探究三维激光扫描技术及其发展现状.docx

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1、探究三维激光扫描技术及其开展现状作者李永泉曾爱民1引言随着计算机图形学的迅速开展，人们对事物的认识已从平面二维空间，逐渐 转向空间三维立体思维模式，三维模拟、实物重构、虚拟现实等理论的相继提出， 虚拟现实、数字城市、数字博物馆、逆向工程等新名词相继出现并开始进入应用 阶段。这些技术都不可或缺的需要进行三维几何建模，而传统的AutoCAD. 3D Max、MAYA等建模工具已经逐渐不能胜任人们对复杂曲面物体的建模需要，三 维激光扫描仪的出现解决了这一实际问题，地面三维激光扫描技术是测绘领域继 GPS技术之后的又一次技术革命，已经逐渐成为广大科研人员和工程技术人员全 新的解决问题的手段，并逐渐取代

2、一些传统的测绘手段，为工程与科学研究提供 了更准确的数据。2三维激光技术及开展现状三维激光扫描仪的主要构造是由一台高速精确的激光测距仪，配上一组可以 引导激光并以均匀角速度扫描的反射棱镜。激光测距仪主动发射激光，同时接受 由自然物外表反射的信号从而可以进行测距，针对每一个扫描点可测得测站至扫 描点的斜距，再配合扫描的水平和垂直方向角，可以得到每一扫描点与测站的空 间相对坐标。如果测站的空间坐标是的，那么那么可以求得每一个扫描点的三 维坐标。扫描仪以反射镜进行垂直方向扫描，水平方向以伺服马达转动仪器来完 成水平360度扫描，从而获取三维点云数据。整个系统由地面三维激光扫描仪、数码相机、后处理软件

3、、电源以及附属设 备构成，它采用非接触式高速激光测量方式，获取地形或者复杂物体的几何图形 数据和影像数据。最终由后处理软件对采集的点云数据和影像数据进行处理转换 成绝对坐标系中的空间位置坐标或模型，以多种不同的格式输出，满足空间信息 数据库的数据源和不同应用的需求。我国三维激光扫描技术不断开展并日渐成熟，目前三维扫描设备也逐渐商业 化，三维激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体，不需反射棱镜即 可直接获得高精度的扫描点云数据。近几年，HDS2500. ILRIS.3D、LMS-Z210和 MENSI GS200这类基于测距技术的激光扫描仪的出现，实质上是三维激光扫描 技术的革新和开展。

4、3三维激光扫描数据处理流程三维激光扫描数据的处理可分为：点云数据获取、点云数据配准、点云数据 分析、曲面拟合和数据分割、点云数据缩减、建立空间三维模型、纹理映射等方 面。4应用案例以宁夏数字城市建设工程中“数字灵武”为工程区，选定区域利用三维激光扫 描技术，进行数据处理采集和数据处理，获取地面三维信息，进行数字城市三维 模型重建的方法并推广应用。4.1 数据采集在数据采集时，如果被量测物体较大，采用分测站的形式对物体进行扫描。 点云的拼接包括基于测站的拼接和基于目标或点云的拼接方法。首先要进行控制 测量，建立测站点，扫描相当于碎步测量，其点云的质量只与该测站的站点和扫 描质量有关，与其他测站无

5、关。需要三维激光扫描仪具有整平、定向和对中的功 能。4.2 数据处理点云数据处理利用三维激光扫描仪扫描物体外表的三维坐标信息和色彩信息以后，得到的 数据是离散的点的集合称为点云。然而，获得点云数据仅仅是逆向工程工作的第 一步，在对物体进行三维重建之前，对所得的点云数据先做一些处理是必要的。在测量过程中，由于存在人为（操作人员经验等）或随机（环境因素等）等 原因，测量结果往往会存在误差，也有可能会出现坐标异常点，这些点在三维重 建前都是要剔除的点；因为被测物体形状过于复杂或者外界环境因素，导致测量 数据时因阻塞和可及性问题而导致测量数据缺损，这时就要对测量数据加以延拓 和修补；而对于扫描数据过于

