【正文】 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:. .. . ..學(xué)習(xí)參考 ????????2rStanDd 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，我們在網(wǎng)格化生成平面時(shí)要不定時(shí)的檢查平面質(zhì)量，因?yàn)楹罄m(xù)的特征提取是基于立體平面的，我們最終得到的三維模型必須是光滑、平整、真實(shí)的。一般情況下，我們是通過最小二乘擬合法來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，擬合多項(xiàng)式的次數(shù)不同擬合曲線接近地面實(shí)物的真實(shí)外形的程度也不同，次數(shù)越高，擬合曲線也越接近地面實(shí)物的真實(shí)外形，但我們不能通過增加它的次數(shù)來提高精度，因?yàn)橛锌赡茉斐赡骋粎^(qū)間內(nèi)大幅度的偏離真實(shí)圖形的后果，我們選用的多項(xiàng)式的次數(shù)一般不大于 7，在地形起伏的實(shí)物表面我們應(yīng)當(dāng)采用分段擬合的方法。一般情況下，我們通過肉眼直接剔除背景數(shù)據(jù)雜點(diǎn)，判別噪聲點(diǎn)和誤差點(diǎn)一般采用直接檢查法、曲線檢查法、弦高偏差檢查法和角度偏差檢查法。 點(diǎn)云去躁和地面實(shí)物的提取在測量作業(yè)時(shí)，由于各種測量誤差和不確定性誤差，比如儀器本身的誤差、. .. . ..學(xué)習(xí)參考操作人員的操作方式不正確、目標(biāo)物表面粗糙、遮擋物遮擋等，這些不可避免的誤差會(huì)使測量數(shù)據(jù)中不可避免的存在很多的雜點(diǎn)而影響曲面精度和模型質(zhì)量，因此我們必須刪除。對于像雕像、涼亭之類的小型物體的掃描測量時(shí)通過貼反射片的方法是非常方便的，而對于像體育館之類的大型建筑物采用靶球比較方便，對拼接精度要求較高的模型，我們可以同時(shí)使用靶標(biāo)球和反射片，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們可以根據(jù)靶球?qū)c(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗拼接，然后再根據(jù)反射片進(jìn)行精拼接來提高精度。其作業(yè)流程如下圖所示：圖 31 地面激光掃描系統(tǒng)工作流程圖設(shè)計(jì)掃描路線確定采樣密度確定設(shè)站數(shù)及位置工作計(jì)劃外業(yè)數(shù)據(jù)采集內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理點(diǎn)云拼接點(diǎn)云去噪特征提取點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡數(shù)據(jù)網(wǎng)格化建模紋理映射. .. . ..學(xué)習(xí)參考 數(shù)據(jù)預(yù)處理與初始模型建立對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即對原始數(shù)據(jù)再加工，比如消除雜點(diǎn)數(shù)據(jù)，補(bǔ)充遺漏的數(shù)據(jù)，平滑噪音數(shù)據(jù)等，這樣可以使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加完整準(zhǔn)確，原始掃描數(shù)據(jù)的質(zhì)量由掃描儀的儀器機(jī)器屬性、掃描環(huán)境和掃描方式和很多的各方面的不確定性因素共同決定，在從數(shù)據(jù)采集過程中不可避免的存在各種誤差，它們降低了實(shí)際測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中夾雜著非常多的噪聲點(diǎn)和背景物體雜點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)會(huì)使表達(dá)三維模型的數(shù)據(jù)出現(xiàn)遺漏或重復(fù)，因此，原始數(shù)據(jù)并不適合直接建模，為了能最大程度的還原目標(biāo)物的真實(shí)性，達(dá)到建模的要求，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)去躁、點(diǎn)云濾波、數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、精簡等預(yù)處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)建立初始模型的第一步，也是關(guān)鍵的一步，只有得到符合建模要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行后續(xù)處理工作。 在掃描目標(biāo)物表面的目標(biāo)信息時(shí)，可以同步用數(shù)碼相機(jī)來采集目標(biāo)物的圖像信息用于后期工作。 