基于三維激光掃描技術(shù)的點(diǎn)云拼接與三維重構(gòu)

黃凌瀟

摘 要：為了提高測量目標(biāo)物的精度與便捷性，本文提出一種基于三維激光掃描技術(shù)的點(diǎn)云拼街與三維重構(gòu)方法，對空間信息進(jìn)行可視化表達(dá)，即進(jìn)行三維建模，基于Leica C10三維激光掃描儀，對目標(biāo)物進(jìn)行三維掃描，分兩站掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，運(yùn)用Cyclone進(jìn)行點(diǎn)云拼接與重構(gòu)，試驗(yàn)顯示，可以極大提高測量精度與便捷性。

關(guān)鍵詞：三維激光掃面技術(shù)；點(diǎn)云拼接；三維重構(gòu)

前言

三維激光掃描技術(shù)是一種先進(jìn)的全自動高精度立體掃描技術(shù)，又稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，是繼GPS空間定位技術(shù)后的又一項(xiàng)測繪技術(shù)革新。傳統(tǒng)的大地測量方法，如三角測量方法，GPS測量都是基于點(diǎn)的測量，而三維激光掃描是基于面的數(shù)據(jù)采集方式。三維激光掃描獲得的原始數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是大量掃描離散點(diǎn)的結(jié)合。三維激光掃描的主要特點(diǎn)是實(shí)時性、主動性、適應(yīng)性好。三維激光掃描數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的處理就可以直接使用，無需復(fù)雜的費(fèi)時費(fèi)力的數(shù)據(jù)后處理；且無需和被測物體接觸，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用；并且可以和GPS等集合起來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)、更多的應(yīng)用。三維激光掃描技術(shù)作為目前發(fā)展迅猛的新技術(shù)，必定會在諸多領(lǐng)域得到更深入和廣泛的應(yīng)用。

1、三維激光掃描儀工作原理

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺高速精確的激光測距儀，配上一組可以引導(dǎo)激光并以均勻角速度掃描的反射棱鏡。激光測距儀主動發(fā)射激光，同時接受由自然物表面反射的信號從而可以進(jìn)行測距，針對每一個掃描點(diǎn)可測得測站至掃描點(diǎn)的斜距，再配合掃描的水平和垂直方向角，可以得到每一掃描點(diǎn)與測站的空間相對坐標(biāo)。如果測站的空間坐標(biāo)是已知的，那么則可以求得每一個掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)。以Leica C10三維激光掃描儀為例，該掃描儀是以反射鏡進(jìn)行垂直方向掃描，水平方向則以伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動儀器來完成水平360度掃描，從而獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

地面型三維激光掃描系統(tǒng)工作原理：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面漫反射后，沿幾乎相同的路徑反向傳回到接收器，可以計(jì)算日標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀距離S，控制編碼器同步測量每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描測量一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直。獲得P的坐標(biāo)。

三維激光掃描系統(tǒng)由地面三維激光掃描儀、內(nèi)置數(shù)碼相機(jī)、處理軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，它采用非接觸式高速激光測量方式，獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)。最終由后處理軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換成絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐標(biāo)或模型，以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)源和不同應(yīng)用的需要。

2、點(diǎn)云拼接

經(jīng)過三維激光掃描儀共設(shè)立兩站進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦，通過專用軟件Cyclone處理可以在電腦上清晰顯示掃面結(jié)果，并利用標(biāo)靶進(jìn)行點(diǎn)云拼接。以下為Cyclone顯示效果和點(diǎn)云拼接效果圖：

3、三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

最近幾年，三維激光掃描技術(shù)不斷發(fā)展并日漸成熟，目前三維掃描設(shè)備也逐漸商業(yè)化，三維激光掃描儀的巨大優(yōu)勢就在于可以快速掃描被測物體，不需反射棱鏡即可直接獲得高精度的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這樣一來可以高效地對真實(shí)世界進(jìn)行三維建模和虛擬重現(xiàn)。因此，其已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一，并在文物數(shù)字化保護(hù)、土木工程、工業(yè)測量、自然災(zāi)害調(diào)查、數(shù)字城市地形可視化、城鄉(xiāng)規(guī)劃等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

（1）測繪工程領(lǐng)域：大壩和電站基礎(chǔ)地形測量、公路測繪，鐵路測繪，河道測繪，橋梁、建筑物地基等測繪、隧道的檢測及變形監(jiān)測、大壩的變形監(jiān)測、隧道地下工程結(jié)構(gòu)、測量礦山及體積計(jì)算。

（2）結(jié)構(gòu)測量方面：橋梁改擴(kuò)建工程、橋梁結(jié)構(gòu)測量、結(jié)構(gòu)檢測、監(jiān)測、幾何尺寸測量、空間位置沖突測量、空間面積、體積測量、三維高保真建模、海上平臺、測量造船廠、電廠、化工廠等大型工業(yè)企業(yè)內(nèi)部設(shè)備的測量；管道、線路測量、各類機(jī)械制造安裝。

（3）建筑、古跡測量方面：建筑物內(nèi)部及外觀的測量保真、古跡（古建筑、雕像等）的保護(hù)測量、文物修復(fù)，古建筑測量、資料保存等古跡保護(hù)，遺址測繪，贗品成像，現(xiàn)場虛擬模型，現(xiàn)場保護(hù)性影像。

（4）緊急服務(wù)業(yè)：反恐怖主義，陸地偵察和攻擊測繪，監(jiān)視，移動偵察，災(zāi)害估計(jì)，交通事故正射圖，犯罪現(xiàn)場正射圖，森林火災(zāi)監(jiān)控，滑坡泥石流預(yù)警，災(zāi)害預(yù)警和現(xiàn)場監(jiān)測，核泄露監(jiān)測。

（5）娛樂業(yè)：用于電影產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，為電影演員和場景進(jìn)行的設(shè)計(jì)，3D游戲的開發(fā)，虛擬博物館，虛擬旅游指導(dǎo)，人工成像，場景虛擬，現(xiàn)場虛擬。

4.小結(jié)

實(shí)驗(yàn)表明，通過三維激光掃面技術(shù)可以極大提高目標(biāo)物測量的精度與便捷性，同時避免直接接觸目標(biāo)物，可以最大限度保護(hù)測量人員的安全，同時可以避免對目標(biāo)物特別是文物古跡造成破壞，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后進(jìn)行三維重構(gòu)，可避免二次測量，可以預(yù)見，三維激光掃面技術(shù)的具有巨大的應(yīng)用空間。

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