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1、目 录 中文摘要 ABSTRTCT. 第一章 绪论1 1.1 引言.1 1.2 研究背景1 1.3 研究意义2 1.4 本文的研究内容3 第二章 地面三维激光扫描技术.4 2.1 三维激光扫描仪的分类4 2.1.1 激光扫描系统的分类.4 2.1.2 三维激光扫描仪工作原理.5 2.3 三维激光扫描技术的特点.7 2.4 国内外研究现状8 2.4.1 国内外三维激光扫描技术的发展现状.8 2.4.2 国内外三维模型重建的发展现状.9 2.5 三维激光扫描技术的应用10 2.5.1 变形监测10 2.5.2 历史古建筑物的保存与恢复10 2.5.3 在城市建设中的应用10 2.5.4 复杂工业设
2、施的测量10 2.5.5 在其他方面的应用10 第三章 三维模型重建.11 3.1 相关概念介绍.11 3.2 数据获取.12 3.3 三维激光扫描工作流程.12 3.4 数据预处理与初始模型建立.13 3.4.1 点云拼接14 3.4.2 点云去躁和目标建筑物提取15 3.4.3 点云精简16 3.5 数据网格化17 3.6 纹理映射.17 第四章 三维重建的精度分析.17 第五章 模型重建实例.19 5.1 办公室模型实验分析.20 5.1.1 三维点云模型20 5.1.2 三维表面网格模型22 5.1.3 实体模型22 第六章 总结.23 6.1 本文所做的工作.23 6.2 结论和建议
3、24 致 谢.25 参考文献26 基于三维激光扫描技术的三维模型重建 摘摘 要要 摘要：三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术。作为一项 新的数据获取手段，以其可以非接触、快速、精确、高时性、大量测量目标物 的三维坐标数据的优势广泛应用于各个研究领域，同时，三维激光扫描技术可 以深入到任何复杂的现场环境及空间中进行扫描操作，克服了传统测量技术的 局限性，逐渐受到人们的喜爱和关注。同时，基于三维激光扫描技术的三维模 型重建通过三维激光扫描仪获取建筑物的点云数据，通过对点云数据进行预处 理、配准、网格化等处理来恢复建筑物的三维模型，它无需对实物表面进行任 何处理，从实物中采集目标的真
4、实数据，所以所得到的模型具有更好的几何完 整准确性、更强的真实感，使计算机视觉更加客观真实。 关键词 三维模型重建点云数据网格化简 BASED ON THE RECONSTRUCTION OF THREE-DIMENSIONAL MODEL OF THE 3D LASER SCANNING TECHNOLOGY ABSTRTCT Abstract：Three-dimensional laser scanning technology is an advanced automatic high precision three-dimensional scanning technology. As
5、 a new data acquisition means its can be non-contact, fast, accurate, high when the advantages of three- dimensional coordinates of the target data, a large number of measurements are widely used in various research areas, at the same time, three-dimensional laser scanning technology into any comple
6、x field of environment and space in the scanning operation, to overcome the limitations of traditional measurement techniques, and gradually loved by the people and concerns. The same time, through the three- dimensional laser scanner based 3D model reconstruction of three-dimensional laser scanning
7、 technology for building point cloud data pre-processing, registration, grid processing point cloud data to restore the three-dimensional model of the building, it physical surface without any treatment, real data collected from the physical target, so the resulting model has a better geometric comp
8、lete accuracy, more realistic, more objective and real computer vision. KEY WORDS 3D model reconstruction,Point cloud data,Mesh simplification 第一章 绪论 1.1 引言 三维激光扫描技术是测绘领域地又一次技术的新突破，它可以快速、准确、 大量的获取物体的三维空间信息，这些三维空间信息是各项工程建设的基础， 但由传统测量方式得到的数据采样率低，还有一定的局限性，不能准确的表达 实物的几何信息和真实状况。三维激光扫描技术借助其无接触、实时性强、大 量快速获
