處理時，為了能夠得到最好的壓縮成果，就要保留那些能夠最佳的代表地面實物的典型特點的一些數(shù)據(jù)點，提出那些不必要的數(shù)據(jù)點。用共頂點的方法進(jìn)行地面實物數(shù)據(jù)的處理的步驟：(1)先尋找出每個三角形的共頂點；(2)然后利用公式6-3解算出這些小三角形除了共頂點之外的其他點的均值。（公式6-3）(3)當(dāng)（T為誤差的最大允許值）時，把這個共頂點除去，反之就把這個共頂點留下。處理過程變化如圖6-5所示：刪除前高程圖刪除后高程圖圖6-5：共頂點法壓縮7、地物的三維模型和對模型的分析7．1地物的三維模型對地面實物可以建立點云模型、三角網(wǎng)模型和實體模型等。7．1．1點云模型在對地面實物建立模型時，用掃描儀獲取的數(shù)據(jù)建立的地面實物的三維模型就是點云模型。點云模型的建立要先進(jìn)行外業(yè)的控制測量；然后對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后進(jìn)行處理建立模型。①外業(yè)的控制測量。要想建立地面實物的模型，就先要獲取數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)就要通過外業(yè)測量獲得。②數(shù)據(jù)采集。用掃描儀獲取地面實物的特征信息；③數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。將采集到的各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一到相同的坐標(biāo)系中方便后面的數(shù)據(jù)處理。圖7-1就是利用點云模型建立的一個控制網(wǎng)。

圖7-1：地面實物的控制網(wǎng)7．1．2三角網(wǎng)模型除了對地面實物建立點云模型外，還可以建立三角網(wǎng)模型。建立三角網(wǎng)模型時應(yīng)使數(shù)據(jù)點中最近的三個點連成三角形并且盡可能的使三角形逼近等邊三角形。建立三角網(wǎng)模型的步驟為：①建立模型；②對建立的模型進(jìn)行簡化；③對建立的三角網(wǎng)進(jìn)行分析。7．2對地面實物模型的分析7．2．1對古物的分析根據(jù)模型建立的方法對古代遺留下來的東西進(jìn)行模型重建對古物的分析研究及保護(hù)有很大的幫助。歷史古跡是我們中華民族一項偉大的財富，我們這些后代子民要保護(hù)好這些古老