基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建

PAGE基于地面三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建PAGEPAGE7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)是一項高新科學(xué)技術(shù)。日前很多發(fā)達(dá)以及發(fā)展中國家已將這一技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)測量系統(tǒng)及空對地觀測，快速獲取特定目標(biāo)的主體模型。本文通過對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)、點云數(shù)據(jù)、三維建模一、引言三維激光掃描技術(shù)是一項高新科學(xué)技術(shù),掃描系統(tǒng)平臺分為地面和機載兩種類型。三維激光掃描測量技術(shù)具有快速、實時性強、無接觸、全數(shù)字特征、精度高、主動性強等優(yōu)點,這項技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展,克服了傳統(tǒng)建筑測量的局限性。地面三維激光掃描系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的點對點的激光測距不同。它的發(fā)展為人們在空間信息獲取方面提供了全新的技術(shù)手段，使人們從人工單點數(shù)據(jù)獲取的傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)自動獲取批量數(shù)據(jù)的方式，大大的提高了量測的速度與精度。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)是點云數(shù)據(jù)。三維激光掃描數(shù)據(jù)通過簡單的處理便可以直接使用，并且不需要與被測物體直接接觸，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等集合起來實現(xiàn)更多、更強的應(yīng)用。三維激光掃描的主要特點是適應(yīng)性、主動性、實時性好。三維建模即對空間信息進行可視化表達(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激光掃描儀來獲取深度數(shù)據(jù)并用這些數(shù)據(jù)來建立三維模型，這種方法含有被測場景比較精確的幾何信息。而基于圖像的方法便是通過圖片或照片來建立模型，它的數(shù)據(jù)來源是數(shù)碼相機。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)出一個激光脈沖信號，這個信號經(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，可以計算出目標(biāo)點與掃描儀之間的距離，控制編碼器同步測量的每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值和縱向掃描角度觀測值。三維激光掃描測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可以分為：地面型激光掃描系統(tǒng)、機載(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)今時效性最強的三維數(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進行分類，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，最長掃描距離也不超過3m，這類掃描儀通常適合用于小型的模具的量測，不僅掃描精度高而且掃描速度快，可以多達(dá)三十萬個點精度至±0.018mm。（2）中距離激光掃描儀：最長的掃描距離小于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)空間的測量或大型模具。（3）長距離激光掃描儀:掃描距離大于30m的三維激光掃描儀是長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量。（4）航空激光掃描儀：最長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)是點云數(shù)據(jù)。從三維建模的過程看，點云數(shù)據(jù)處理可分為三個步驟: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)的獲取三維激光掃描儀是通過自動控制技術(shù)，對目標(biāo)實體按照事先設(shè)置的分辨率進行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集和處理，掃描結(jié)束后獲得原始的點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集過程種中需注意以下幾個問題: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)。3.2數(shù)據(jù)的加工處理獲得原始的點云數(shù)據(jù)后，需要對點云數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。預(yù)處理過程主要包括數(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，通過全排序操作并考慮所有可能的約束條件，將實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，最終將空間點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一個一致的多邊形網(wǎng)格模型。四、三維模型重建4.1點云模型點云模型就是利用三維激光掃描技術(shù)對目標(biāo)物進行全方位的掃描,從而得到由三維點云構(gòu)成的目標(biāo)物表面模型。(1)控制測量為了更精確地獲得目標(biāo)物的三維數(shù)據(jù),首先要在待測目標(biāo)物周圍布設(shè)測量控制網(wǎng)(如圖1所示),控制測量工作必須遵循“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目標(biāo)物進行全面掃描,得到目標(biāo)物不同視點的三維點云模型,為了(3)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)要得到目標(biāo)物全面的立體點云模型,還要把不同視點之間的數(shù)據(jù)根據(jù)測量控制網(wǎng)進行配準(zhǔn),從而形成待研究物體的全方位的立體點云圖。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云模型,是由空間不規(guī)則離散點構(gòu)成的,要得到目標(biāo)物有拓?fù)潢P(guān)系的真實表面,要通過特殊的算法來恢復(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單而實用的方法。(2)簡化三角網(wǎng)模型由于三維激光所采集的數(shù)據(jù)是數(shù)以萬計的三維離散點,所以在進行三角網(wǎng)建模時,就難免會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余,所以在構(gòu)建三角網(wǎng)之后還要對目標(biāo)物的三角網(wǎng)模型進行數(shù)據(jù)簡化。(3)對三角網(wǎng)進行數(shù)據(jù)補充在三維激光掃描儀采集目標(biāo)物的表面點云時,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,這些數(shù)據(jù)丟失的地方無法構(gòu)建三角網(wǎng)模型,要根據(jù)目標(biāo)物的表面特征來進行數(shù)據(jù)補充,最終形成較為完整的目標(biāo)物三角網(wǎng)模型。4.3實體模型實體模型也是基于目標(biāo)物點云模型構(gòu)建的,構(gòu)建目標(biāo)物的實體模型具體方法如下所述。(1)構(gòu)建目標(biāo)物的各個構(gòu)件的實體模型大型目標(biāo)物都比較復(fù)雜,在進行建模時,要把目標(biāo)物的每一個構(gòu)建進行分離,分離時可分為規(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)物的每一個構(gòu)件建模完成后,可以把這些構(gòu)件放到同一個文件里。由于各個構(gòu)件是分開建模的,所以各個構(gòu)件之間會有大小的縫隙和交叉,這時要對各個構(gòu)件之間的誤差加以修正,最終形成一個完整的目標(biāo)物實體模型。五、地面三維激光掃描技術(shù)建模的優(yōu)缺點三維激光掃描技術(shù)是基于LIDAR激光探測與測距系統(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)缺點可歸納如下：（1）地面三維掃描儀的優(yōu)點：不需要接觸被測物體，光線昏暗甚至黑夜均可作業(yè)。速度快，節(jié)約時間，測量完整精確，可多視角觀察可視化三維點云模型。能標(biāo)注和測量模型的相關(guān)數(shù)據(jù)和創(chuàng)建各種復(fù)雜幾何形狀進行三維建模。（2）地面三維掃描儀的缺點：地面掃描儀是個黑箱系統(tǒng)，難以檢校；掃描容易，處理較難；儀器昂貴，主要儀器售價在100萬人民幣以上，市場定位為高檔設(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，缺乏實用而價格相對便宜的軟件。三維建模有一定的主觀性，非專業(yè)人士常受到虛擬動畫的視覺迷惑，忽視了三維模型的科學(xué)性和可測性。六、結(jié)束語地面三維激光掃描技術(shù)的出現(xiàn)為實體建模提供了一種嶄新的點云數(shù)據(jù),從而使實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)的測繪技術(shù),傳統(tǒng)的測量和建模方法也是不能被替代的。但是相信在不久的將來,地面三維激光技術(shù)一定會在數(shù)字城市、古建筑保護、變形監(jiān)測各方面發(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:地球科學(xué)版，2008,38（1）.[2]余明,丁辰,過靜瑭.激光三維掃描技術(shù)用于古建筑測繪的研究[J].測繪通報，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)測中的應(yīng)用研究[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2009.[4]陳靜,李清泉,李必軍.激光掃描測量系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].測繪工程,2001,10(1).[5]李長春,薛華柱,徐克科.三維激光掃描在建筑物模型構(gòu)建中的研究與實現(xiàn)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,27(2).[6]趙?，?張正鵬.三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