【正文】 為 Y 軸， Z 軸與橫向掃描面垂直，如圖 25 所示 ,掃描點的反射強度值 I 用于給反射點云匹配顏色。 圖 25 采用脈沖測距法的三維激光點坐標 由幾何關(guān)系可得到三維激光腳點坐標計算公式如式（ 23）。按照掃描儀的掃描成像方式分類為：全景式掃描儀，攝影式掃描儀和混合型掃描式。按照與數(shù)碼相機結(jié)合應用方式劃分為：內(nèi)置相機型掃描儀和外置相機型掃描儀。缺點：不能升級和更換，鏡頭不能隨距離的遠近而調(diào)整，無縮放功能。其缺點：若將相機與掃描儀分開，使用前則需相機與激光掃描儀做聯(lián)機標定和校對，才能確保點云涂色與紋理映射的精度，如表 21 所述常見的三維激光掃描系統(tǒng)參數(shù)。 2mm M：177。 4mm 177。50mm100m 177。 lmm 采樣率 8000P/S 1000P/S 5000P/S 4400P/S 2020P/S 1500P/S 測 角 精 度 176。 12176。 點 位 精 度 177。 4mm 掃 描 視 場 V： 100176。 V： 270176。 V： 60176。 V： 80176。 V：177。 H： 40176。 H： 360176。 本文使用的軟硬件設(shè)備 1. 硬件設(shè)備 Riegl VZ400 三維激光掃描儀 Riegl VZ400 型號三維激光掃描儀系統(tǒng)由 RIEGL VZ400 三維激光掃描儀、電 源、支架以及其他附件組成。 Riegl VZ400 三維激光掃描儀 主要性能的參數(shù)指標 如下所述： 發(fā)射波長 1550 納米的近紅外激光，掃描儀功率為 11— 32VDC；平均數(shù)據(jù)采集速度約 300000 點 /秒；可以與全戰(zhàn)儀，GPS 定位系統(tǒng)以及后視鏡等附件結(jié)合使用；工作環(huán)境溫度 0℃到 40℃；存放溫度為 10℃到50℃；數(shù)據(jù)存儲量為內(nèi)嵌 8GByte；儀器外觀尺寸 (長直徑 )308 毫米 180 毫米；掃描儀的重量為 ；其他相關(guān)性能參數(shù)參見表 21。 Riegl VZ— 400 型三維激光掃描儀電子掃描探測器（圖 26 a 中結(jié)構(gòu)①），這樣設(shè)計，不但使儀器體積小巧，而且可以提高儀器掃描速度。要得到不同高速掃描速度，可以不斷調(diào)整和改變多棱鏡旋轉(zhuǎn)速度，可通過上下線性振蕩多棱鏡來獲取慢的掃描速度或小的掃描 角，實現(xiàn)水平面內(nèi)的全方位掃描是通過光學面進行 360176。 圖 26 Riegl VZ400 三維激光掃描儀結(jié)構(gòu)圖 a 外觀圖 b 2. 軟件平臺 Riscan Pro 和 Geomagic Studio Riscan Pro[11]是 RIEGL 公司為 RIEGL VZ400 等一系列三維激光掃描儀開發(fā)的控制與數(shù)據(jù)處理軟件，該軟件可以完成數(shù)碼相機與三維掃描儀之間傳感器參數(shù)調(diào)節(jié)、控制儀器獲取數(shù)據(jù)及顯示數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)的后處理、數(shù)據(jù)存儲及相應二次開發(fā)等操作。 圖 27 為 Riscan PRO 主界面。該軟件具有耗時短，精確度高等優(yōu)點，因此a b 中國地質(zhì)大學碩士學位論文 11 廣泛應用于點云數(shù)據(jù)的三維模型重建領(lǐng)域。 圖 28 Geomagic Studio 主界面 相關(guān)概念介紹 為了更好的理解激光三維掃描中所涉及到的一些基本概念，下面簡單介紹前面或后續(xù)章節(jié)出現(xiàn)的一些基本概念。通過三維激光掃描技術(shù)采集到的一種特殊形式的圖像。“像素”實質(zhì)就是每個點 的三維坐標信息。 2. 視點 (Viewpoint) 引入視點的概念是為更好的描述三維激光掃描儀在每個掃描位置上獲取的不同掃描結(jié)果。 12 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 3. 同名點對 (PairWise) 理想條件下，相鄰兩站點云數(shù)據(jù)中存在客觀世界中的同一點，在兩次掃描站中成為不同坐標的兩點，這樣的兩個點就是所謂的同名點對。 167。在灰度圖像中，每一個點的三維坐標值是該點的強度和灰度，而在三維激光掃描數(shù)據(jù)中每一個點三維坐標值表示了該點的距離信息，這是它與一般圖像的區(qū)別。 