【文章內容簡介】 維激光 掃描系統(tǒng)主要由由三維激光掃描儀、掃描儀旋轉平臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)共同構成，集多種高新技術與一體，獲取三維空間信息 [9]。 基于三維激光掃 描技術的三維模型重建 7 三維激光掃描技術的特點 （ 1）非接觸測量。即不需要安置反射棱鏡也不需 要接觸目標物，可以直接獲取目標物表面點的三維的高分辨率的數(shù)據(jù)而 且目標物的表面也不用進行任何處理，而且所采集到的數(shù)據(jù)完全真實可靠，突 破了傳統(tǒng)測量技術在環(huán)境惡劣、目標危險、人員無法到達而不能測量的缺陷，因 此，在簡化了測量工作的同時也保證了測量人員的安全，避免了他們在復雜危險 的環(huán)境下作業(yè) [10]，在解決目標危 險或人員無法到達的情況下，具有非常明顯的優(yōu) 勢。 （ 2）快速而且數(shù)據(jù)采樣率高。通過三維激光掃描 技術可以大量快速的獲取目標物的三維空間信息，不但減少了工作時間 ，而且可以及時的獲取目標的空間信息，滿足了現(xiàn)代測量的需求。 （ 3）實時、動態(tài)、主動性。地面三維激光掃描系 統(tǒng)通過探測自身發(fā)射的激光脈沖回射信號來描述目標信息，使得該測量 不受時間和空間的限制，系統(tǒng)發(fā)射的激光束是準平行光，避免了常規(guī)光學照相測 量中固有的光學變形誤差，這使實體實景的結構屬性和空間形態(tài)的描述更加準確 和完整，同時，采集的三維數(shù)據(jù)更加具有準確實效性 [11]。 （ 4）高分辨率、高精度和高密度。在精密傳感工 藝的支持下，對目標物進行自動立體采集，采集的點云數(shù)據(jù)由點的位置 坐標數(shù)據(jù)構成，避免了由人工推導計算而產(chǎn)生不確定性的差錯，提高了測量成果 的精度。 （ 5）數(shù)字化、自動化采集。數(shù)字自動化是當今社 會發(fā)展的不可避免的趨勢，滿足了現(xiàn)代測量的需求 [12]。 （ 6）可以與內（外）置數(shù)碼相機和 GPS系統(tǒng)配合使用。它們的配合使用拓寬了三維激光掃描技術的使用范圍，增強了使 用功能，更全面、更準確的獲取更高精度的三維信息。 （ 7） 擴展性強。得到的數(shù)據(jù)能夠與其他軟件進行數(shù)據(jù)共享及交換，可 以和GPS、外接數(shù)碼相機配合使用，更好的拓寬了它的應用范圍，使用外置數(shù)碼相機的，增強了彩色信息的采集，更加全面的獲取掃描得到的目標信息。 GPS定位系統(tǒng)的應用，使得三維激光掃描技術與工程的結合更加緊密，具有較好的擴展性，也近一步提高了側量數(shù)據(jù)的準確性。 由于三維掃描技術的獨特優(yōu)勢，它被廣泛應用于各項工程建設領域，我們知基于三維激光掃 描技術的三維模型重建 8 道，傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)獲取主要有 :GPS高精度定位 、 三維坐標測量機 、 全站儀等 ，但它們是單點采集， 三維激光掃描技術無需設置反射棱鏡，在人員難以企及的危險地段可以進行無接觸測量 ，可以高密度、高分率的獲取 物體表面的三維空間信息，但是目前其測量精度 還不算很高。 國內外研究現(xiàn)狀 國內外研究現(xiàn)狀 三維激光掃描技術可以不受時間和空間的限制 獲取高精度的三維數(shù)據(jù)，以其全數(shù)字、快速、實時性強的優(yōu)勢實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采 集從靜態(tài)的單點測量到動態(tài)跟蹤、三維測量的轉變。激光技術的引入，使測繪領 域進入了繼 GPS之后的一個新的發(fā)展階段。如 三維激光測量技術在 2020年的時候被美國宇航局 (NASA)成功應用于太空計劃；通過整合多種技術，法國 MENSI公司研發(fā)了中距三維激光掃描系統(tǒng)MENSI S10／ $25及遠距三維激光掃描系 統(tǒng) MENSI GSl00／ GS200[13]。 國外在三維激光掃描方面的研究較早， 1994年， 激光掃描儀和高分辨率的彩色圖像技術相結合重建了米開朗基羅的一個雕塑作品， 1997年，加拿大 NRC的 ELHaim等科研人員通過激光掃描儀和 CCD照相機固定在一個可以移動的小車上，建立了 DCR并在 1998年實現(xiàn)了一個室內場景的三維建模系統(tǒng)。 