【正文】 有數(shù)據(jù)獲取比較復(fù)雜，操作比較困難，工作量比較大，成本比較高等方面的問題，但隨測量技術(shù)水平的不斷進(jìn)步和提高、數(shù)據(jù)處理方法的不斷改進(jìn)，上述的這些問題都將會逐步得到解決。 （ 2）介紹三維激光掃描技術(shù)相對于傳統(tǒng)測量技術(shù)獨(dú)有的特點(diǎn)，分析了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，介紹了三維激光掃描技術(shù)目前在工程建設(shè)方面的應(yīng)用。它突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，而且傳統(tǒng)測量所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如 CAD出圖）， 數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)代替二維，三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)直接包含點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息甚至還有其他關(guān)鍵信息。 三維激光掃描儀的分類 現(xiàn)在，不同型號的掃描儀，其種類、功能都不太相同 。其中，短距掃描儀適合小型地面實(shí)物測量，中距掃描儀設(shè)和較大型地面實(shí)物測量，長距掃描儀適合大型地面實(shí)物測量。各種類型的激光掃描儀在測量范圍、測量精度、測量速度、采樣精度等方面都有一定的區(qū)別 [7]。三維激光掃描系統(tǒng)本身主要包括激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)， 同時(shí)也集成 CCD和儀器內(nèi)部控制和校正系統(tǒng)等。通過計(jì)算脈沖返回的時(shí)間得到物體的觀測距離，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測站的空間坐標(biāo)。 基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 7 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn) （ 1）非接觸測量。 （ 3）實(shí)時(shí)、動態(tài)、主動性。 （ 5）數(shù)字化、自動化采集。 （ 7） 擴(kuò)展性強(qiáng)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 三維激光掃描技術(shù)可以不受時(shí)間和空間的限制 獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，以其全數(shù)字、快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采 集從靜態(tài)的單點(diǎn)測量到動態(tài)跟蹤、三維測量的轉(zhuǎn)變。 2020年， ，提取了場景內(nèi)的部分實(shí)物，研究出了三維實(shí)物模型重建的編輯和移動的兩個(gè)功能，2020年， Stamos I和 Allen PK發(fā)明了能夠在相同的時(shí)間條件下獲取地面實(shí)物的彩色和深度圖片，并根據(jù)獲得的圖片建立相應(yīng)的地面實(shí)物的模型的系統(tǒng)， 并最終恢復(fù)出具有照片真實(shí)感的三維模型， 2020年，在歷史古建筑物的三維建模上用了該系統(tǒng)，并取得了一定效果 [14]。同時(shí)，這幾年，在古建筑修復(fù)測繪和文物考古領(lǐng)域也得到了新的發(fā)展，比如 2020年，在對秦俑二號遺址進(jìn)行發(fā)掘的同時(shí)引入地面激光掃描技術(shù)，同步采集和處理遺址挖掘過程的相關(guān)信息并建立數(shù)字立體 模型。 目前，國內(nèi)外在基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建技術(shù)方面的研究已經(jīng)逐漸完善，更加成熟，但是，我們對重建效果的要求也更加嚴(yán)格 ，因此，各種研究學(xué)者接下來的研究工作將在重建中的細(xì)節(jié)問題上側(cè)重，比如三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理、網(wǎng)格簡化、建筑物表面紋理修復(fù)等。 基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 10 三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用 變形監(jiān)測 傳統(tǒng)變形監(jiān)測是在易變形的地方進(jìn)行監(jiān)測，因此，得到的信息是不完整的，不能代表目標(biāo)物的整體變形情況，但三維激光掃描技術(shù)可以采集到目標(biāo)物的全部數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)監(jiān)測體的局部細(xì)節(jié)變化，我們可以通過分析， 做出對監(jiān)測體的正確評估 [15]。 復(fù)雜工業(yè)設(shè)施的測量 用傳統(tǒng)測量方法測量復(fù)雜工業(yè)設(shè)備，效率非常低下，而利用激光掃描儀可以進(jìn)行分段掃描并生成模型，為設(shè)備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型參考，極大提高了工作效率 [16]。 為了加強(qiáng)對三維激光掃描技術(shù)和基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建的過程的理解，我將對一些基本的相關(guān)概念進(jìn)行簡單介紹。 （ 2） 掃描坐標(biāo)系：即局部坐標(biāo)系，指地面激光掃描儀內(nèi)部的球面坐標(biāo)系統(tǒng)。 （ 6） 特征提?。簭某醪侥Ｐ蜕咸崛「鱾€(gè)特征結(jié)構(gòu)，特征要素的提取和重新組合對建模效果有直接影響。 