（摄影测量与遥感专业论文）地面三维激光扫描建模及其在建筑物测绘中的应用.pdf

己 s ：譬； 分类号v d c 硕士学位论文 密级 地面三维激光扫描建模及其在建筑物测绘中的应用 m o d e lr e c o n s t r u c t i o no ft h r e e d i m e n s i o nt e r r e s t r i a l l a s e rs c a n n i n ga n dt h ea p p l i c a t i o ni nb u i l d i n g s u r v e y i n g 作者姓名：王潇潇 学科专业：摄影测量与遥感 学院( 系、所) ：信息物理工程学院 指导教师：邹峥嵘教授 答辩委员会主席 中南大学 二。一。年五月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：垂箍遮 日期：2 型立年月l 日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：雄导师签名囱型垫瘴一- 日期：丝年月互日 k l ：r 。 摘要 地面三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，有人称其为继 g p s 技术之后在测绘领域出现的又一次技术革命。该技术采用激光进 行测量，非接触、高速度、高精度、大量地获取目标物的三维坐标数 据，这些数据被称为“点云 数据，可以实时、动态、真实地反映客 观事物的现状，为科学准确地建立数字模型提供一种全新的技术手 段。随着科学技术的快速发展，地面三维激光扫描技术广泛运用于各 个领域，其中在建筑物测绘领域尤其是对中国传统建筑的测绘，逐渐 代替了传统的测量方式，对建筑物的保护、修复及测绘成果数字化并 科学化的管理具有重要的意义。 本文首先介绍了地面三维激光扫描技术的国内外研究现状，总结 了该技术的特点及应用领域，简要阐述了地面三维激光扫描系统的工 作原理，并对硬件设备的种类作了划分。 其次详尽介绍了本文使用的i l r i s 一3 d 激光扫描系统以及后处理 软件p o l y w o r k s ，对扫描仪的操作流程作了详细的描述，然后针对扫 描点云数据处理的过程对p o l y w o r k s 软件的建模方法进行了全面的 研究，其中包括多视点云数据配准，三维几何建模，模型漏洞修补和 简化等。针对复杂建筑物的点云数据量庞大，通过不同精度的实验确 定了模型简化的适宜尺度。 最后将地面三维激光扫描技术应用于建筑物测绘中，通过从三维 立体模型中提取出特征线与轮廓线，绘制出建筑物的立面图、平面图、 剖面图等。针对软件无法自动提取立面图与俯视图的外轮廓线问题， 本文采用平面散乱点云网格划分方法，在a u t o c a d 中实现自动提取 建筑物正投影后的外轮廓线。 本文以凉亭为扫描对象，对扫描得到的数据进行模型重建，并利 用半自动提取出的特征线与轮廓线，完成该建筑各图件的绘制。实验 结果表明，与传统测绘方法相比，地面三维激光扫描技术在测量的速 度与精度方面有很大优势，在建筑物测绘领域有着广泛的应用前景。 关键词地面三维激光扫描技术，建模，模型简化，建筑物测绘 a bs t r a c t t h r e e d i m e n s i o nt e r r e s t r i a ll a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi san e w m e a s u r e m e n tm e t h o di ng e o d e s ya n dg e o m a t i cf i e l d s s o m ep e o p l ec a l l e d i tan e wr e v o l u t i o na f t e rt h ee m e r g e n c eo fg l o b a lp o s i t i o ns y s t e m t h i s t e c h n o l o g y u s e sl a s e rt om e a s u r e ，c a no b t a i na l a r g e n u m b e ro f t h r e e d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ed a t aw h i c hi sc a l l e d “p o i n tc l o u d d a t aw i t h n o n c o n t a c t ，h i g hs p e e da n dh i g ha c c u r a c y i tc a nd y n a m i ca n dt r u l y r e f l e c tt h es t a t u