基于三维激光扫描技术的三维模型重建

基于三维激光扫描技术的三维模型重建内容摘要：

维激光 扫描系统主要由由三维激光扫描仪、扫描仪旋转平台、数据采集系统、数据处理系统共同构成，集多种高新技术与一体，获取三维空间信息 [9]。 基于三维激光扫 描技术的三维模型重建 7 三维激光扫描技术的特点 （ 1）非接触测量。 即不需要安置反射棱镜也不需 要接触目标物，可以直接获取目标物表面点的三维的高分辨率的数据而 且目标物的表面也不用进行任何处理，而且所采集到的数据完全真实可靠，突 破了传统测量技术在环境恶劣、目标危险、人员无法到达而不能测量的缺陷，因 此，在简化了测量工作的同时也保证了测量人员的安全，避免了他们在复杂危险 的环境下作业 [10]，在解决目标危 险或人员无法到达的情况下，具有非常明显的优 势。 （ 2）快速而且数据采样率高。 通过三维激光扫描 技术可以大量快速的获取目标物的三维空间信息，不但减少了工作时间 ，而且可以及时的获取目标的空间信息，满足了现代测量的需求。 （ 3）实时、动态、主动性。 地面三维激光扫描系 统通过探测自身发射的激光脉冲回射信号来描述目标信息，使得该测量 不受时间和空间的限制，系统发射的激光束是准平行光，避免了常规光学照相测 量中固有的光学变形误差，这使实体实景的结构属性和空间形态的描述更加准确 和完整，同时，采集的三维数据更加具有准确实效性 [11]。 （ 4）高分辨率、高精度和高密度。 在精密传感工 艺的支持下，对目标物进行自动立体采集，采集的点云数据由点的位置 坐标数据构成，避免了由人工推导计算而产生不确定性的差错，提高了测量成果 的精度。 （ 5）数字化、自动化采集。 数字自动化是当今社 会发展的不可避免的趋势，满足了现代测量的需求 [12]。 （ 6）可以与内（外）置数码相机和 GPS系统配合使用。 它们的配合使用拓宽了三维激光扫描技术的使用范围，增强了使 用功能，更全面、更准确的获取更高精度的三维信息。 （ 7） 扩展性强。 得到的数据能够与其他软件进行数据共享及交换，可 以和GPS、外接数码相机配合使用，更好的拓宽了它的应用范围，使用外置数码相机的，增强了彩色信息的采集，更加全面的获取扫描得到的目标信息。 GPS定位系统的应用，使得三维激光扫描技术与工程的结合更加紧密，具有较好的扩展性，也近一步提高了侧量数据的准确性。 由于三维扫描技术的独特优势，它被广泛应用于各项工程建设领域，我们知基于三维激光扫 描技术的三维模型重建 8 道，传统的三维数据获取主要有 :GPS高精度定位 、 三维坐标测量机 、 全站仪等 ，但它们是单点采集， 三维激光扫描技术无需设置反射棱镜，在人员难以企及的危险地段可以进行无接触测量 ，可以高密度、高分率的获取 物体表面的三维空间信息，但是目前其测量精度 还不算很高。 国内外研究现状 国内外研究现状 三维激光扫描技术可以不受时间和空间的限制 获取高精度的三维数据，以其全数字、快速、实时性强的优势实现了数据采 集从静态的单点测量到动态跟踪、三维测量的转变。 激光技术的引入，使测绘领 域进入了继 GPS之后的一个新的发展阶段。 如 三维激光测量技术在 2020年的时候被美国宇航局 (NASA)成功应用于太空计划；通过整合多种技术，法国 MENSI公司研发了中距三维激光扫描系统MENSI S10／ $25及远距三维激光扫描系 统 MENSI GSl00／ GS200[13]。 国外在三维激光扫描方面的研究较早， 1994年， 激光扫描仪和高分辨率的彩色图像技术相结合重建了米开朗基罗的一个雕塑作品， 1997年，加拿大 NRC的 ELHaim等科研人员通过激光扫描仪和 CCD照相机固定在一个可以移动的小车上，建立了 DCR并在 1998年实现了一个室内场景的三维建模系统。 