6、密集的情况，就要进行均匀化处理；另外，由于对 测量精度的提高，形成的“点云”数据可能会很大，高达几M甚至几百M字节， 而且其中会包括大量的冗余数据，对数据进行压缩就势在必行了；还有在不能一 次测量全部实体模型的数据信息时，就需要从不同角度，对同一实体模型进行多 次测量，然后对所测得的数据点进行拼接，以形成实体的整体外表数据点。点云数据去噪处理三维激光扫描的过程之中，扫描速度、设备精度、被测物体的外表情况和操 作者的熟练程度等都会对测量数据造成影响，使得得到的数据可能带有很多离散 点和小振幅噪声，这些噪声必然会影响重建后模型的质量。对点云数据去噪光顺 处理是很有必要的，这一过程可以提高信噪比。点

7、云数据压缩随着计算机技术的开展，人们对信息的精确度的提高，而这些信息却都具有 海量的数据。在这种情况下，对信息的传输和存储就成为人们急待解决的问题。 数据压缩就成为解决这一瓶颈问题的重要方法。通过压缩数据的方法以压缩形式 来存储和传输信息数据是数据压缩的目的，根据压缩过程中对原文件产生的损失 情况不同，可以把压缩技术分为有损压缩和无损压缩。曲线曲面拟合曲线的构造是逆向工程中3D造型的基本条件。常用曲线按照曲线的特点, 可以将曲线分成两种类型：Bezier曲线和NURBS曲线。采用Bezier与NURBS 方法实现了小规模数据点的曲面拟合的方法。4.3 数据三维建模点云数据保证了外表模型的数据，

8、而影像数据保证了边缘和角落的信息完整 和准确。最后通过自动化的软件平台，用获取的点云强度信息和相机获取的影像 信息对模型进行纹理细节的描述。地面三维激光扫描仪进行三维建模的目的是重 建实物的数字模型，获取相应的几何信息。模型建立的步骤为：1）自定义坐标系。虽然在配准过程中，利用具有当地坐标的标靶完成了坐 标系的定义，但是当地坐标系并不利于模型的建立，因此可以隐藏当地坐标系, 自定义一个用户坐标系，利用该坐标系进行建模活动。2）建立参考面o建模是依靠参考面完成的,可以不断建立参考面完成建模。3）绘图。在参考面上进行绘图，并生成体。4）生成面。一般通过区域增长的方式生成面。5）挖空。挖去窗户、门等

9、局部。由于点云的数量较大，可以利用切片，按 局部建模，最后把完成建模的模型融合到点云数据中，最后建立的三维模型如图 所示。4.4 纹理贴片建筑物的三维模型建成以后，再通过3DStudioMax软件对建筑物模型进行 纹理贴片，纹理信息使用高分辨率的数码相机获取，最后生成的建筑物模型。5结束语三维激光扫描仪作为测绘科学的领先产品，具有鲜明的优势，广泛的应用。 以其非接触、扫描速度快、获取信息量大、精度高、实时性强、全自动化、复杂 环境测量等优点，克服传统测量仪器的局限性，成为直接获取目标高精度三维数 据，并实现三维可视化的重要手段。它极大地降低了测量本钱，节约时间，使用 方便，而且应用范围广，在工程测量、变形监测、文物保护、森林和农业，医学 研究，战场仿真等领域都有很大的开展空间。但是其自身还存在诸多缺乏，如仪 器价格比拟昂贵，难以满足普通用户需求；仪器系统的精度检测方法还处于一个 起步阶段，工程应用技术标准和规范还未出台，扫描的野外作业相对简单，但是 点云数据的后处理费时费力。随着三维激光扫描技术不断完善以及各行业的应用 需求增大，特别是国产化设备和软件的突破和兴起，这种新技术的应用领域和范 围也将会不断扩大，必将成为现代测绘领域中普遍使用的技术手段，具有重要的 研究和社会价值。