输电线路铁塔的三维建模

1、输电线路铁塔的三维建模绪论1.1、概述三维激光扫描技术目前是测绘领域中一个新的研究热点。众所周知，传统测绘技术主要 是单点精确测量，要用其采集数据进行三维建模就存在很多问题，因为描述目标结构的完整 属性需要采集大量的点，少则几万，多则几百万甚至几千万，这样才能把目标完整地建模， 所以，用现代高精度扫描技术就可以解决了这个问题。三维激光扫描技术就是全自动高精度 立体扫描的技术，它不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向工程及三维模型重构， 具有独特的优势：数据获取速度快，实时性强：数据量大，能详细描绘物体的细节；主动性 强，能全天候工作；全数字特征，信息传输、加工、表达容易；操作方便，扫描时由

2、软件控 制仪器工作。因此，对基于三维激光扫捕数据的建模技术研究很有必要。三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，对任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作， 采用高精度逆向三维建模及重构技术，以获取研究目标的三维坐标数据和数码照片的方式快 速获取各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等大型实体或实景等目标的三维立体信 息，直接将这些三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、 体、空间等各种数据，再现客观事物真实的形态特性。该技术为快速获取空间数据提供了有 效手段，是继GPS技术以后的又一项测绘技术新突破。利用地面三维激光扫描仪对物体进行数字化，得到物体表面大量点的三维坐标集

3、合，称 为点云数据。这些三维激光点云数据还可进行各种后处理工作（如：测绘、计量、分析、仿 真、模拟、展示、监测、虚拟现实等），即所谓的逆向工程应用。所有采集的三维点云数据 及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件直接使用。目前空间模型的表达一般用面体，包括平面和曲面，平面的表达用的最多的是平面三角形， 因为空间中任意三个点都可以决定一个平面；曲面的表达一般用基于控制点的NURBS曲面， 此曲面以一定量的控制点来控制整个曲面的形状。由三角形组成的三角网应用非常广泛，它 可用于表达物体表面细致的凹凸形状，进行光照反射的分析，纹理映射，以及空间信息的获 取；而曲面的应用也很有效，它

4、可建立光滑自然的曲面造型，更趋于真实。因此两者在建立 三维模型时都非常有用。所谓建模，就是利用真实物体的几何特性，利用点、线、面或图像将其在计算机上显示 出来，并达到与真实物体相似的感观效果。1.2、研究现状三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，特别是地面三维激 光扫描仪的出现，为三维数据获取提供了新的手段。它利用高速激光扫描测量的方法，大面 积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息， 为快速建立物体的三维模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描仪可以快速获得被测 对象表面每个采样点空间立体坐标，得到被测对象的采样点（离散点）集合

5、，也即“点云” （Point Cloud）。1.2.1、国外现状由于三维模型的应用方向十分广泛，从其问世以来，国外已经有很多专家、学者进行这 方面的研究、尝试，并取得了一些成果，所以从点云数据建立模型的研究工作得到了不断的 完善和发展。1994年，Hoppe提出了从无结构的点云数据精确地实现分段光滑曲面的自动重建的方法。 该方法分为初始曲面的估计、格网优化和分段光滑曲面的优化三个阶段。Tames Varady等人针对工业领域的逆向工程技术，总结了逆向工程的工作步骤，概括了 数据获取和模型重建的一些重要算法，提出了几何模型特征、相关表面特性表达，简单表面 和自由表面的分割和曲面拟合，多视点影像的

6、组合以及生成连续精度的8. rep(Boundary Representation)模型的方法。1998年Marco Viceconti等人应用CT扫描三维影像数据建立人体骨骼的NURBS实体模型， 建立的CAD模型精度比维数据建立的模型精度高很多。QingJin Peng和Martin Lofius阐述了从二维视觉信息晕建三维模型的过程。美国Stanford大学计算机系的图形学实验室与意大利政府合作，针对著名艺术家米开朗 基罗的“大卫”等十几个大型雕塑作品进行的数字化米开朗基罗计划，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。2000年Ruzica Maksimo

7、vic等人在医学领域中研究了用于CT治疗的一种基于等值线模型 的影像数据分割和三维模型建立的算法。自2002年以来，每年的欧洲计算机图学年会(Euro Graphics)都有一个专门的PBG(Point Based Graphics：基于点的图形学)研讨会，基于点的图形学引起了众多研究学者的研究兴 趣。PBG概念出现后，基于点的绘制技术成为点云模型的标准渲染技术。点云模型渲染技术 目前无论是从渲染的速度抑或渲染的效果上来看，均已发展地较为完善。、内现状、内现状目前在国内，就硬件技术而言，浙江大学、天津大学等一些科研院校己经对三角法三维激光 扫描技术进行了较为全面的研究。由于基于TOF测距技术的

