基于三維激光獲取點(diǎn)云的三維模型構(gòu)建

葉文權(quán)　廖煒婷

摘要：目前國(guó)內(nèi)對(duì)一些大型古建筑文化遺產(chǎn)的傳統(tǒng)測(cè)量方法往往難以獲得十分準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息，這使得專家們?cè)趯?duì)一些大型古建筑進(jìn)行修復(fù)時(shí)十分頭疼。而且在用一些傳統(tǒng)測(cè)量方法的測(cè)量過(guò)程中也存在對(duì)古建筑造成二次傷害的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)如今，隨著科研技術(shù)的發(fā)展，激光掃描硬件的總體水平也在不斷地進(jìn)步。因此，三維激光掃描技術(shù)也越來(lái)越成熟。三維激光掃描儀在一些大型建筑的測(cè)量工作中使用得也越來(lái)越廣泛。三維激光掃描儀的工作原理，是先對(duì)獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取配準(zhǔn)拼接處理，再對(duì)其進(jìn)行去噪簡(jiǎn)化等操作，最后利用建模軟件3DMAX對(duì)大型的古建筑進(jìn)行三維模型的構(gòu)建的過(guò)程。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；點(diǎn)云拼接；點(diǎn)云處理；三維建模

0引言

古建筑的保護(hù)和一些大型文化遺產(chǎn)的測(cè)量與修復(fù)一直是國(guó)內(nèi)較為重大高端的關(guān)注熱點(diǎn)，然而傳統(tǒng)的衛(wèi)星影像、航空攝影等測(cè)量方法所獲取到的大型建筑的空間數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性并不高，其數(shù)據(jù)難以構(gòu)建出精準(zhǔn)的三維模型。三維激光掃描儀因其具有高精度、高密度、高效率、實(shí)施性強(qiáng)、信息量豐富等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用在變形監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、地形測(cè)量、古建筑和文物保護(hù)、斷面和體積測(cè)量等領(lǐng)域。三維激光掃描技術(shù)原理是利用激光測(cè)距儀理論對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行激光測(cè)量從而獲得目標(biāo)數(shù)據(jù)，此技術(shù)可以更真實(shí)地掃描目標(biāo)對(duì)象的整體結(jié)構(gòu)以及形態(tài)特性，快速準(zhǔn)確地生成三維數(shù)據(jù)模型。研究至此可知，因三維激光掃描技術(shù)具有上述眾多優(yōu)點(diǎn)，使得其更加適合對(duì)細(xì)節(jié)特征豐富的大型建筑或者文化遺產(chǎn)展開(kāi)提供三維數(shù)字化處理，由此達(dá)到的測(cè)量精度相對(duì)于傳統(tǒng)方法也隨即獲得了較大的提升。

基于此，本文即研發(fā)給出了通過(guò)三維激光掃描技術(shù)，將獲取到的目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)拼接、去噪簡(jiǎn)化等研究處理后，進(jìn)而又利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)探討、并最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象的三維模型構(gòu)建的全過(guò)程。

1地面三維激光掃描技術(shù)原理

地面三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)的工作過(guò)程，是通過(guò)反復(fù)的采集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)，分辨出由空間點(diǎn)所組成的點(diǎn)云圖來(lái)表達(dá)目標(biāo)對(duì)象的掃描結(jié)果。地面三維激光掃描儀的工作原理是首先發(fā)射出激光束，然后測(cè)得激光束從發(fā)射到返回的時(shí)間，根據(jù)時(shí)間測(cè)得其斜距，在激光測(cè)量其斜距的同時(shí)，還可以通過(guò)三維激光掃描儀中的編碼器記錄下激光束的水平角和垂直角，從而可以解算出被測(cè)目標(biāo)物體相對(duì)于激光掃描儀中心的三維坐標(biāo)。

如圖1所示，三維激光掃描儀位于坐標(biāo)原點(diǎn)，y軸為掃描儀固定方向，在橫向掃描面內(nèi)與x軸垂直，z軸豎直向上，與橫向掃描垂直，x軸由右手坐標(biāo)系確定。圖1中，s是斜距，a是水平角，θ是垂直角，那么可以得到掃描點(diǎn)的三維坐標(biāo)為：