so fo b j e c t i v et h i n g si nr e a lt i m e ，a n dp r o v i d ean e w t e c h n i c a lm e a nf o rs c i e n t i f i c a l l ya n da c c u r a t e l ye s t a b l i s h i n gd i g i t a lm o d e l w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , t h r e e d i m e n s i o n t e r r e s t r i a ll a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s i n t h ef i e l do fb u i l d i n gs u r v e y i n g ，e s p e c i a l l yt h em a p p i n go ft r a d i t i o n a l c h i n e s ea r c h i t e c t u r e ，i tg r a d u a l l yr e p l a c e st h et r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n t m e t h o d s i ti sg r e a ts i g n i f i c a n tt op r o t e c t ，r e p a i rb u i l d i n g ，d i g i t a la n d s c i e n t i f i cm a n a g et h es u r v e y i n gr e s u l t s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ei n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h s i t u a t i o n so ft h r e e d i m e n s i o nt e r r e s t r i a ll a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g y , s u m m a r i z e dt h et e c h n i c a lf e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n s ，b r i e f l yd e s c r i b e di t s b a s i cw o r k i n gp r i n c i p l ea n dc l a s s i f i e dt h eh a r d w a r ee q u i p m e n t so ft h e l a s e rs c a n n e r s t h e na m p l yp r e s e n tt h ei l r i s 3 dl a s e rs c a n n i n gs y s t e m sa n dt h e p o s t - p r o c e s s i n gs o f t w a r ep o l y w o r k s d e s c r i b e d t h es c a n n e r so p e r a t i o n a l p r o c e s si nd e t a i l ，a n dc o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e dt h em o d e l i n gm e t h o do f p o l y w o r k sa g a i n s tt h ep r o c e s so fd e a l i n g w i t hs c a n n i n gp o i n tc l o u dd a t a ， i n c l u d i n g m u l t i v i e wp o i n tc l o u dd a t ar e g i s t r a t i o n ，t h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r i cm o d e l i n g ，m o d e lh o l e sr e p a i r i n g ，s i m p l i f y i n ga n ds o o n b e c a u s et h en u m b e ro fc o m p l e xb u i l d i n g s p o