2020年， ，提取了場景內的部分實物，研究出了三維實物模型重建的編輯和移動的兩個功能，2020年， Stamos I和 Allen PK發(fā)明了能夠在相同的時間條件下獲取地面實物的彩色和深度圖片，并根據(jù)獲得的圖片建立相應的地面實物的模型的系統(tǒng)， 并最終恢復出具有照片真實感的三維模型， 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]。 雖然國內起步相對來說不算很早，但是在基于激光掃描技術的三維模型重建這項技術方面的發(fā)展還是不錯的，許多學者在這方面也做了不少研究工作。武漢大學的李必軍利用奧地利的 Rigel掃描儀掃描建筑物，后從點云數(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行三維重建， 從 21世紀開始，北京大學開始了一項關于三維模型建立的研究，研究組利用高分辨率的數(shù)碼相機和激光掃基于三維激光掃 描技術的三維模型重建 9 描儀，并結合全方位的攝影系統(tǒng)，來對需要進行三維建模的地面實體進行數(shù)據(jù)信息進行采集，采集之后進行點云數(shù)據(jù)的配準和處理，最后進行三維地面實物的模型建立。 北京大學遙感和地理信息研究所得于海龍利用三維激光掃描技術進行了基于表面模型的重建方法研究。同時，這幾年，在古建筑修復測繪和文物考古領域也得到了新的發(fā)展，比如 2020年，在對秦俑二號遺址進行發(fā)掘的同時引入地面激光掃描技術，同步采集和處理遺址挖掘過程的相關信息并建立數(shù)字立體 模型。 通過傳統(tǒng)測量儀器 通過測量儀器獲得的離散點坐標來建立地面實物的三維模型是難以實現(xiàn)的，但是三維激光掃描技術可以使地面實物實現(xiàn)從二維到三維的轉化，三維激光掃描技術應用的領域非常廣泛。三維激光掃描系統(tǒng)不但可以把各種各樣的地面實體的幾何和深度數(shù)據(jù)輸入到計算機中，然后高效率的建立出地面實物的三維模型。還可以直接進入到所要研究的區(qū)域內并且通過激光掃描儀獲取的掃描數(shù)據(jù)還可以在后期工作中繼續(xù)使用。 目前，國內外在基于三維激光掃描技術的三維模型重建技術方面的研究已經(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格 ，因此，各種研究學者接下來的研究工作將在重建中的細節(jié)問題上側重，比如三維點云數(shù)據(jù)的預處理、網(wǎng)格簡化、建筑物表面紋理修復等。相信將來基于三維激光掃描技術的三維模型重建技術會更加簡單普遍，廣泛應用與各項工程建設。 目前，國內外在基于三維激光掃描技術的三維模型重建技術方面的研究已經(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格，因此，各種研究學者接下來的研究工作將在重建中的細節(jié)問題上側重，比如三維點云數(shù)據(jù)的預處理、網(wǎng)格簡化、建筑物表面紋理修復等。 國內外三維模型重建的發(fā)展現(xiàn)狀 這些年來，隨著 社會的發(fā)展及三維激光掃描技術成本的降低， 利用三維激光掃描儀快速高效獲取高精度的建筑物的三維數(shù) 據(jù)重建出的三維模型幾何信息相當準確，非常逼近實物，因此，地面實物模型 重建技術有很好的實際價值，值得我們做更進一步的研究。 基于三維激光掃 描技術的三維模型重建 10 三維激光掃描技術的應用 變形監(jiān)測 傳統(tǒng)變形監(jiān)測是在易變形的地方進行監(jiān)測，因此，得到的信息是不完整的，不能代表目標物的整體變形情況，但三維激光掃描技術可以采集到目標物的全部數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)監(jiān)測體的局部細節(jié)變化，我們可以通過分析， 做出對監(jiān)測體的正確評估 [15]。我們還可以將定期掃描的 前后兩次的點云數(shù)據(jù)進行疊加，對比分析這兩次數(shù)據(jù)的差別，預測監(jiān)測體的變形趨勢和量級。 歷史古建筑物的保存與恢復 由于文物處的歷史價值使得我們不能在其表面粘貼測量標志，而三維激光掃描技術的無接觸性測量很好的解決了這個問題，而且我們得到的是電子資料，方便保存，在當建筑物和文物遭到破壞后能及時而準確地提供修復和恢復數(shù)據(jù)，進而對文物進行修復。 