點云數(shù)據(jù)表示方法 三維激光掃描數(shù)據(jù)的數(shù)學表達式表示方法如下 [11]： }1...2101...210),({ ????? YnXmnmPM ，， (24) 其 中，點集 M 為所獲取的點云集合， X 表示為掃描點對應的矩形空間行數(shù)， Y 表示掃描點對應的矩形空間列數(shù)， m 、 n 分別為該點在矩形空間的行、列索引值， ),(),( zyxnmp ?表示該點的距離信息也就獲取點數(shù)據(jù)的空間坐標值。激光掃描 儀自身的激光發(fā)射器每秒發(fā)射點云頻率為幾萬點以及一般的三維激光掃描儀在垂直或水平范圍內(nèi)都可以旋轉(zhuǎn)一定的角度，所以在短短幾分鐘內(nèi)，掃描數(shù)據(jù)就可達到幾十萬，甚至是千萬。因為激光的特性之一是沿直線傳播，在掃描場景自遮擋或被其他實體遮擋時，導致獲取的被掃描場景表面點云數(shù)據(jù)不完整。 特點三，局部分辨率存在差異。 167。其中，數(shù)據(jù)獲取后要進行數(shù)據(jù)預處理，數(shù)據(jù)配準還包括數(shù)據(jù)融合處理，最終的目 中國地質(zhì)大學碩士學位論文 13 的是使獲取的三維激光掃描數(shù)據(jù)滿足三維模型重建需要。為了采集到高質(zhì)量完整的三維模型數(shù)據(jù)，我們要解決如下問題：掃描場景的踏勘、掃描站點的布設(shè)、掃描分辨率的選取、掃描距離與掃描角 度的選擇等等。點云數(shù)據(jù)配準又稱為點云數(shù)據(jù)拼接，配準是點云數(shù)據(jù)處理中的重要工作之一，為得到掃描場景完整三維信息，需要從不同視角掃描場景數(shù)據(jù)是不可避免的，每站掃描獲取的數(shù)據(jù)都有自己獨立的工程坐標系，為了將獨立的工程坐標系轉(zhuǎn)化到同一個坐標系下，需要對數(shù)據(jù)進行配準；由于配準后的點云數(shù)據(jù)有冗余、分層等，需進行數(shù)據(jù)融合處理。所以，對點云構(gòu)建三角網(wǎng)模型逼近實物 是常用的表面模型重建方法。 因此，基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)一般流程如下： 圖 29 三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維表面模型重建流程 技術(shù)路線 針對本文的研究內(nèi)容，擬采用如圖 210 所示的技術(shù)路線： 點云數(shù)據(jù) 處理后的點云數(shù)據(jù) 網(wǎng)格模型 紋理模型 紋理映射 數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)處理 處理后的點云數(shù)據(jù) 表面重建 14 于明旭 基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的三維模型重建技術(shù)研究 2020. 5 圖 210 技術(shù)路線 獲取三維數(shù)據(jù) 點 云 模 型 三 維 模 型 紋 理 圖 像 真三維模型 畸變校正 原始點云 數(shù)據(jù) 濾 波 補 洞 紋 理 映 射 配 準 刪 除 融 合 構(gòu)建三角網(wǎng) 原始紋理圖像 創(chuàng)建曲面 擬合曲面 中國地質(zhì)大學碩士學位論文 15 第三章 點云數(shù)據(jù)預處理 167。不連續(xù)性指數(shù)據(jù)含有錯誤的編碼或點名，不完整性指缺少某些屬性特征值，含有噪聲指包含錯誤或孤立點云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)合并和數(shù)據(jù)歸約是數(shù)據(jù)預處理常用的方法。填充空缺值、識別或移除孤立點、平滑噪聲和解決數(shù)據(jù)之間不一致性是數(shù)據(jù)清理的目的?，F(xiàn)階段，不同數(shù)據(jù)源常常結(jié)合在一起使用，數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化顯得尤為重要。數(shù)據(jù)歸約是在不影響數(shù)據(jù)的一致性和完整性的基礎(chǔ)上，對相同或相似空間屬性數(shù)據(jù)進行分析合并，也包括對數(shù)據(jù)的離散化，數(shù)據(jù)的離散化對于 大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)而言是非常重要的，同時也可以對數(shù)據(jù)進行降階、降維，以達到減少數(shù)據(jù)存儲空間的目的，為提高數(shù)據(jù)的后處理速度提供條件。 