i n tc l o u dd a t ai sv e r yh u g e ， t h i sp a p e rh a sd e t e r m i n e dt h es u i t a b l ec r i t e r i o no fm o d e ls i m p l i f y i n g t h r o u g he x p e r i m e n t su s i n gd i f f e r e n ta c c u r a c y f i n a l l ya p p l i e dt h r e e d i m e n s i o nt e r r e s t r i a ll a s e rs c a n n i n gt e c h n o l o g y t ot h eb u i l d i n gs u r v e y i n g ，e x t r a c t e dt h ef e a t u r el i n e sa n dc o n t o u r sf r o m t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l ，d r e wt h eb u i l d i n ge l e v a t i o n s ，p l a n s ，p r o f i l e s a n ds oo i l b e c a u s et h es o f t w a r ec a nn o ta u t o m a t i c a l l ye x t r a c tt h e c o n t o u r so fe l e v a t i o n sa n dt o pv i e w s i nt h i sp a p e r u s i n gp l a n es c a t t e r e d p o i n tc l o u dm e s h i n ga l g o r i t h mt or e a l i z ea u t o m a t i ce x t r a c t i o nf o rt h e b u i l d i n g so u t l i n eu n d e ro r t h o g r a p h i cp r o j e c t i o ni na u t o c a d t h i sd i s s e r t a t i o ns e l e c t e dap a v i l i o n ，r e c o n s t r u c t e di t sm o d e lw i t h s c a n n i n gd a t a ，a n dc o m p l e t e dt od r a wt h em a p su s i n gt h ef e a t u r el i n e s a n dc o n t o u ro b t a i n e dw i t hs e m i a u t o m a t i ce x t r a c t i o n t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lm a p p i n g t h r e e d i m e n s i o n t e r r e s t r i a ll a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g yh a sg r e a t a d v a n t a g e s i nt h e m e a s u r e m e n t ss p e e da n da c c u r a c y , a n daw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si n t h ef i e l do f b u i l d i n gs u r v e y i n g k e yw o r d st h r e e - d i m e n s i o nt e r r e s t r i a ll a s e r s c a n n i n gt e c h n o l o g y , m o d e l i n g ，m o d e ls i m p l i f y i n g ，b u i l d i n gs u r v e y i n g 目录 摘要1 a b s t r a c t l l 第一章绪论l 1 1 研究背景和意义1 1 1 1 研究背景l 1 1 2 研究意义。