【正文】 最后，我還要感謝測(cè)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(duì)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(shí)了三維激光掃描技術(shù)這一繼 GPS 之后的測(cè)繪領(lǐng)域上的又一新突破，還對(duì)它在各方面的應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解，特別是對(duì)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。 結(jié)論和建議 與傳統(tǒng)測(cè)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(dòng)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(cè)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(duì)三維模型重建的要求了。 （ 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。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。 在 Geomagic Studio 軟件中對(duì)上面拼接好的點(diǎn)云模型進(jìn)行封裝，軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照生成 TIN 三角網(wǎng)的規(guī)則對(duì)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(duì)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。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。 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(duì)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。 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(duì)該辦公樓進(jìn)行掃描，對(duì)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(duì)比效果。（ 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。（ 2）基于表面的 表示。 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。 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(duì)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(shí)，對(duì)三維模型重建有了更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，本章我們將會(huì)對(duì)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(shí)。同時(shí)， 由于三維激光回波信號(hào)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(hào)，有的可以綜合處理兩次反射回來的回波信號(hào)。對(duì)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(cè)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(cè)量。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。 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。 一、外界條件環(huán)境誤差：主要受氣壓、溫度因素的影響。 （ 3）激光掃描過程中的誤差分析 ①掃描儀的對(duì)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(duì)掃描點(diǎn)的影響愈全站儀的對(duì)中誤差對(duì)測(cè)角誤差的影響是一樣的。 （ 2）全站儀對(duì)中誤差。 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(cè)誤差 觀測(cè)誤差主要有測(cè)角和測(cè)距誤差共同影響。 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?cè)诰W(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。 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(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算工作，還會(huì)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。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。對(duì)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。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。 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(huì)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。 點(diǎn)云去躁和地面實(shí)物的提 取 在測(cè)量作業(yè)時(shí)，由于各種測(cè)量誤差和不確定性誤差，比如儀器本身的誤差、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(cè)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。 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 。對(duì)于像雕像、涼亭之類的小型物體的掃描測(cè)量 時(shí)通過貼反射片的方法是非常方便的，而對(duì)于像體育館之類的大型建筑物采用靶球比較方便，對(duì)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(duì) 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。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 數(shù)據(jù)預(yù)處理與初始模型建立 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，即對(duì)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(cè)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 基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 14 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(duì)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。 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(cè)量、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性、高分辨率、高密度、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用。 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。 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(huì)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)。 基于三維激光掃 描技術(shù)的三維模型重建 12 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。 （ 6） 特征提取：從初步模型上提取各個(gè)特征結(jié)構(gòu)，特征要素的提取和重新組合對(duì)建模效果有直接影響。 （ 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。 （ 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)