使用三維激光掃描儀采集三維點云數(shù)據(jù)也存在上述的一系列問題，因此需要對數(shù)據(jù)進行預處理，預處理后的點云數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)配準、三維模型重建等方面的應用更具有實效性。 點云預處理 三維變換是點云預處理中最基本的方法，通常對點云數(shù)據(jù)進行旋轉(zhuǎn) 、縮放、平移、濾波、平滑和分割與邊緣檢測等相應處理，這與圖像變換處理本質(zhì)相同。 在二維平面變換方法的基礎(chǔ)上，如果將 Z 坐標軸考慮到變換中，這就是三維幾何空間變換。在給定的三維空間坐標系中通過平移矢量可以使點云數(shù)據(jù)沿三個坐標軸方向平移，通過縮放因子可以改變點云數(shù)據(jù)在相應坐標系中的三維顯示比例。 在二維平面坐標系中，旋轉(zhuǎn)僅僅考慮沿著相應坐標系的兩個平面軸系旋轉(zhuǎn)。 在二維平面坐標系中，齊次矩陣可用 3? 3 變換矩陣來表示二維平面幾何變換，可知，在三維空間齊次坐標系中用 4? 4 變換矩陣來表示三維幾何變換。 中國地質(zhì)大學碩士學位論文 17 變換矩陣 假設(shè)三維空間圖像上的點（ x， y， z）在經(jīng)過幾何變換后產(chǎn)生了定義在新坐標系下的圖像上的點 (x/， y/， z/)，這個變換可以表示為：（ x， y， z） =T3D(x/， y/， z/)。 平移 為了使點云在屏幕的最佳位置顯示或找到有利于觀察點云的視點或者在屏幕上顯示沒顯示出的點云，我們需要平移點云，平移點云的目的是 使點云達到最佳的顯示效果。對于點云而言，通過平移點云中的每一個點，平移后，在新位置繪制該點云。三維空間的旋轉(zhuǎn)相比二維平面復雜得多，二維旋轉(zhuǎn)是在平面上進行的，三維空間旋轉(zhuǎn)則不同，可以圍繞坐標軸旋轉(zhuǎn)，也可能以空間中的某條直線為軸進行旋轉(zhuǎn)，無 論那種旋轉(zhuǎn)方式，原理相同。繞某坐標軸的逆向旋轉(zhuǎn)角為正，反之為負。 變換后的點云坐標為 （ x/， y/， z/），其齊次形式為（ x/， y/， z/， 1） 這里首先介紹右手坐標系下相對坐標 zyx , 坐標軸分別旋轉(zhuǎn) ??? , 角的變換： 繞 X 軸旋轉(zhuǎn) ? 角度，繞 X 軸旋轉(zhuǎn)矩 陣為 )(?xR ，如 式（ 33）所示： ?????????????????c o ss in0s inc o s0001)(xR （ 33） 變換后的點云坐標 如 式（ 35）所示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1）?????????????10000c oss in00s inc os00001???? =（ x ycos? zsin ? ysin? +zcos? 1） （ 34） 繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) ? 角度：繞 Y 軸旋轉(zhuǎn)矩陣為 )(?yR ，如 式（ 35）所示： ?????????? ???????c o s0s in010s in0c o s)(yR （ 35） 變換后的點云坐標 如 式（ 36）所示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1）???????????? ?10000c os0s in00100s in0c os???? =（ x ycos? zsin? ysin? +zcos? 1） （ 36） 繞 Z 軸旋轉(zhuǎn) ? 角度：繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)矩陣為 )(?zR ，如 式（ 37）所示： 中國地質(zhì)大學碩士學位論文 19 ????????????1000c o ss in0s inc o s)( ?????zR （ 37） 變換后的點云坐標 如 式（ 38）所示： （ x/ y/ z/ 1） =（ x y z 1）?????????????1000010000c oss in00s inc os???? =（ x ycos? zsin? ysin? +zcos? 1） （ 38） 由繞 zyx , 軸旋轉(zhuǎn)的總矩陣為 ),( ???R = )(?xR )(?yR )(?zR 可得 ?????????? ???????