l 1 2 国内外研究现状2 1 3 地面三维激光扫描技术的特点及应用一3 1 3 1 地面三维激光扫描技术的特点3 1 3 2 地面三维激光扫描技术的应用领域5 1 4 本文的主要研究内容5 第二章地面三维激光扫描技术7 2 1 地面三维激光扫描系统7 2 1 1 地面三维激光扫描系统的工作原理7 2 1 2 地面三维激光扫描系统的分类1 0 2 2il ris - 3 d 三维激光扫描系统12 2 2 1llr is - 3 d 三维激光扫描仪介绍1 2 2 2 2ilr is - 3 d 三维激光扫描仪操作方法及流程l2 2 3 地面二维激光扫描数据处理流程及软件介绍1 5 2 3 1 数据处理流程15 2 3 2 数据后处理软件介绍一l6 第三章三维点云数据处理及模型建立1s 3 1 点云数据导入l8 3 2 多视点云数据配准1 9 3 2 1 点云数据配准相关算法1 9 3 2 2 点云数据配准过程21 3 3 三维模型建立2 4 3 3 1 点云数据融合2 4 3 3 2 网格模型建立2 6 3 4 三维模型后处理2 7 3 4 1 拓扑错误检查2 7 3 4 2 漏洞修补2 8 3 4 3 模型简化3 0 3 5 纹理贴图3l 第四章地面三维激光扫描在建筑物测绘中的应用一3 3 4 1 常用的建筑物测绘方法3 3 4 2 建筑物特征线f f q 提取3 4 4 3 建筑物轮廓线的提取：3 5 4 3 1 手动提取轮廓线3 5 4 3 2 自动提取轮廓线3 6 4 3 3 实验结果比较3 9 4 4 建筑物各图件的简单绘制4 0 4 4 1 建筑物立面图4 0 4 4 2 建筑物俯视图4i 4 4 3 建筑物平面图及剖面图4 2 第五章总结与展望4 4 5 1 论文总结4 4 5 2 不足与展望4 4 参考文献一4 6 致谢4 9 攻读学位期间主要的研究成果5 0 u 硕l j 学位论文 第一幸绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 h h e s s ( l e i c a 公司前任c e o ) 曾说过“全站仪测量是2 0 世纪8 0 年代的技 术，g p s 测量属于9 0 年代，而地面三维激光扫描是2 l 世纪当前的测量技术”。 三维激光扫描技术是一门新兴的测绘技术，是测绘领域继g p s 技术之后出 现的又一次技术革命。三维激光扫描技术被称为“实景复制技术”，其能快速获 得原始的测绘数据，并完整高精度地重建实体i 。该技术集光学、机械、电器控 制和计算机技术于一体，是从传统测绘计量技术经过精密的传感工艺整合及多种 现代高科技手段集成而发展起来的，是对多种传统测绘技术的概括及一体化。它 能直接从实物中快速采集三维数据并重建模型，无需对实物表面进行任何处理， 就能获得很长的景深，避免了因光学变形产生的误差数据。获得的激光点云数据 都是直接采集目标的真实数据，这使得后期处理的数据完全真实可靠。 地面三维激光扫描技术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。利用它进行高效率、高质量、低成本的空问数据采集、处理，可以有效 解决数字化信息采集的难题【2 l 。与激光测距技术点对点的测量方法不同，地面三 维激光扫描技术使传统的人工单点数据获取变为连续自动获取批量数据，提高了 量测的精度与速度【3 】。基于该技术进行三维模型重建具有非接触、精度高、速度 快等特点，能大幅节约时间与成本，这些优势使其在文物保护、虚拟现实、数字 城市、工业生产、影视特技、三维传真和雕塑制作等领域有广泛的应用，是目前 国内外测绘领域研究关注的热点之一。 1 1 2 研究意义 我国古代传统建筑有着独特的风格，在世界建筑史上占有重要的地位。为了 研究这些建筑的形式和风格，我们需要采用测绘的方式获取完整的建筑资料并建 立保存相应的档案1 4 l 。 传统建筑的保护、维修需要较为完整的基础资料，其中准确与真实的图像资 硕l ：学位论文 第一章绪论 料最为重要。以往图像资料的绘制大多采用传统测绘、摄影、录像等综合性手段， 这不仅需要较多人力时间的投入，同时受到多种因素影响，其完整度与准确性也 存在一定的局限。随着计算机技术的快速发展以及各种新技术的不断推出，将地 面三维激光扫描技术引入于传统建筑物的测绘与保护中，能对相应的建筑物进行 数字化处理并建立三维模型。我们可以在三维立体模型上对任意点、尺寸进行量 测，还可有效地进行测量精度分析，对于特征数据如平面或线性距离、角度、半 径、体积和断面都能从模型中直接提取。因此，地面三维激光扫描技术对建筑物 的保护、修复及测绘成果数字化并进行科学化的管理具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 上世纪9 0 年代初期提出的著名i b m r ( i m a g e b a s e dm o d e l i n ga n dr e n d e r i n g ) 技术”j ，是基于图片信息的建模和表现，直接输入一组实物的照片，然后通过合 成新的视点图像，不显式地建立该实物的三维模型。