9、取物体表面三维坐标数据信息的优势，突破了传统测量技术的局限性， 在国内外都有很好的发展和应用。 利用三维激光扫描技术来进行三维模型的重是通过地面三维激光扫描仪快 速获取目标物的大量点云数据，通过对点云数据进行预处理、点云拼接、数据 精简、特征提取等步骤来恢复建筑物的三维模型，它直接从实物中采集目标的 真实数据，无需对实物表面进行任何处理，所以所得到的模型具有更好的几何 完整准确性、更强的真实感，使计算机视觉更加客观真实，因此，基于三维激 光扫描技术的三维模型重建有很好的发展前景。 1.2 研究背景 HHess(Leica公司前任CEO)曾说过“全站仪测量是20世纪80年代的技术， GPS测量属
10、于90年代，而地面三维激光扫描是2l世纪当前的测量技术1”。 三维激光扫描技术，又称“实景复制技术”。它通过激光扫描测量的方法， 获取被测对象表面的三维坐标数据。采集空间点位信息，快速建立物体的三维 影像模型的一种技术手段。 三维激光扫描技术是二十世纪九十年代中期开始的 一项测绘技术的新突破，在最近几年迅速发展并日渐成熟。三维激光扫描技术 被认为是一种“实景复制技术” ，它是一种主动测量技术，具有无接触、精度高、 实时性强、快速、全数字特征等优点，不但可以节约成本、降低劳动强度，而 且其输出格式可直接与CAD、三维动画等工具软件接口，故使用很方便。地面 三维激光扫描仪使测绘从传统的单点数据采集
11、变为密集、连续的自动获取数据， 使采集到的三维空间信息更加完整，还提高了工作效率，拓宽了测绘技术的应 用领域。比如在古建筑物的修复和保存方面，可以通过无接触来采集点云数据 并建立文物的表面模型，所以在文物遭到破坏后能及时而准确的提供修复数据。 在大型土木工程方面，可以获取施工前的局部精细地形图，为工程前期的勘测 设计提供基础资料2。可以说三维激光扫描技术使测绘领域进入了一个新的发 展阶段。 随着三维激光扫描技术的不断发展和三维激光扫描仪成本的下降，地面三 维模型的重建也越来越普遍。利用激光扫描仪得到的扫描数据进行三维地面实 物模型重建首先对激光扫描仪扫描的数据提前处理一下，然后再对激光扫描仪
12、获取的数据进行数据的配准，统一在同一个坐标系统条件之下，之后还要进行 网格化等来建立三维模型。与建立在图像基础上进行的地面三维模型重建相比 较，这种建立在激光扫描获取的扫描数据进行的三维地面实物的模型重建不但 能够建立具有很强的三维立体模型，而且用这种激光扫描数据建立的三维地面 实物模型具有更好的真实感，除此以外，这种模型的立体感也比利用图片建立 的三维地面实物模型具有更高更准确的的几何信息。利用激光扫描技术获得的 扫描数据建立的地面实物立体模型能够更好的在计算机世界中再现出现实中的 地面实物 我们知道，在现实世界中，所有物体都是具有三维空间信息的，因此，利 用计算机重构现实世界中存在的全部实
13、体是我们一直都感兴趣的研究问题，三 维激光扫描技术还可以无需对实物表面进行任何处理，从实物中采集目标的真 实数据来重建三维模型，该模型将具有更强的真实感，更准的几何信息。因此， 基于三维激光扫描技术的三维模型重建值得我们关注并进一步研究。 1.3 研究意义 三维激光扫描仪作为一项新的数据获取手段，还可以深入到任何复杂的现 场环境及空间中进行扫描操作，并直接将各种大型的、复杂的、不规则、标准 或非标准等实体或实景的三维数据完整的采集到电脑中，进而快速重构出目标 的三维模型及线、面、体、空间等各种制图数据3。它虽然凭借其明显的优势 广泛的应用于数字城市建设、工程建设等各种领域，目前，在小型地面实物
14、的 三维模型重建这项研究方面发展的己经非常成熟。在较大型的地面实物的三维 模型的重建方面的研究虽然已经取得了突破性的发展，但是还是有许多不完善 的地方需要进一步研究，在大型地面实物模型重建方面还有很大的发展前景， 但正因为它是一种新的技术手段，在好多方面还不太成熟，在具体应用过程中 还存在各种问题需要研究解决。比如运用什么样的方法来重建立体感较强的地 面实物的三维模型，研究激光光斑的发散性对实体边缘和角落信息识别的影 响，对扫描过程中存在的各种误差进行分析，研究扫描点云数据的误差传播规 律，扫描数据的“盲区”的现象，扫描视场的局限性等。基于三维扫描仪获取 的三维扫描数据基础上的三维地面实物模型
15、重建技术普遍适用性差、推广率低 的缺点造成了该项技术的缓慢发展，如何应用点云数据建立实体表面模型，评 价重建后的模型的精度，如何使三维激光扫描系统校正体系更加完善完善等问 题都是目前地面三维激光扫描技术应用中亟待解决的4。我们相信随着学者们 的深入研究，这些问题都会得到逐步解决，基于三维扫描数据的地面三维模型 重建的技术将会更加成熟，广泛用于社会主义建设，推动社会的发展。 采用什么样地方法来快速高效的重建地面三维模型并对该模型进行精度评 定等上述问题都将会是我们以后研究的方向，如果采取有效的手段弥补应用中 的缺陷不足，对以后建立完整的三维空间数据模型，进行精确的地理空间数据 表达都有很重要的意
16、义。 1.4 本文的研究内容 由于空间数据非常多而且特别复杂没有什么规律，相应的，空间数据获取 方面也会面临有数据获取比较复杂，操作比较困难，工作量比较大，成本比较 高等方面的问题，但随测量技术水平的不断进步和提高、数据处理方法的不断 改进，上述的这些问题都将会逐步得到解决。最后真正实现最终数据的精确表 达，尽可能地满足不同层次用户和精度的工作需要。我将主要从利用三维激光 扫描仪获取扫描数据的三维激光扫描技术和和地面三维实物模型重建两个方面 进行详细介绍。本文的主要研究内容如下： （1）阐述三维激光扫描技术的工作原理、简单的介绍各种类型的地面激光 扫描仪。 （2）介绍三维激光扫描技术相对于传统测量技术独有的特点，分析了国内 外的研究现状，介绍了三维激光扫描技术目前在工程建设方面的应用。 （3） 简单介绍说明利用弟买按三维激光扫描技术来进行地面三维实物模 型重建的基本流程并对每个步骤进行简单阐述。 （4） 以具体的模型重建实例来直观地说明基于三维激光扫描技术的三维 模型重建成果。 第二章 地面三维激光扫描技术 三维激光扫描技术是继GPS之后的测绘领域的又一