8、三维激光扫描技术是目前最先进 的高新集成技术之一，国内对这方面的硬件研究尚未见发表。在数据处理方面，国内只有极 少数研究学者对三维激光扫描数据的处理方面作了理论与方法研究，其研究内容的层次还远 达不到实用阶段。因此可以认为，目前在国内，几乎没有一套自行开发的三维激光扫描技术 的数据处理软件。在三维激光扫描数据处理上的研究正处于初步发展的阶段，需要对三维激 光技术的硬件与数据处理加以系统地研究。但是，近几年，国内也不断有专家学者将三维激光扫描技术应用于实践，并取得了一定 的科研和实践成果。2001年3月，清华大学土木系和徕卡测量系统公司的技术人员采用Cyra三维激光扫描系 统对清华大学校内的建筑

9、物二校门进行了三维激光扫描，并基于生成的点云数据建立了二校 门的三维模型。北京建筑工程学院与故宫博物院合作，采用三维激光测绘技术，采集太和殿的完整点云 数据，用逆向工程的方法建成了太和殿的三维模型。2006年12月6日至11日，北京建设数字科技有限责任公司利用徕卡测量系统HDS3000型三 维激光扫描系统高精度地采集乐山大佛的表面数据，并利用该系统附带的数据处理软件建立 精确的乐山大佛三维立体模型，即“数字乐山大佛”。2007年10月18日开幕的纪念圆明园建园300周年国际学术研讨会上，专家宣布将用三维 激光扫描和虚拟构件技术等现代化的科技手段，复原圆明园中的一些古建筑原貌，并将进行 重建。清

10、华大学城市规划设计研究院教授臧春雨介绍，清华大学城市规划设计研究院的专家 已经两次用三维激光扫描技术，对圆明园九州景区中的碧澜桥残余构件进行了扫描，通过计 算机虚拟构件，研究得出碧澜桥残留构件的组合复原方案，并最终取得成功。第一章三维激光扫描技术1.1、三维激光扫描原理三维激光扫描仪相当于一个高速测量的全站仪系统。传统的全站仪测量需要人工干预帮 助全站仪找到目标，每次只能测量一个目标点，即使是马达型全站仪也只能跟踪测量数量有 限的点。三维激光扫描仪通过自动控制技术，对被测目标按照事先设置的分辨率（相当于采 样间隔）进行连续的数据采集和处理。对于某一时刻来讲，三维扫描变成一维测距，扫描仪 实际上

11、相当于一台全站仪。对一个物体表面经过扫描后得到大量的扫描点（或称为采样点） 的集合称之为“点云”或“距离影像”，其实为被扫描物体的3D灰度图。先假定这样一个坐标系：扫描仪的理论竖直轴（即水平时的天顶方向）为Z轴、扫描仪 水平转动轴的零方向为X轴构成一个右手坐标系A（X-Y-Z），称之为扫描坐标系。这样， 对于单个采集点，三维激光扫描仪根据脉冲激光测距原理获得仪器O到被测点F的距离 S，同时角度计数器记录扫描仪的扫描激光束位置（脉冲）相对于起始位置（即仪器扫描坐 标系的坐标轴方向）的横向和纵向扫描角度m和m，由此可得到三维激光点（即被测目标 点）在扫描坐标系中的坐标F （X、Y、Z）。:=SxC

12、OS（m）xCOS（n）:二SxCOS（m）xSIN（n）（1.1-1）L=SxSIN(m)假定扫描仪扫描的瞬间，扫描仪中心O在大地坐标系（x0, y0, z0）中的坐标为O（OX， OY，OZ），该瞬间扫描的姿态参数（即仪扫描坐标系相对于大地坐标系的旋转参数，也 称为角元素）为（P、Q、R），可以坐标变换得到测点任一点在大地坐标系中的坐标F （X YZ）。图1-1：扫描仪扫描原理由此看出激光三维扫描系统需要解决如下问题：测量扫描仪到目标点间的距离；测 量扫描瞬间激光束在扫描坐标系中的位置；测量扫描仪中心在大地坐标系中的瞬间位置; 测量扫描仪的姿态；目标点色彩信息的采集。前两个问题可由扫描仪解

13、决，扫描仪中心 在大地坐标系中的坐标可由随机的动态差PS来测量，测量扫描仪的姿态由高精度姿态测 量装置求出，点的色彩信息由扫描仪的高分辨率相机拍照完成。图1-2： GPS差分定位原理激光三维扫描系统的关键问题：一是定位测量和姿态测量的同时性问题；二是数据冗余 问题，大量的数据将使计算系统瘫痪，需要利用相关的数据压缩技术保留反映目标特性 的信息、取掉无关的信息；三是多图象或多测站成果的拼接问题；四是数据过滤问题， 从激光采样点数据中去除测量躁声；五是目标物体的判断和识别。1.2、三维激光扫描技术的特点：非接触性。不需要接触目标，即可快速确定目标点的三维信息，解决了危险目标的测 量、不宜接触目标的