这种方法的成本低，被广泛 应用在三维场景的虚拟漫游中。但由于该技术缺少准确的几何模型和三维信息， 因此在立体感和真实感要求较高的应用领域并不适用。 近年来，随着激光扫描技术的发展及其成本的逐渐降低，人们已经可以快速 高效地获取实物的高精度三维数据。利用这些数据，可以重建出具有准确几何信 息和照片真实感的三维模型【6 j 。国内外许多专家针对三维激光扫描数据的三维建 模进行了大量的研究。 1 9 9 7 年，加拿大国家研究理事会的e 1 h a k i m t 7 】等人将激光扫描仪和c c d 相 机固定在一个小车上，形成自己的硬件扫描平台，构建了一个数据采集和配准系 统，并在此基础上又实现了一个室内场景的三维建模系统。2 0 0 1 年，yy u t 8 l 等 人在对室内真实场景建模的同时，还提供了对实物模型进行移动和编辑的功能。 2 0 0 2 年，1 s t a m o s 和pk a l l e n l 9 1 等人实现了一个完整的激光三维建模系统，在 利用激光扫描得到三维数据的同时，使用摄影设备获得建筑物的深度图像和彩色 图像，最终恢复出具有相片真实感的建筑物三维模型。之后，他们将该系统应用 在历史古建筑的三维建模上1 1 0 1 。 基于三维激光扫描重建的研究在国外起步较早，欧美国家已经有几十家高新 技术公司在开展这方面的研究，并开发出较成熟的硬件和软件产品投放到市场。 国内起步相对来说晚一些，但也已在部分领域取得了一定的成果。自2 0 0 0 年起 至今，北京大学的三维视觉与机器人实验室l l i j l l2 j 使用具有不同扫描特性的激光 扫描仪、全方位摄像系统与其他高分辨率数码相机完成了建模对象几何与纹理数 2 硕i ：学位论文 第一章绪论 据的采集，并通过对这些数据的配准与无缝拼接完成了三维物体或场景模型的建 立。此外，武汉大学的李必军1 1 3 1 等利用奥地利的r i e g l 扫描仪扫描建筑物，然后 从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究，最后利用这些特征线进行三维模型 重建。这些研究都是从某一方面对三维激光扫描数掘重建模型进行的有益尝试。 在国外，激光技术是研究的热点。上世纪术，美国的c y r a 公司和法国的 m e n s i 公司率先将激光技术发展到三维测量领域，到2 0 0 0 年的时候，美国宇航 局( n a s a ) 就已经将三维激光技术应用在设计加工过程中。随着技术的发展， 地面三维激光扫描系统应用范围不断扩大，产品价格也在逐渐降低。 国外很多国家已经将成熟的微距和短距离三维激光扫描技术广泛地应用于 机器人三维可视化、医学研究与临床诊断治疗、工业产品的模具设计和制造等方 面，如汽车模型制造、零件的快速成型工艺等领域。美国斯坦福大学、华盛顿大 学与c y b e r w a r e 公司合作，针对著名艺术家米丌朗基罗的“大卫 等十几个大型 雕塑作品进行了数字化米开朗基罗计划【1 4 】【巧j ，在文物扫描、三维模型建立、大 规模模型的绘制等方面积累了一定的研究成果。 而国内一些单位主要将三维激光扫描技术应用于汽车车身、工业零件等小型 物体的三维重建方面。近来，在古建筑修复测绘与文物考古领域也展开了一系列 的实践工作，如针对北京故宫博物馆开展的古建筑数字建模项目i l6 1 。北京故宫 是全国重点文物保护单位，是列入世界文化遗产保护名录的国宝。该项目利用三 维激光扫描技术、摄影测量技术与传统古建筑测量方法结合，力图将故宫的主要 建筑初步恢复到康乾盛世的原貌，在深度和广度上为下一步修复工作提供准确的 第一手资料，为将来的古建筑理论研究提供重要的数据。2 0 0 5 年底，在对秦俑 二号坑遗址【1 7 j 进行发掘的同时引入了地面三维激光扫描技术，同步采集与处理 遗址挖掘过程的相关信息，并建立数字立体模型。这不仅满足了考古发掘过程中 需科学、准确获取遗址各类信息的要求，同时也为后期研究、保护、考古资源管 理、公众教育奠定重要的基础。 1 3 地面三维激光扫描技术的特点及应用 1 3 1 地面三维激光扫描技术的特点 地面三维激光扫描可以快速获得物体表面每个采样点的三维空间坐标，它将 传统的点测量发展为面测量。采集到的数据经过处理，可以直接为c a d c a m 、 三维动画软件使用，还可以将真实纹理粘贴到三维模型上，形成真三维。对于非 3 硕 j 学位论文 第一章绪论 接触测量、柔性物体的测量问题、危险领域的测量问题以及文物测量，三维扫描 技术能以不损伤物体的手段获得文物的外形尺寸。所记录的信息细致、全面，便 于长期保存、复制、再现、传输、查阅和交流，使研究者能够在不直接接触文物 的情况下，甚至于千里之外，对目标进行直观的研究，不受时空约束f l l 。与传统 的测绘方式相比，其获取数据的特点和方式，弥补了传统测量方法的弊端。 