2020年， ，提取了场景内的部分实物，研究出了三维实物模型重建的编辑和移动的两个功能，2020年， Stamos I和 Allen PK发明了能够在相同的时间条件下获取地面实物的彩色和深度图片，并根据获得的图片建立相应的地面实物的模型的系统， 并最终恢复出具有照片真实感的三维模型， 2020年，在历史古建筑物的三维建模上用了该系统，并取得了一定效果 [14]。 虽然国内起步相对来说不算很早，但是在基于激光扫描技术的三维模型重建这项技术方面的发展还是不错的，许多学者在这方面也做了不少研究工作。 武汉大学的李必军利用奥地利的 Rigel扫描仪扫描建筑物，后从点云数据中获取建筑物的特征要素，最后利用这些特征要素进行三维重建， 从 21世纪开始，北京大学开始了一项关于三维模型建立的研究，研究组利用高分辨率的数码相机和激光扫基于三维激光扫 描技术的三维模型重建 9 描仪，并结合全方位的摄影系统，来对需要进行三维建模的地面实体进行数据信息进行采集，采集之后进行点云数据的配准和处理，最后进行三维地面实物的模型建立。 北京大学遥感和地理信息研究所得于海龙利用三维激光扫描技术进行了基于表面模型的重建方法研究。 同时，这几年，在古建筑修复测绘和文物考古领域也得到了新的发展，比如 2020年，在对秦俑二号遗址进行发掘的同时引入地面激光扫描技术，同步采集和处理遗址挖掘过程的相关信息并建立数字立体 模型。 通过传统测量仪器 通过测量仪器获得的离散点坐标来建立地面实物的三维模型是难以实现的，但是三维激光扫描技术可以使地面实物实现从二维到三维的转化，三维激光扫描技术应用的领域非常广泛。 三维激光扫描系统不但可以把各种各样的地面实体的几何和深度数据输入到计算机中，然后高效率的建立出地面实物的三维模型。 还可以直接进入到所要研究的区域内并且通过激光扫描仪获取的扫描数据还可以在后期工作中继续使用。 目前，国内外在基于三维激光扫描技术的三维模型重建技术方面的研究已经逐渐完善，更加成熟，但是，我们对重建效果的要求也更加严格 ，因此，各种研究学者接下来的研究工作将在重建中的细节问题上侧重，比如三维点云数据的预处理、网格简化、建筑物表面纹理修复等。 相信将来基于三维激光扫描技术的三维模型重建技术会更加简单普遍，广泛应用与各项工程建设。 目前，国内外在基于三维激光扫描技术的三维模型重建技术方面的研究已经逐渐完善，更加成熟，但是，我们对重建效果的要求也更加严格，因此，各种研究学者接下来的研究工作将在重建中的细节问题上侧重，比如三维点云数据的预处理、网格简化、建筑物表面纹理修复等。 国内外三维模型重建的发展现状 这些年来，随着 社会的发展及三维激光扫描技术成本的降低， 利用三维激光扫描仪快速高效获取高精度的建筑物的三维数 据重建出的三维模型几何信息相当准确，非常逼近实物，因此，地面实物模型 重建技术有很好的实际价值，值得我们做更进一步的研究。 基于三维激光扫 描技术的三维模型重建 10 三维激光扫描技术的应用 变形监测 传统变形监测是在易变形的地方进行监测，因此，得到的信息是不完整的，不能代表目标物的整体变形情况，但三维激光扫描技术可以采集到目标物的全部数据，可以体现监测体的局部细节变化，我们可以通过分析， 做出对监测体的正确评估 [15]。 我们还可以将定期扫描的 前后两次的点云数据进行叠加，对比分析这两次数据的差别，预测监测体的变形趋势和量级。 历史古建筑物的保存与恢复 由于文物处的历史价值使得我们不能在其表面粘贴测量标志，而三维激光扫描技术的无接触性测量很好的解决了这个问题，而且我们得到的是电子资料，方便保存，在当建筑物和文物遭到破坏后能及时而准确地提供修复和恢复数据，进而对文物进行修复。 