基于三维激光扫描技术的三维模型重建.docx

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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

Basedonthereconstruction

ofthree-dimensionalmodel

ofthe3Dlaserscanningtechnology

ABSTRTCT

Abstract：

Three-dimensionallaserscanningtechnologyisanadvancedautomatichighprecisionthree-dimensionalscanningtechnology.Asanewdataacquisitionmeansitscanbenon-contact,fast,accurate,highwhentheadvantagesofthree-dimensionalcoordinatesofthetargetdata,alargenumberofmeasurementsarewidelyusedinvariousresearchareas,atthesametime,three-dimensionallaserscanningtechnologyintoanycomplexfieldofenvironmentandspaceinthescanningoperation,toovercomethelimitationsoftraditionalmeasurementtechniques,andgraduallylovedbythepeopleandconcerns.Thesametime,throughthethree-dimensionallaserscannerbased3Dmodelreconstructionofthree-dimensionallaserscanningtechnologyforbuildingpointclouddatapre-processing,registration,gridprocessingpointclouddatatorestorethethree-dimensionalmodelofthebuilding,itphysicalsurfacewithoutanytreatment,realdatacollectedfromthephysicaltarget,sotheresultingmodelhasabettergeometriccompleteaccuracy,morerealistic,moreobjectiveandrealcomputervision.

KEYWORDS3Dmodelreconstruction,Pointclouddata,Meshsimplification

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

H．Hess（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次技术改革，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。

它突破了传统的单点测量方法，而且传统测量所测的的数据最终输出的都是二维结果（如CAD出图），数字化的今天，三维已经代替二维，三维激光扫描仪每次测量的数据直接包含点的空间坐标信息甚至还有其他关键信息。

三维激光扫描仪作为一种新的空间数据采集手段，因为可以快速获取大量三维空间信息，所以将具有广阔的发展空间，它将会成为一种普遍在测绘领域应用的新技术手段[5]。

本章我将会详细地介绍究竟什么是三维激扫描技术，了解几种常见的三维激光扫描仪，并说明利用三维激光扫描仪获取三维数据的原理、三维激光扫描技术的特有优势、国内外研究现状和在工程建设领域的一些应用。

为我们下一章理解基于三维激光扫描技术的三维模型重建打下了基础。

2.1三维激光扫描仪的分类

现在，不同型号的扫描仪，其种类、功能都不太相同。

我们应该根据我们的目的对三维激光扫描仪进行合理的选择，下面我将要简单地介绍一下各种类型激光扫描仪。

2.1.1激光扫描系统的分类

三维激光扫描仪的搭载平台有很多类型，搭载在飞机或卫星上的三维激光扫描仪系统属于机载型，搭载在活动的小车上的属于地面型。

按距离划分，把扫描距离小于3m的三维激光扫描仪归为短距扫描仪一类；把扫描距离大于3m小于30m的三维激光扫描仪归为中距扫描仪一类；把扫描距离大于30m的三维激光扫描仪归为长距一类；把搭载在飞机上的扫描距离大于1公里以上的三维激光扫描仪归为航空一类。

其中，短距扫描仪适合小型地面实物测量，中距扫描仪设和较大型地面实物测量，长距扫描仪适合大型地面实物测量。

按扫描仪的成像方式分类，有摄影扫描式扫描仪、全景扫描式扫描仪、混合型扫描式扫描。

按照扫描仪测距原理划分基于时间漂移原理（Time—of—flight）、基于相位测量原理（Phasemeasurement）、基于激光雷达或光学的三角测量原理（Opti—caltriangulation，LaserRadar）。

而基于三维激光扫描技术的三维模型重建是以地面三维激光扫描仪为基础的，在本章中，我将简单介绍地面固定式三维激光扫描仪系统[6]。

各种类型的激光扫描仪在测量范围、测量精度、测量速度、采样精度等方面都有一定的区别[7]。

三维激光扫描系统主要由三维激光扫描仪、数据采集系统、数据处理系统、旋转平台组成，数据采集系统主要作用是将图像采集卡送出的视频信号进行精密测量、高速存贮，并且主处理机在适当的时候取回数据，经过处理，形成三维数据，以便进行后续的模型重建等应用。

数据处理系统主要由计算机组成，包括计算机主机、接口、总线以及专用版卡，通过接口、总线和专用办卡将其它部分组合起来，工作时控制机械台的起停、转速由运动控制卡控制，图像由图像采集卡通过CCD摄像机采集，图像处理、数值计算在主机上进行。

旋转平台支撑整个扫描系统，平台上设置有方向角传感器，在指令的控制下，它进行平稳的启动、停止、运转，然后产生方位角脉冲信号，一遍视频采集部分能够从中分离出同步信号、方位角信号以及像点信号。

三维激光扫描系统本身主要包括激光测距系统和激光扫描系统，同时也集成CCD和仪器内部控制和校正系统等。

在仪器内，通过两个同步反射镜快速而有序的旋转，将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲一次扫过被测区域，测量每个激光脉冲从发出经被测物表面再返回仪器所经过的时间（或相位差）来计算距离，同时扫描控制模块控制和测量每个脉冲激光的角度，最后计算出激光点在被测物体上的三维坐标。

2.1.2三维激光扫描仪工作原理

三维激光扫描技术是二十世纪九十年代中期开始出现的测绘新技术并在最近几年得到迅速发展和广泛应用，是继GPS后的一项新技术，被称为“实景复制技术”。

其工作原理为：

首先由激光脉冲二极管发射出激光脉冲信号，经过旋转棱镜，射向目标，然后通过探测器，接受反射回来的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别的数据信息，经过软件处理实现实体建模输出。

通过计算脉冲返回的时间得到物体的观测距离，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空间坐标。

设测的的观测距离为S，精密时钟控制编码器同步测量每个激光脉冲水平方向扫描角度观测值α垂直方向扫描角度观测θ。

地面三维激光扫描测量一般使用内部坐标系统，X轴在水平扫描面内，Y轴在垂直扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，如图2-2所示，光扫描点的坐标的计算公式为[8]:

:

式2-1

图2-1地面三维激光扫描仪的原理

扫描过程中，在每个站点上都可以获取大量的点云数据，点云中每个点的位置信息都都在扫描坐标中以极坐标（α，ζ，d）的形式来描述，其中d为从物体表面反射点到仪器中心的距离，用传统测量手段获取控制点的大地坐标，然后将点云数据的扫描数据转换为大地坐标，应用与测绘领域的各项工程建设。

地面三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]。

2.3三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。

2.4国内外研究现状

2.4.1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2000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MENSIS10／$25及远距三维激光扫描系统MENSIGSl00／GS200[13]。

国外在三维激光扫描方面的研究较早，1994年，M.Levoy和他的队员用基将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EL-Haim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。

2001年，Y.YU等人在进行场内室内实物模型重建的过程的同时，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，2002年，StamosI和AllenPK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，2003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2005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。

2.4.2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。

2.5三维激光扫描技术的应用

2.5.1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。

2.5.2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。

2.5.3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。

2.5.4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]。

2.5.5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

3.1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