由此综合起来，地面三维激光扫描技术具有如下其它测绘技术所不具备的技 术特点【1 1 1 2 1 1 1 8 l ： ( 1 ) 非接触性。该技术无需反射镜，能不接触测量目标的表面三维信息，而 且所采集的数据完全真实可靠。这一特征解决了危险领域的测量、柔性 目标的测量、需要保护对象的测量和人员不可到达位置的测量等。 ( 2 ) 数据获取速度快。应用激光扫描技术进行目标空间数据采集，速度非常 快，采样点速率最高可达到数十万点每秒，可以快速获取大面积目标空 间的信息。 ( 3 ) 实时、动态、主动性。主动发射测量信号，不需要外部光源，通过探测 自身发射的激光的回波信号来得到目标信息，由于这特征，使激光测 量不受时间约束和时空约束，实现全天候作业，也可以及时测定形体表 面立体信息，适合应用于自动监控行业。 ( 4 ) 穿透性。激光能穿透不太浓密的植被，到达目标表面，或者由于激光扫 描技术在一瞬间得到大量的采样点，这些采样点能描述目标表面不同层 面的几何信息。 ( 5 ) 高密度、高精度。该技术可高密度、高精度地获取目标表面特征。通过 对目标的直接扫描来描述目标特征，与人工技术不同，前者使用庞大的 点阵和浓密的格网，采样点点距很小，获取的点云分布较均匀，可以达 到较高的分辨率。 ( 6 ) 数字化、自动化。该技术采集的数据是直接获取的数字距离信号，全数 字特征，易自动化，可靠性好，易于后期处理及输出。 ( 7 ) 可与外置数码相机、g p s 系统结合。这一功能很大程度上扩展了地面三 维激光扫描技术的使用范围，可更加全面准确地获取信息。结合外置数 码相机使用，可增强彩色信息的采集，使获取的目标信息更加全面。g p s 定位系统的加入，使三维激光扫描技术的应用范围更加广泛，能提高测 量数据的准确性。 4 硕一l ：学位论文第一章绪论 1 3 2 地面三维激光扫描技术的应用领域 基于上述这些特点，地面三维激光扫描技术在以下领域得到广泛的应用 1j 9 1 1 2 0 1 。 ( 1 ) 建筑文物保护领域：三维激光扫描技术以不损伤物体的手段，获得文物 的外形尺寸和表面纹理，这样做成的电子文献，信息完整全面，易于保 存，并且能详细了解表面，随时方便地得到等值线、断面、剖面等。当 建筑和文物遭到破坏后能及时而准确地修复和恢复数据。 ( 2 ) 虚拟现实领域：在仿真训练、虚拟演播室等系统中，靠人工构造大量的 三维彩色模型，费时又费力，而且真实感差。三维激光扫描技术可提供 这些系统所需的与现实世界完全一样的三维模型数据。 ( 3 ) 变形监测方面：传统采用g p s 、全站仪或近景摄影测量方式进行变形监 测，需要在变形体上布设监控点，这些监控点的数量有限，很难完全体 现出整个变形体的实际情况。而地面三维激光扫描系统可以进行均匀高 精度高密度地测量，获得更多的信息，应用于滑坡、雪崩、岩崩等危险 地方，可有效监控变化范围及其量级，利于防灾减灾工作。 ( 4 ) 医学和工业测量领域：多采用测程短，精度高的扫描仪，应用于外科整 形、人体测量、矫正手术、工业设计等方面。 ( 5 ) 应急服务方面【2 i l ：对失事飞机、汽车和火车事故的现场进行详细而精确 地细节测量，能为日后事故鉴定提供准确的空间信息，同时也可作为档 案资料。 1 4 本文的主要研究内容 本文主要从建筑物三维立体模型的建立及模型在建筑物测绘中的应用两个 方面展开工作。在模型建立方面，详细介绍了如何使用地面三维激光扫描系统获 得点云数据，利用软件处理采集的数据，建立三角化网格模型并对模型进行后处 理及纹理贴图。在应用方面，首先从所建立的模型中半自动地提取建筑物的特征 线，然后利用所提取的特征线在a u t o c a d 中绘制简单的建筑物图件。 本文完成的主要研究内容有： ( 1 ) 简要总结了地面三维激光扫描技术的特点与应用前景，介绍了地面三维 激光扫描系统的工作原理及不同角度的分类，此外列举了市场上比较流行的地面 三维激光扫描仪的性能参数指标。 5 硕j ：学位论文第一章绪论 ( 2 ) 详细介绍了i l r i s 3 d 地面三维激光扫描系统的特点和扫描仪的操作方 法及工作流程。 ( 3 ) 全面研究了数据后处理软件p o l y w o r k s 的建模方法。采用i l r i s 3 d 三 维激光扫描仪完成对中南大学南校区荷花池中凉亭的三维数据采集后，利用该软 件对获得的点云数据进行处理，主要包括多视点云数据配准，点云数据融合建模， 三维模型的后处理以及纹理贴图。针对复杂建筑物的点云数据量庞大，通过不同 精度的实验确定了模型简化的适宜尺度。 ( 4 ) 将地面三维激光扫描技术应用于建筑物测绘中，通过从三维立体模型中 提取出特征线与轮廓线，绘制出建筑物的立面图、平面图、剖面图等。针对软件 无法自动提取立面图与俯视图的外轮廓线，本文采用平面散乱点云网格划分方 法，在a u t o c a d 中实现了自动提取建筑物正投影后的外轮廓线。 