在城市建設中的應用 在進行測站 GPS定位之后，三維激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)與大地坐標系是一致地，因此導入后處理軟件很容易得到 DLG或 DEM數(shù)據(jù)，用 DEM數(shù)據(jù)可以建立高精度的數(shù)字地面模型；用地物數(shù)據(jù)可實現(xiàn)城市三維模型的建立。 復雜工業(yè)設施的測量 用傳統(tǒng)測量方法測量復雜工業(yè)設備，效率非常低下，而利用激光掃描儀可以進行分段掃描并生成模型，為設備的制造和工廠規(guī)劃提供可視化的三維模型參考，極大提高了工作效率 [16]。 在其他方面的應用 三維激光掃描技術應用很廣泛，除了上述應用外，在現(xiàn)在正在進行的地籍基于三維激光掃 描技術的三維模型重建 11 測量中，利用三維激光掃描儀形成三維圖像，對獲取到的三維點云數(shù)據(jù)進行分析建模，在電腦上進行量測，相對于傳統(tǒng)的報表和圖件形式，既方便精度又高；在現(xiàn)在的 雅安地震中，我們也可以通過三維激光掃描技術記錄現(xiàn)場的真實情況并進行分析，方便我們的災后重建工作。 其實，三維激光掃描技術的強項在三維模型重建方面，下面我將重點介紹三維模型重建的基本步驟并以具體實例介紹該項應用。 第三章 三維模型重建 相關概念介紹 隨著社會的發(fā)展和科技的進步，目前，三維激光掃描技術廣泛應用于數(shù)字城市建設、變形監(jiān)測、歷史文物保存和恢復等測繪領域。 為了加強對三維激光掃描技術和基于三維激光掃描技術的三維模型重建的過程的理解，我將對一些基本的相關概念進行簡單介紹。 （ 1） 點云： 是在同一空間參考系下 表達目標空間分布和目標表面特性的海量點集合 。 點云中點云的數(shù)量很大，有時可以達到幾百萬甚至幾千萬個。它的多少取決于掃描儀自身參數(shù)、建筑物大小和掃描精度等因素。 （ 2） 掃描坐標系：即局部坐標系，指地面激光掃描儀內部的球面坐標系統(tǒng)。 （ 3） 全局坐標系：統(tǒng)一的全局坐標系，通常指大地坐標系，可以用傳統(tǒng)測量方法（ GPS 或全站儀）獲得。 （ 4） 點云濾波：將目標物的點云數(shù)據(jù)從其他點云環(huán)境中提出出將目標物的點云數(shù)據(jù)從其他點云環(huán)境中提出出來的過程。 （ 5） 數(shù)據(jù)精簡：對海量點云數(shù)據(jù)進行壓縮精簡，留下對后續(xù)處理和建模有用的凝縮數(shù)據(jù)，刪除不必要的空間數(shù)據(jù)。 （ 6） 特征提?。簭某醪侥Ｐ蜕咸崛「鱾€特征結構，特征要素的提取和重新組合對建模效果有直接影響。 （ 7） 紋理映射：將數(shù)碼相機獲得的圖像信息恢復到模型表面的技術，可以通過重建模型的逼真的表面信息來產(chǎn)生仿真的視覺效果 。 基于三維激光掃 描技術的三維模型重建 12 數(shù)據(jù)獲取 三維激光掃描技術的關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物的三維信息，三維模型重建后得到的目標物的真實坐標是以大地坐標系表示出來的，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部坐標系表示的，它不僅記錄了掃描點的空間坐標，還記錄了反射率的空間信息，因此，為了得到 模型的坐標，在點云數(shù)據(jù)進行建模之前，需要將掃描點的掃描坐標轉化為大地坐標，這就需要配合其他儀器來完成。隨著三維重建技術水平的提高，逐步形成了以地面掃描儀為核心， 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 、數(shù)據(jù)處理軟件為輔助的點云數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。 地面激光掃描儀，準確快速地獲取目標物表面的點云數(shù)據(jù)，雖然采集的數(shù)據(jù)多而準確，但是不合理的數(shù)據(jù)會增加我們不必要的工作量，因此，在掃描目標物時，我們要調節(jié)好掃描儀的水平、垂直掃描角度并設置好掃描參數(shù)。 全球定位系統(tǒng)具有全天測量、定位精度高、可提供全球統(tǒng)一的三維坐標系的優(yōu)勢，在掃描過程用，我們可以 精確的測量出布設的控制點的坐標，這樣可以為坐標轉換提供參數(shù)，全站儀測量也可以滿足該項要求。 在掃描目標物