地面激光掃描儀，準(zhǔn)確快速地獲取目標(biāo)物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，雖然采集的數(shù)據(jù)多而準(zhǔn)確，但是不合理的數(shù)據(jù)會增加我們不必要的工作量，因此，在掃描目標(biāo)物時(shí)，我們要調(diào)節(jié)好掃描儀的水平、垂直掃描角度并設(shè)置好掃描參數(shù)。 由于三維激光掃描儀 GPS、 CCD 數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件等的配合使三維激光掃描系統(tǒng)由很 大的空間數(shù)據(jù)獲取能力，在各個(gè)系統(tǒng)的分工和配合下，目標(biāo)物表面三維信息、目標(biāo)物表面圖像信息、大地坐標(biāo)同時(shí)獲取并經(jīng)過相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理來進(jìn)行三維建模，憑借其非接觸性測量、實(shí)時(shí)動態(tài)性、高分辨率、高密度、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。其中 in 和 1n 分別為第 i 個(gè)平面的法向量， iw 為第 i 個(gè)平面的特征權(quán)值；再通過最小化?????? 2k 1i iii tRmmnwi?? ?并對 t 求導(dǎo)，就可以得到平移向量 t，其中 im 和為第im? 個(gè)平面的重心。 三維模型重建后得到的目標(biāo)物的真實(shí)坐標(biāo)是以大地坐標(biāo)系表示出來的，而通過激光掃描儀獲取的 點(diǎn)云 數(shù)據(jù) 坐標(biāo)是依局部坐標(biāo)系表示出來的， 它不僅記錄了掃描點(diǎn)的空間坐標(biāo)，還記錄了反射率的空間信息 。 掃描儀掃描參數(shù)設(shè)置、目標(biāo)物表面的質(zhì)量、遮擋物、儀器自身原因和人為操作原因都可能引起雜點(diǎn)，若點(diǎn)云數(shù)據(jù)不經(jīng)過任何處理而直接應(yīng)用，肯定會影響曲面精度，曲面甚至無法擬合，我們必須將這些影響模型重建精度的雜點(diǎn)剔基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 16 除。對于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整的掃描線數(shù)據(jù)我們可以采用的數(shù)據(jù)處理方法有最小二乘濾波、孤立點(diǎn)排異法、卡爾曼濾波法。 點(diǎn)云精簡 經(jīng)過噪聲去除和點(diǎn)云濾波過后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量還是相當(dāng)大的，這將會產(chǎn)生很大的計(jì)算工作，還會數(shù)據(jù)處理的速度降低，在最快的速度用最少的點(diǎn)來表示更多的信息是我們追求的，因此，我們可以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)來快速建模。 第四章 三維重建的精度分析 （ 1）控制點(diǎn)的誤差分析 ①觀測誤差 觀測誤差主要有測角和測距誤差共同影響。 （ 3）激光掃描過程中的誤差分析 ①掃描儀的對中誤差 掃描儀架設(shè)在已知控制點(diǎn)上采集目標(biāo)物的表面數(shù)據(jù)，其對掃描點(diǎn)的影響愈全站儀的對中誤差對測角誤差的影響是一樣的。 三、與目標(biāo)物體反射面有關(guān)的誤差，主要有目標(biāo)物體反射面傾斜和反射表面粗糙度影響的誤差。對于物體表面非常光的目標(biāo)物來說，很容易產(chǎn)生鏡面反射， ，當(dāng)大部分的入射光照到待測物體時(shí)產(chǎn)生了鏡面反射，這時(shí)需要先進(jìn)行霧化處理之后再進(jìn)行測量。 第五章 模型重建實(shí)例 前面我們已經(jīng)介紹了三維激光掃描技 術(shù)以及對基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建的流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并引入了一些相關(guān)概念和理論知識，對三維模型重建有了更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識，本章我們將會對基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建有直觀的認(rèn)識。（ 2）基于表面的 表示。 三維點(diǎn)云模型 本實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了六個(gè)掃描站，從六個(gè)不同角度對該辦公樓進(jìn)行掃描，對得到的六片合格的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理，去掉六篇點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的雜點(diǎn)并用相應(yīng)的方法進(jìn) 行點(diǎn)云拼接，下圖為第一站點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除雜去躁后的對比效果。所以三維點(diǎn) 云模型并不能完整的描述該辦公樓的表面信息，只能表示辦公樓的大概輪廓。本文主要介紹了三維激光掃描技術(shù)及三維激光掃描技術(shù)在三維模型重建方面的應(yīng)用，主要完成了以下工作： （ 1） 第一章緒論部分引出三維激光掃描技術(shù)這一新技術(shù)，并分析了它具有很好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值，這也是我選這個(gè)課題作為研究的原因。 結(jié)論和建議 與傳統(tǒng)測量手段相比，三維激光掃描可以快速大量獲取目標(biāo)物表面的三維空間信息，不但很大程度地減少了勞動強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率，而且采集到的信息比較 完整，好提高了測量精度，使重建后的三維模型幾何信息更準(zhǔn)確，真實(shí)感更強(qiáng)，這已經(jīng)非常符合我們對三維模型重建的要求了。