數(shù)據(jù)獲取三維激光掃描技術(shù)的關(guān)鍵在于如何快速獲取物體的三維立體信息，現(xiàn)在有很多方法可以獲取目標(biāo)物的三維信息，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數(shù)據(jù)是以用激光掃描儀的內(nèi)部坐標(biāo)系表示的，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，因此，為了得到模型的坐標(biāo)，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模之前，需要將掃描點(diǎn)的掃描坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)，這就需要配合其他儀器來完成。. .. . ..學(xué)習(xí)參考（4） 點(diǎn)云濾波：將目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從其他點(diǎn)云環(huán)境中提出出將目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)從其他點(diǎn)云環(huán)境中提出出來的過程。點(diǎn)云中點(diǎn)云的數(shù)量很大，有時(shí)可以達(dá)到幾百萬甚至幾千萬個(gè)。其實(shí)，三維激光掃描技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)在三維模型重建方面，下面我將重點(diǎn)介紹三維模型重建的基本步驟并以具體實(shí)例介紹該項(xiàng)應(yīng)用。 歷史古建筑物的保存與恢復(fù)由于文物處的歷史價(jià)值使得我們不能在其表面粘貼測量標(biāo)志，而三維激光掃描技術(shù)的無接觸性測量很好的解決了這個(gè)問題，而且我們得到的是電子資料，方便保存，在當(dāng)建筑物和文物遭到破壞后能及時(shí)而準(zhǔn)確地提供修復(fù)和恢復(fù)數(shù)據(jù)，進(jìn)而對文物進(jìn)行修復(fù)。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。三維激光掃描系統(tǒng)不但可以把各種各樣的地面實(shí)體的幾何和深度數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，然后高效率的建立出地面實(shí)物的三維模型。武漢大學(xué)的李必軍利用奧地利的Rigel掃描儀掃描建筑物，后從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取建筑物的特征要素，最后利用這些特征要素進(jìn)行三維重建，從21世紀(jì)開始，北京大學(xué)開始了一項(xiàng)關(guān)于三維模型建立的研究，研究組利用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)和激光掃描儀，并結(jié)合全方位的攝影系統(tǒng)，來對需要進(jìn)行三維建模的地面實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，采集之后進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)和處理，最后進(jìn)行三維地面實(shí)物的模型建立。如三維激光測量技術(shù)在2022年的時(shí)候被美國宇航局(NASA)成功應(yīng)用于太空計(jì)劃；通過整合多種技術(shù)，法國MENSI公司研發(fā)了中距三維激光掃描系統(tǒng)MENSI S10／$25及遠(yuǎn)距三維激光掃描系統(tǒng)MENSI GSl00／GS200 [13]。GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用，使得三維激光掃描技術(shù)與工程的結(jié)合更加緊密，具有較好的擴(kuò)展性，也近一步提高了側(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。（6）可以與內(nèi)（外）置數(shù)碼相機(jī)和GPS系統(tǒng)配合使用。（4）高分辨率、高精度和高密度。（2）快速而且數(shù)據(jù)采樣率高。地面三維激光掃描測量一般使用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸在水平掃描面內(nèi)，Y軸在垂直掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，如圖22所示，光掃描點(diǎn)的坐標(biāo)的計(jì)算公式為 [8]:: 式21???????SsinZcoYX 圖21 地面三維激光掃描儀的原理掃描過程中，在每個(gè)站點(diǎn)上都可以獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，點(diǎn)云中每個(gè)點(diǎn)的位置信息都都在掃描坐標(biāo)中以極坐標(biāo)（α，ζ，d）的形式來描述，其中d為從物體表面反射點(diǎn)到儀器中心的距離，用傳統(tǒng)測量手段獲取控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)，. .. . ..學(xué)習(xí)參考然后將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，應(yīng)用與測繪領(lǐng)域的各項(xiàng)工程建設(shè)。. .. . ..