【文章內(nèi)容簡介】 1）非接觸測量。即不需要安置反射棱鏡也不需要接觸目標(biāo)物，可以直接獲取目標(biāo)物表面點(diǎn)的三維的高分辨率的數(shù)據(jù)而且目標(biāo)物的表面也不用進(jìn)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(shù)在環(huán)境惡劣、目標(biāo)危險、人員無法到達(dá)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(fù)雜危險的環(huán)境下作業(yè) [10]，在解決目標(biāo)危險或人員無法到達(dá)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(shù)可以大量快速的獲取目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)平行光，避免了常規(guī)光學(xué)照相測量中固有的光學(xué)變形誤差，這使實體實景的結(jié)構(gòu)屬性和空間形態(tài)的描述更加準(zhǔn)確和完整，同時，采集的三維數(shù)據(jù)更加具有準(zhǔn)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(biāo)物進(jìn)行自動立體采集，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)由點(diǎn)的位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)構(gòu)成，避免了由人工推導(dǎo)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(dāng)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(nèi)（外）置數(shù)碼相機(jī)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(shù)的使用范圍，增強(qiáng)了使用功能，更全面、更準(zhǔn)確的獲取更高精度的三維信息。. .. . ..學(xué)習(xí)參考（7）擴(kuò)展性強(qiáng)。得到的數(shù)據(jù)能夠與其他軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)共享及交換，可以和GPS、外接數(shù)碼相機(jī)配合使用，更好的拓寬了它的應(yīng)用范圍，使用外置數(shù)碼相機(jī)的，增強(qiáng)了彩色信息的采集，更加全面的獲取掃描得到的目標(biāo)信息。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。由于三維掃描技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢，它被廣泛應(yīng)用于各項工程建設(shè)領(lǐng)域，我們知道，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(biāo)測量機(jī)、全站儀等，但它們是單點(diǎn)采集，三維激光掃描技術(shù)無需設(shè)置反射棱鏡，在人員難以企及的危險地段可以進(jìn)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(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(qiáng)的優(yōu)勢實現(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。激光技術(shù)的引入，使測繪領(lǐng)域進(jìn)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(shù)在2022年的時候被美國宇航局(NASA)成功應(yīng)用于太空計劃；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]。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(shù)相結(jié)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(jī)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(nèi)場景的三維建模系統(tǒng)。2022年，提取了場景內(nèi)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，2022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(yīng)的地面實物的模型的系統(tǒng)，并最終恢復(fù)出具有照片真實感的三維模型，2022年，在歷史古建筑物的三維建模上. .. . ..學(xué)習(xí)參考用了該系統(tǒng)，并取得了一定效果 [14]。雖然國內(nèi)起步相對來說不算很早，但是在基于激光掃描技術(shù)的三維模型重建這項技術(shù)方面的發(fā)展還是不錯的，許多學(xué)者在這方面也做了不少研究工作。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)行三維地面實物的模型建立。北京大學(xué)遙感和地理信息研究所得于海龍利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)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(fù)測繪和文物考古領(lǐng)域也得到了新的發(fā)展，比如2022年，在對秦俑二號遺址進(jìn)行發(fā)掘的同時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。通過傳統(tǒng)測量儀器通過測量儀器獲得的離散點(diǎn)坐標(biāo)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(shù)可以使地面實物實現(xiàn)從二維到三維的轉(zhuǎn)化，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)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(jī)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(jìn)入到所要研究的區(qū)域內(nèi)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(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。相信將來基于三維激光掃描技術(shù)的三維模型重建技術(shù)會更加簡單普遍，廣泛應(yīng)用與各項工程建設(shè)。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。. .. . ..學(xué)習(xí)參考 國內(nèi)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(shù)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(dāng)準(zhǔn)確，非常逼近實物，因此，地面實物模型重建技術(shù)有很好的實際價值，值得我們做更進(jìn)一步的研究。 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]。我們還可以將定期掃描的前后兩次的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，對比分析這兩次數(shù)據(jù)的差別，預(yù)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(fù)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(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)。 在城市建設(shè)中的應(yīng)用在進(jìn)行測站GPS定位之后，三維激光掃描儀得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與大地坐標(biāo)系是一致地，因此導(dǎo)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。. .. . ..學(xué)習(xí)參考 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]。 在其他方面的應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用很廣泛，除了上述應(yīng)用外，在現(xiàn)在正在進(jìn)行的地籍測量中，利用三維激光掃描儀形成三維圖像，對獲取到的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分析建模，在電腦上進(jìn)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(shù)記錄現(xiàn)場的真實情況并進(jìn)行分析，方便我們的災(zāi)后重建工作。其實，三維激光掃描技術(shù)的強(qiáng)項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例介紹該項應(yīng)用。第三章 三維模型重建 相關(guān)概念介紹隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，目前，三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于數(shù)字城市建設(shè)、變形監(jiān)測、歷史文物保存和恢復(fù)等測繪領(lǐng)域。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。（1） 點(diǎn)云：是在同一空間參考系下表達(dá)目標(biāo)空間分布和目標(biāo)表面特性的海量點(diǎn)集合。點(diǎn)云中點(diǎn)云的數(shù)量很大，有時可以達(dá)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(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)。（3） 全局坐標(biāo)系：統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系，通常指大地坐標(biāo)系，可以用傳統(tǒng)測量方法（GPS 或全站儀）獲得。. .. . ..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。（5） 數(shù)據(jù)精簡：對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)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(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。（7） 紋理映射：將數(shù)碼相機(jī)獲得的圖像信息恢復(fù)到模型表面的技術(shù)，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。 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。隨著三維重建技術(shù)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(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。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，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)。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(biāo)系的優(yōu)勢，在掃描過程用，我們可以精確的測量出布設(shè)的控制點(diǎn)的坐標(biāo)，這樣可以為坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(biāo)物表面的目標(biāo)信息時，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。相機(jī)固定在掃描儀頂部，與掃描儀內(nèi)部電腦進(jìn)行連接，內(nèi)部電腦控制 CCD 數(shù)碼相機(jī)同激光掃描系統(tǒng)一起轉(zhuǎn)動，在掃描儀停止掃描的片刻，照相機(jī)會拍攝一定掃描角度內(nèi)的實物的圖片信息，用于后續(xù)處理工作，目前，通過各個系統(tǒng)的分工配合使該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用與各個工程建設(shè)領(lǐng)域。. .. . ..