最后，我還要感謝測繪工程的同學(xué)們，大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活很充實(shí)，很豐富，謝謝同學(xué)對我的關(guān)心、照顧和支持， 大家團(tuán)結(jié)協(xié)作、互相幫助形成的良好學(xué)習(xí)和生活氛圍為我的學(xué)習(xí)成長創(chuàng)造了良好的條件。 基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 25 致 謝 首先，我要特別感謝我的論文指導(dǎo)老師肖老師，本篇論文是在肖老師的諄諄教誨下完成的，從論文的資料收集、思路整理以及寫作過程中遇到的各種問題，謝老師都給予了我合理的建議和恰當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)，然后我還要感謝學(xué)校圖書館的豐富資料，使我在寫作時(shí)方便查閱最新最準(zhǔn)確的資料，通過查閱資料，使我認(rèn)識了三維激光掃描技術(shù)這一繼 GPS 之后的測繪領(lǐng)域上的又一新突破，還對它在各方面的應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解，特別是對基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建這 一應(yīng)用有了很深的了解。 （ 3） 第三章主要介紹了基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建，我們最基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 24 終獲得的模型應(yīng)當(dāng)最大限度的逼真實(shí)體，直觀清晰地表現(xiàn)建筑物的結(jié)構(gòu)、 外形和表面特征，在本章中，我介紹了三維重建的具體流程：點(diǎn)云處理預(yù)處理和初始模型建立、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化和紋理映射，并詳細(xì)介紹了各個(gè)流程的具體工作和方法。 在 Geomagic Studio 軟件中對上面拼接好的點(diǎn)云模型進(jìn)行封裝，軟件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照生成 TIN 三角網(wǎng)的規(guī)則對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格化，模型的表面就由生成的三角形網(wǎng)格面表示，如圖 5圖 55 所示： 圖 54 整體網(wǎng)格模型 圖 55 局部網(wǎng)格模型 實(shí)體模型 對網(wǎng)格模型 進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后就可以生成建筑物的實(shí)體模型，實(shí)體結(jié)構(gòu)能基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 23 夠很好地表達(dá)建筑物的外形及結(jié)構(gòu)特征，也能夠描述建筑物的表面信息，能夠直觀的再現(xiàn)建筑物的原貌。 圖 51 原始數(shù)據(jù)圖 基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 21 圖 52 去噪效果圖 同理，我們對其他五個(gè)掃描站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行相同的處理，得到六塊明朗、清晰地點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后再進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)云拼接，可以使用靶標(biāo)法和控制點(diǎn)法來進(jìn)行點(diǎn)云拼接，本實(shí)驗(yàn)中我們用的是靶標(biāo)法，我們可以按前面敘述的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接，六塊點(diǎn)云拼接之后的模型整體點(diǎn)云效果如圖 53 所示。（ 3）基于實(shí)體的表示，它能以很小的數(shù)據(jù)量來描述一個(gè)復(fù)雜的物基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 20 體。 合適的三維模型表示方法可以提高三維重建效率，按照重建物體的物體特征不同的分類，常用下面幾種方法表示：（ 1）基于點(diǎn)的表示。同時(shí)， 由于三維激光回波信號有多值性的特點(diǎn)，有些三維激光掃描系統(tǒng)只能處理首次或最后一次反射回來的回波信號，有的可以綜合處理兩次反射回來的回波信號。激光腳點(diǎn)光斑的大小 d、激光發(fā)射孔徑 D和激光光束發(fā)射角 γ 存在下面的關(guān)系 : ???????? 2rS ta n2Dd 式 43 其中 S 為激光發(fā)射點(diǎn)到物體表面上激光腳點(diǎn)中心的距離。 一、外界條件環(huán)境誤差：主要受氣壓、溫度因素的影響。 （ 2）全站儀對中誤差。 數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 原始三維數(shù)據(jù)經(jīng)過點(diǎn)云拼接已經(jīng)可以能夠提取出完整且平滑的背景層空間數(shù)據(jù)點(diǎn)云，三角網(wǎng)格化更進(jìn)一步的增加模型的真實(shí)性，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化是以三維立體平面形式表示出來的 ，它是由點(diǎn)云數(shù)據(jù)階段到平面數(shù)據(jù)處理階段過渡的過程，它是點(diǎn)云預(yù)處理的最后一步，也是點(diǎn)到面必經(jīng)的一步，經(jīng)過精簡處理的點(diǎn)云數(shù)據(jù)已經(jīng)可以大概的表現(xiàn)出目標(biāo)物的輪廓、結(jié)構(gòu)等信息，數(shù)據(jù)網(wǎng)格化根據(jù)點(diǎn)云的結(jié)構(gòu)、點(diǎn)的分布構(gòu)建出無數(shù)個(gè)以數(shù)據(jù)點(diǎn)為頂點(diǎn)的 TIN 三角形，然后構(gòu)成模型的一個(gè)表面，我們