學(xué)習(xí)參考 三維激光掃描儀工作原理三維激光掃描技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代中期開始出現(xiàn)的測繪新技術(shù)并在最近幾年得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是繼GPS后的一項(xiàng)新技術(shù)，被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)組成，包括計(jì)算機(jī)主機(jī)、接口、總線以及專用版卡，通過接口、總線和專用辦卡將其它部分組合起來，工作時(shí)控制機(jī)械臺的起停、轉(zhuǎn)速由運(yùn)動(dòng)控制卡控制，圖像由圖像采集卡通過CCD攝像機(jī)采集，圖像處理、數(shù)值計(jì)算在主機(jī)上進(jìn)行。按照掃描儀測距原理劃分基于時(shí)間漂移原理(Time—of—flight)、基于相位測量原理(Phase measurement)、基于激光雷達(dá)或光學(xué)的三角測量原理(Opti—cal triangulation，Laser Radar)。 激光掃描系統(tǒng)的分類三維激光掃描儀的搭載平臺有很多類型，搭載在飛機(jī)或衛(wèi)星上的三維激光掃描儀系統(tǒng)屬于機(jī)載型，搭載在活動(dòng)的小車上的屬于地面型。本章我將會(huì)詳細(xì)地介紹究竟什么是三維激掃描技術(shù)，了解幾種常見的三維激光掃描儀，并說明利用三維激光掃描儀獲取三維數(shù)據(jù)的原理、三維激光掃描技術(shù)的特有優(yōu)勢、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和在工程建設(shè)領(lǐng)域的一些應(yīng)用。 （4） 以具體的模型重建實(shí)例來直觀地說明基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建成果。我將主要從利用三維激光掃描儀獲取掃描數(shù)據(jù)的三維激光掃描技術(shù)和和地面三維實(shí)物模型重建兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。我們相信隨著學(xué)者們的深入研究，這些問題都會(huì)得到逐步解決，基于三維掃描數(shù)據(jù)的地面三維模型重建的技術(shù)將會(huì)更加成熟，廣泛用于社會(huì)主義建設(shè)，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。它雖然憑借其明顯的優(yōu)勢廣泛的應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、工程建設(shè)等各種領(lǐng)域，目前，在小型地面實(shí)物的. .. . ..學(xué)習(xí)參考三維模型重建這項(xiàng)研究方面發(fā)展的己經(jīng)非常成熟。與建立在圖像基礎(chǔ)上進(jìn)行的地面三維模型重建相比較，這種建立在激光掃描獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行的三維地面實(shí)物的模型重建不但能夠建立具有很強(qiáng)的三維立體模型，而且用這種激光掃描數(shù)據(jù)建立的三維地面實(shí)物模型具有更好的真實(shí)感，除此以外，這種模型的立體感也比利用圖片建立的三維地面實(shí)物模型具有更高更準(zhǔn)確的的幾何信息。在大型土木工程方面，可以獲取施工前的局部精細(xì)地形圖，為工程前期的勘測設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料 [2]。 三維激光掃描技術(shù)是二十世紀(jì)九十年代中期開始的一項(xiàng)測繪技術(shù)的新突破，在最近幾年迅速發(fā)展并日漸成熟。 研究背景H．Hess(Leica公司前任CEO)曾說過“全站儀測量是20世紀(jì)80年代的技術(shù)，GPS測量屬于90年代，而地面三維激光掃描是2l世紀(jì)當(dāng)前的測量技術(shù) [1]”。同時(shí)，基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建通過三維激光掃描儀獲取建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、配準(zhǔn)、網(wǎng)格化等處理來恢復(fù)建筑物的三維模型，它無需對實(shí)物表面進(jìn)行任何處理，從實(shí)物中采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，所以所得到的模型具有更好的幾何完整準(zhǔn)確性、更強(qiáng)的真實(shí)感，使計(jì)算機(jī)視覺更加客觀真實(shí)。作為一項(xiàng)新的數(shù)據(jù)獲取手段，以其可以非接觸、快速、精確、高時(shí)性、大量測量目標(biāo)物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域，同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，克服了傳統(tǒng)測量技術(shù)的局限性，逐漸受到人們的喜愛和關(guān)注。利用三維激光掃描技術(shù)來進(jìn)行三維模型的重是通過地面三維激光掃描儀快速獲取目標(biāo)物的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、點(diǎn)云拼接、數(shù)據(jù)精簡、特征提取等步驟來恢復(fù)建筑物的三維模型，它直接從實(shí)物中采集目標(biāo)的真實(shí)數(shù)據(jù)，無需對實(shí)物表面進(jìn)行任何處理，所以所得到的模