14、测量和人员无法达到目标的测量等问题。快速性。激光扫描的方式能够快速获得大面积目标的空间信息，对于需要快速完成的 测量工作尤其重要。数据采集的高密度性。可以按照用户的设定采样间隔对物体进行扫描，这样对那些先 前用传统的测绘方法无法进行的测绘就变的比较方便，比如雕塑和贵重文物及工艺品的测 绘。穿透性。改变激光束的波长，激光可以穿透某些特殊的物质，比如水、玻璃和稀疏的 植被等，这样可以透过玻璃、穿透水面、穿过植被进行扫描。主动性。主动发射光源，不需要外部光线，接收器通过探测自身发射出的光经反射后 的光线，这样，扫描不受时间和空间的限制。全数字化。三维扫描仪得到的“点云”图为包含采集点的三维坐标和颜色

15、属性的数字 文件，便于移植到其它系统处理和使用，如可以作为GIS的基础资料。1.3、三维激光扫描的精度意义三维激光扫描的精度指扫描点的定位精度，包括扫描点的绝对定位精度和点与点间的相 对定位精度。根据激光测距、激光扫描以及扫描仪姿态测量的原理，可以得出任一扫描点的绝对中误 差沿三个坐标轴的分量为：】二；三次】”+ ：次】二：:+*次:二；：:】壬二三_X】：+弓x】M +壬：x:.：M=x：n Hx圣上式中，f为函数相对于各个直接测量值的偏导数，ms、mM、mN分别为扫描仪距离测 量、竖直角测量和水平角测量的精度。对于ms，包含两项误差：距离测量的固定误差皿和相 对误差md =KXS （S为扫

16、描仪到扫描点间的距离）。两点间的相对定位误差由绝对定位误差可以求出。空间两点间的距离为：_、）-1.1 _）（1.3-2）结合式（1.1.4-1）和（1.1.4-2）应用误差传播律可以计算出两点间的长度误差MD, 则相对误差为：K=MD/D如果所求的两点位于两个不同的测站，还应该考虑模型的拼接误差对两点间的相对定位 误差的影响。1.4、三维激光扫描的分辨率扫描的分辨率指扫描的点采样间隔，反映了对物体的扫描精细程度。对每一个目标的扫 描，都需要事先设置扫描分辨率。地面测量型三维激光扫描仪属于线性扫描方式，扫描线的 间隔和扫描线上点的间隔均按照角度来定义。下表为TRIMBLE GX扫描仪在100米

17、远处的目 标设置角度分辨率后所对应的点扫描采样间隔。表bl： TRIMBLE GX扫描仪分辨率设置距离设置方式角度设置方式水平竖直距离水平水平mmmmMf V ffPreview30030010010f 1810 18”Medium1001001002626”High3030100r 1距离扫描仪远近不同的目标，点的扫描采集间隔不同。距离扫描仪远的地方，目标物体 被扫描得粗糙；反之，目标物体被扫描得精细。同理，远处的目标扫描精度低，近处的目标 扫描精度高。图1-3：目标的远近和分辨率的关系这样，在扫描测绘中，为了得到统一的扫描分辨率和扫描精度，应该将远近不同的目标 分开扫描，并根据距离的远近设

18、置扫描分辨率。第二章三维扫描测绘中点云的拼接2.1、拼接及类型2.1.1、拼接的概念所谓拼接，就是将不同坐标系下的点云数据转化到大地坐标系或同一坐标系中。假设一 个完整的长方体W被分成A、B、C三块，拼接就是找到“块”与“块”间的关系，恢复成 原来的状态，拼接又称为“配准”。空间内任意的两个三维坐标系的配准需要经过九次变换。 假定一个坐标系统不动，另外一个坐标系需要分别进行沿三个坐标系的平移和绕三个坐标轴 的旋转，在这六个变换值中沿三个坐标系的平移称为坐标变换的坐标元素，绕三个坐标轴的 旋转角度称为坐标变换的角元素。由于地面测量型激光三维扫描系统没有姿态测量装置，拼 接的实质就是要求出坐标变换