6 硕1 ：学位论文 第_ 二章地面三维激光 i 描技术 第二章地面三维激光扫描技术 三维激光扫描系统根据扫描的空间位置可划分为四类：机载型激光扫描系 统；地面型激光扫描系统：手持型激光扫描系统；特殊场合应用的激光扫 描系统。本文主要介绍地面型三维激光扫描系统。 2 1 地面三维激光扫描系统 2 1 1 地面三维激光扫描系统的工作原理 地面三维激光扫描系统主要由三部分组成：扫描仪、控制器和电源供应系统。 激光扫描仪本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成c c d 和仪 器内部控制及校正等系统f 2 2 1 【2 3 】【2 4 1 。 ( 1 ) 激光测距系统：激光测距原理主要有脉冲式测距、相位式测距和激光三 角法测距三种。 脉冲式测距： 从系统内部的激光脉冲二极管发射激光脉冲，经过旋转棱镜，射向被测物体， 然后通过探测器，接收并记录由物体表面反射回来的激光脉冲( 如图2 1 所示) 。 利用发射和接收激光脉冲信号的时间差来计算被测目标的距离，其测距公式为： s ：委甜 ( 2 1 ) 2 、 式中，s 表示测量距离，c 表示光速，表示测距脉冲信号的往返时间。 7 硕l ：学位论文第二章地面三维激光 i 描技术 门嚣 i j 八棱镜 娅。 ，、 f - 吱蜚 1 l 7 图2 - 1 脉冲式测距原理 目前，大多数激光扫描仪采用此工作方式，例如：l e i c a 公司的h d s 3 0 0 0 、 c y r a x 2 5 0 0 ，r i e g l 公司的l m s - z 4 2 0 i ，o p t e c h 公司的i l r i s 一3 d 以及法国m e n s i 公司的g s l 0 0 等三维激光扫描仪。脉冲式测距由于激光的发散角小，激光脉冲 持续时间极短，瞬时功率极大( 可达兆瓦以上) ，因而测距范围可以达到几百米， 甚至上千米。但在大范围内的扫描测距，精度相对较低。 相位式测距： 利用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次 所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算该相位延迟所代表的距离。即用 间接方法测定激光往返测线所需的时间，相位法测距的一般公式为： 趾氧寺】( 2 - 2 )2 i2 万j 式中，多为检测的相位差，厂为填充脉冲的频率。这种测距方式只要检测出发射 和接收信号之间的相位差，就能求出被测目标的距离。其扫描范围一般限制在 l o o m 内，与脉冲式测距相比，精度较高，可达到毫米级。因此，采用该方式测 距的三维激光扫描仪主要应用于微观领域和近距离扫描，如：o p t i m e t 公司生产 的m i n i c o n o s c a n 3 0 0 0 ，s h a p e g r a b b e r 公司生产的a 1 2 4 0 0 型三维激光扫描仪以 及m i n o l t a 公司生产的v i v i d 系列三维激光扫描仪。 激光三角法测距： 激光三角测量是通过三角形几何关系求得扫描中心到扫描对象的距离，其三 角构成是由激光发射器、目标反射点及数码相机感光元件c c d 的接收位置组成。 利用发射到目标物的激光信号与反射到c c d 的激光信号之间的夹角，以及激光 8 硕i ：学位论文第一二章地面二维激光 j 描技术 发射器与c c d 之问固定的基线长度，得到目标物的距离，如图2 - 2 所示。 r | 激光发射嚣 i j q 棱镜 - 心 基线 图2 2 激光三角测量原理 法国m e n s i 公司的s 1 8 2 5 型、i n t e c u 公司的c y l a n 3 d 和c y l a n 7 0 1 型、 s t e i n b i c b l e r 公司的c o m e t t - s c a n ，v i t a n a 公司的3 db o d ym e a s u r e m e n t 型等三 维激光扫描仪都使用激光三角法测距系统。它们的测程范围为几米到几十米，主 要应用于工业测量和逆向工程重建，可以达到哑毫米级的精度。 ( 2 ) 激光扫描系统：对于激光扫描技术，目前用得最多的是光机扫描、电镜 扫描、多棱镜扫描和全息光栅扫描技术。地面三维激光扫描系统通过内置伺服驱 动马达系统精确控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向 快速扫描，测量得到每个脉冲激光的横向扫描角度a 和纵向扫描角度口。 地面三维激光扫描系统一般使用仪器自定义的坐标系统：坐标原点位于扫描 仪中心，x 轴在横向扫描面内，y 轴在横向扫描面内与x 轴垂直，常为扫描仪 扫描方向，z 轴垂直于横向扫描面( 如图2 3 所示) 。 