在城市建设中的应用 在进行测站 GPS定位之后，三维激光扫描仪得到的点云数据与大地坐标系是一致地，因此导入后处理软件很容易得到 DLG或 DEM数据，用 DEM数据可以建立高精度的数字地面模型；用地物数据可实现城市三维模型的建立。 复杂工业设施的测量 用传统测量方法测量复杂工业设备，效率非常低下，而利用激光扫描仪可以进行分段扫描并生成模型，为设备的制造和工厂规划提供可视化的三维模型参考，极大提高了工作效率 [16]。 在其他方面的应用 三维激光扫描技术应用很广泛，除了上述应用外，在现在正在进行的地籍基于三维激光扫 描技术的三维模型重建 11 测量中，利用三维激光扫描仪形成三维图像，对获取到的三维点云数据进行分析建模，在电脑上进行量测，相对于传统的报表和图件形式，既方便精度又高；在现在的 雅安地震中，我们也可以通过三维激光扫描技术记录现场的真实情况并进行分析，方便我们的灾后重建工作。 其实，三维激光扫描技术的强项在三维模型重建方面，下面我将重点介绍三维模型重建的基本步骤并以具体实例介绍该项应用。 第三章 三维模型重建 相关概念介绍 随着社会的发展和科技的进步，目前，三维激光扫描技术广泛应用于数字城市建设、变形监测、历史文物保存和恢复等测绘领域。 为了加强对三维激光扫描技术和基于三维激光扫描技术的三维模型重建的过程的理解，我将对一些基本的相关概念进行简单介绍。 （ 1） 点云： 是在同一空间参考系下 表达目标空间分布和目标表面特性的海量点集合。 点云中点云的数量很大，有时可以达到几百万甚至几千万个。 它的多少取决于扫描仪自身参数、建筑物大小和扫描精度等因素。 （ 2） 扫描坐标系：即局部坐标系，指地面激光扫描仪内部的球面坐标系统。 （ 3） 全局坐标系：统一的全局坐标系，通常指大地坐标系，可以用传统测量方法（ GPS 或全站仪）获得。 （ 4） 点云滤波：将目标物的点云数据从其他点云环境中提出出将目标物的点云数据从其他点云环境中提出出来的过程。 （ 5） 数据精简：对海量点云数据进行压缩精简，留下对后续处理和建模有用的凝缩数据，删除不必要的空间数据。 （ 6） 特征提取：从初步模型上提取各个特征结构，特征要素的提取和重新组合对建模效果有直接影响。 （ 7） 纹理映射：将数码相机获得的图像信息恢复到模型表面的技术，可以通过重建模型的逼真的表面信息来产生仿真的视觉效果。 基于三维激光扫 描技术的三维模型重建 12 数据获取 三维激光扫描技术的关键在于如何快速获取物体的三维立体信息，现在有很多方法可以获取目标物的三维信息，三维模型重建后得到的目标物的真实坐标是以大地坐标系表示出来的，而通过激光扫描仪获取的数据是以用激光扫描仪的内部坐标系表示的，它不仅记录了扫描点的空间坐标，还记录了反射率的空间信息，因此，为了得到 模型的坐标，在点云数据进行建模之前，需要将扫描点的扫描坐标转化为大地坐标，这就需要配合其他仪器来完成。 随着三维重建技术水平的提高，逐步形成了以地面扫描仪为核心， 数据采集系统 、数据处理软件为辅助的点云数据采集和处理系统。 地面激光扫描仪，准确快速地获取目标物表面的点云数据，虽然采集的数据多而准确，但是不合理的数据会增加我们不必要的工作量，因此，在扫描目标物时，我们要调节好扫描仪的水平、垂直扫描角度并设置好扫描参数。 全球定位系统具有全天测量、定位精度高、可提供全球统一的三维坐标系的优势，在扫描过程用，我们可以 精确的测量出布设的控制点的坐标，这样可以为坐标转换提供参数，全站仪测量也可以满足该项要求。 在扫描目标物。