19、的坐标元素分量和角元素分量及坐标变换的比例系数。由于习惯使用大地测量坐标为参照来描述物体的位置等空间属性（比如：我们描述建筑 所在的位置和长、宽、高等），因此不同扫描站得到的模型最终都要变换到大地测量坐标中 来。模型间的拼接在测量上称之为“相对定向”，将完成相对定向后的拼接模型置放到大地 测量坐标系中的工作在测量上称之为“绝对定向”。从空间解析几何可知，扫描目标的任一点在扫描坐标系与大地坐标系中的坐标关系式为：写成矩阵形式为:凶| 卫%勺丫耳）作）F 垣冬卜白外上述坐标变换公式中，（x0, y0, z0）表示扫描坐标系原点在固定坐标系中的坐标，九个 系数为两轴系间的方向余弦，即：(2.1.1-

20、3)(2.1.1-3)由此，可以得到任意一点在两个空间三维直角坐标系中的坐标变换关系通式：(2.1.1-4)(2.1.1-4)11(02 -VrR(ct) =)顼 ) = OZ1 OxJ嗣I200m* OvwScari up En ?5 ef*掘、OvwS can up to 350 ffleters| 口口噩图3-7：设置扫描参数3.2.5、启动扫描点击“ scan ”开始扫描。扫描前注意检查本次扫描总共用时间。该目标扫描完成后，检查是否完成，扫描参数设置是否正确等。无误后保存扫描结果。 退出本项目后关闭扫描仪电源，装箱搬站。3.2.6、新测站扫描在新的扫描测站上，重复上述步骤。唯一不同的是

21、需要先读入本项目数据。3.3、内业处理前的准备工作3.3.1、系统需求为了实现软件的运行，计算机系统须具备如下条件：处理器：Calculations using millions of points，内存：尽可能大的内存，通常要求有2G （最小1GB），显卡：独立显 卡，显存至少256M，硬盘：硬盘空间足够大，操作系统：Windows 2000 Pro, Windows XP， 鼠标：带缩放轮的三键鼠标。3.3.2、安装 RealWorks Survey安装RealWorks Survey按照相关提示操作即可。需要在选择的文件类型中，提供了三种 类型，其中、。】和PPF类型的文件是来自于Tri

22、mble 3D立体激光测量仪的文件，WNEU类型 的文件是符合美国信息交换标准代码文件格式的外部文件。3.3.3、获取授权RealWorks Survey软件系统需要有相关的授权才能使用。授权文件的后缀为“Dat ”或 “Lic”，在经销商处取得授权文件后，安装并替换原有的文件即可。3.4、RealWorks Survey 图形窗口简介3.4.1、窗口界面当运行RealWorks Survey后，将出现下图中的用户截面。只有打开一个项目后，相关功 能才变的可操作。界面中包括菜单条、工具条“workspace ”窗口、“list ”窗口和“3D 显示窗口”。蛛.File dil Tools Mo

23、deing Display 3D Vfe询 WindnAJ Help Q蛛.File dil Tools Modeing Display 3D Vfe询 WindnAJ Help Q鸯1Modsirg*七LEGLI5EL，匡修-5 -9品B 客自，胡,| 噌| IiTkages |MamRProject doud Workspace (1 project) 畅 Project *国 EGL15H图3-8：扫描用户界面3. 4.2、系统参数配置在参数设置中可以设置系统的用户参数，包括：视图参数、常规参数、用户数据的单位 等。在视图参数中可以设置：是否显示坐标系统、是否在移动过程中锁定2轴（绕Z轴

24、旋转、 是否自动旋转、是否自动采样（旋转、显示时系统自动按照相关条件采样显示）、3D视图的 比例（是否将视图的比例显示到屏幕上）以及背景色等。在常规参数设置中可以设置：操作回退的步数、临时文件的存放目录、坐标系统（可选 择几何坐标或测量坐标）和语言。在常规参数设置中可以设置：设置小数点位数和长度、角度的单位。3.4.3、工作模式切换RealWorks Survey包括三个主要的工作模式：测量模式OfficeSurvey、拼接模式 Registration和模型处理模式Modelingo每个工作模式对应一种处理状态，点击“Window/ Toolbars/tools ”可以在三种模式间切换。3.

25、 4.4、树形组织在三种工作模式下，RealWorks Survey是以树形目录组织数据的。在拼接模式下，树 形目录中包括：扫描列表（测站和外部测量文件、目标列表和图像列表（扫描仪图像、生成 的正射影像和导入的外部图像文件）。在测量模式下，树形目录中包括：模型列表（点云列 表和建立的目标列表）和图像列表（扫描仪图像、生成的正射影像和导入的外部图像文件）。 在模型模式下，包括：模型列表（点云列表和建立的模型列表）和图像列表（扫描仪图像、 生成的正射影像和导入的外部图像文件）。选择某一个列表项后，在“workspace”窗口下端显示相应的列表内容。3. 5、整理外业测量资料3. 5.1、外业测量资料收集将外业测量数据归类，按照事先设计