图2 - 3 扫描仪三维坐标计算示意图 9 ， 镜透n二=uu ， d cc 硕i ：学位论文 第一二章地面三维激光手l 描技术 i x | p = s c o s o c o s a 耳= s c o s l 9 s i n a ( 2 - 3 ) 【 z 尸= s s i n 0 2 1 2 地面三维激光扫描系统的分类 地面三维激光扫描系统大致可分为两类【1 8 j ，一类是移动式扫描系统，另一 类是固定式扫描系统。 移动式扫描系统是集成了三维激光扫描仪、g p s 接收机、c c d 相机以及数 字彩色相机的数据采集与记录系统。基于车载平台，由三维激光扫描仪和摄影测 量获得原始数据作为三维建模的数据源。 而固定式的扫描系统类似于传统测量中的全站仪，由一个三维激光扫描仪和 一个内置或外置的数码相机，以及软件控制系统组成。它与全站仪的不同之处在 于固定式扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是物体表面的海量三维坐标 数据。这些三维坐标数据可以直接用来进行三维建模。而数码相机的功能是获取 物体表面点的反射强度值，为点云后处理提供边缘信息和彩色纹理信息。 在上一小节中根据扫描仪中激光测距系统的工作原理，已将地面三维激光扫 描仪分为脉冲式测距、相位式测距和激光三角法测距三类。由于激光测距系统直 接影响激光扫描仪的测距范围，因此按照激光扫描仪的扫描距离，又可将地面三 维激光扫描仪大体分为近距、中近距、中远距和远距四类。近距通常指2 m 以内 的扫描范围，近距扫描基本上都是手持式激光扫描仪；中近距一般是指1 2 5 m ： 中远距指在4 0 - 1 0 0 0 m 距离之间；远距则指1 0 0 0 m 以上的距离范围。目前，中远 距的激光扫描是地面三维激光扫描应用的主流。 此外还可根据不同的分类角度进行更详细的分类f 2 5 】：仪器的扫描方式( 是 否水平3 6 0 度扫描、瞬时视场的大小、扫描断面) ；仪器的偏差系统( 仪器的轴 系旋转或镜面旋转方式) ；与其它仪器的结合使用方式( 如内置或外置相机、g p s 接收机等) 。 通过上述不同角度的分类，我们可以发现每种型号的地面三维激光扫描系统 都会有各自的不同性能参数，根据工作原理不同，应用的范围也不同。在表2 1 中列举了几款国外常见型号扫描仪的性能参数指标【2 j 。 1 0 硕 - q ：位论文第_ 二章地面二三维激光 i 描技术 表2 - 1 常见地4 2 - 维激光扫描系统的性能参数表 系统 l l r i s 3 dh d $ 3 0 0 0l m s z 4 2 0 ig $ 2 0 0i s i t e 4 4 0 0 厂家 o p t e c h 公司c y r a 公司r i e g l 公司 m e n s i 公司i - s i t e 公司 产地加拿大美国奥地利 法国澳大利哑 测距 7 n 瑚 1 0 0 m 4 m ma ：5 m m + 3 m m 1 0 0 m5 0 m m 4 0 0 精度m ：1 0 m mm 测距 3 1 5 0 0 m15 0 m2 5 0 8 0 0 ma ：1 - 2 0 0 m5 4 0 0 m 范围 m ：7 0 0 m 采样 2 0 0 0 p s1 0 0 0 p s8 0 0 0 p s5 0 0 0 p s4 4 0 0 p s 率 测角 1 6 ， 1 2 h ：0 0 0 2 50 0 2 。 精度 o v ：0 0 0 2 。 点位 1 0 m m 1 0 0 m 6 m m5 m m10 0 m 2 5 m m 精度 扫描v ：2 0 。v ：2 7 0 。v ：8 0 。v ：6 0 。 v ：8 0 。 视场 h ：4 0 。h ：3 6 0 。h ：3 6 0 。h ：3 6 0 0h ：3 6 0 。 光斑 0 1 7 d + 1 2 m m c o n n e c t ，在下拉菜单 中选择w i r e l e s s ，然后键入i l r i s 3 d 液晶显示屏中的i p 地址，接着p i n g 扫描仪，p i n g 通后便可连接i l r i s 一3 d 扫描仪。 ( 5 ) 配置扫描仪的内置相机：选择主窗e l 下方菜单中的t o o l s c a m e r a s s e t t i n g s 。根据扫描当时的天气情况选择程序中预设的天气模式，如 i n d o o r , i n d o o rd a r k s u n n yb r i g h td a y , s u n n yd a y , c l o u d yd a y ( b r i g h t ) 等。 设置完后，i l r i s 一3 d 液晶显示屏上的图像颜色信息会跟着改变。 ( 6 ) 按p d a 上的，键，将扫描仪上的目标影像传递到p d a 中。 ( 7 ) 设定扫描目标的范围：按豳键，在屏幕中添加一个四面有八个节点的红 色方框，双击任意节点方框变成