1、三維激光掃描儀2.1 三維激光掃描儀研究背景自上個世紀60 年代激光技術已經開始出現，激光技術以其單一性和高聚積度在20 世紀獲得巨大發展。實現了從一維到二維直至今天廣泛應用的三維測量的發展，實現了無合作目標的快速高精度測量。而且數字地球，數字城市等一系列概念的提出，我們可以看到：信息表達從二維到三維方向的轉化，從靜態到動態的過渡將是推動我國信息化建設和社會經資源環境可持續發展的重要武器。目前， 各種各樣的三維數據獲取工具和手段不斷地涌現，推動著三維空間數據獲取向著實時化、集成化、數字化、動態化和智能化的方向不斷地發展，三維建模和曲面重構的應用也越來越廣泛1。傳統的測繪技術主要是單點精確測量，

2、難以滿足建模中所需要的精度、數量以及速度的要求。而三維激光掃描技術采用的是現代高精度傳感技術， 它可以采用無接觸方式，能夠深入到復雜的現場環境及空間中進行掃描操作。可以直接獲取各種實體或實景的三維數據，得到被測物體表面的采樣點集合“點云”，具有快速、簡便、準確的特點。基于點云模型的數據和距離影像數據可以快速重構出目標的三維模型，并能獲得三維空間的線、面、 體等各種實驗數據，如測繪、計量、 分析、 仿真、模擬、展示、監測、虛擬現實等。其中， 地面三維激光掃描技術的研究，已經成為測繪領域中的一個新的研究熱點。它采用非接觸式高速激光測量的方式，能夠獲取復雜物體的幾何圖形數據和影像數據，最終由后處理數

3、據的軟件對采集的點云數據和影像數據進行處理，并轉換成絕對坐標系中的空間位置坐標或模型，能以多種不同的格式輸出，滿足空間信息數據庫的數據源和不同項目的需要。目前這項技術已經廣泛應用到文物的保護、建筑物的變形監測、三維數字地球和城市的場景重建、堆積物的測定等多個方面。2.2 三維激光掃描技術研究現狀2.2.1 主要的三維激光掃描儀介紹隨著三維激光掃描技術研究領域的不斷擴大，生產掃描儀的商家也越來越多。主要的有瑞士 Leica 公司，美國的FARO 公司和 3D DIGITAL 公司、奧地利的RIGEL 公司、加拿大的 OpTech 公司、法國MENSI 公司、中國的北京榮創興業科技發展公司等。這些

4、掃描儀在掃描距離、掃描精度、點間距和數量、光斑點的大小等指標有所不同2。 主要的分類見圖1-1和表 1-1。1-1 目前市場上幾種三維激光掃描系統產品圖結合實際工程的需要，根據項目的需求進行綜合考慮，選擇最合適的掃描儀。LeicaHDS2500，比較適用于視場角度小的掃描物體,最佳測量距離為50m-60m 時，其點位精度可達到 6mm, 觀測范圍是40°×40°。 而 Leica HDS3000 擇比較適用于建筑土木工程、施工監測、文物保護等項。因為，在50m 處測距精度為4mm，觀測范圍為360°×270°，掃描范圍為300m（90

5、%反射率）和 134m（18%反射率）；還有Leica HDS4500 可以測量到10 萬 -50萬個點，觀測范圍為360° ×310°，最佳掃描范圍為1m-25m,這樣比較適合在短時間內獲取大量高清晰測量數據的工程項目，如一些難以進入內部而且比較復雜的工作現場、隧道、 工業儀器設備制造和文物修復還原工程應用等。Leica HDS6000 每秒可以測量到50 萬個點，觀測范圍為360°×310°，掃描范圍為79m（90%反射率）和 50m（18%反射率），運用當前的技術革新手段，采用合理的方法減少了測量過程中需要的控制點的點數，提高了

6、野外作業的效率。Rigel 公司根據不同的應用領域和技術研究的需求，生產的三維激光掃描儀有機載激光掃描儀LMS-Q560 、地面三維激光掃描儀LMS-Z420i 、工業激光掃描儀LMS-Q120 等； Optech 公司的 ILRIS-3D, 是一臺具有完整、完全便攜式的激光影像與數字化的測圖系統的儀器，掃描范圍在 3m-1500m 之間，可用于工程項目、商業策劃、采礦和工業市場；MENSI 公司的產品主要是短距離高精度的3D 測量應用，能夠達到0.25mm 的精度，為工業工程項目的設計，設備加工和質量監測等領域提供了全新的測量手段；KonicaMinolta 公司的 VIVID9i 是專為逆

7、向工程而設計的，掃描范圍僅10 米以內，屬于超短程三維激光掃描系統。表 1-1 三維激光掃描系統分類劃分指標儀器類型承載平臺機載三維激光掃車載三維激光掃固定站式三維激手持三維激光掃描系統描系統光掃描系統描儀掃描距離遠程，最遠距離300 米Optech ILRIS-3D中程，最遠距離100mLeica HDS3000短程，最遠距離10m-25mLeica HDS4500超短程，最遠距離 10m 以內，faro激光掃描測量臂掃描現場矩形掃描系統環形掃描系統穹形掃描系統掃描方式線掃描系統面掃描系統測距原理脈沖飛行時間差測距相位差測距三角測量原理2.2.2 激光雷達技術的一般流程激光雷達技術包含從外業

8、的數據采集到配準，數據的預處理到最后成果的輸出和應用等系列過程。（ 1 ）外業數據的獲取掃描前需要準備的工作主要包含兩部分：一是控制網布設，二是掃描站點布設。而控制網的布設主要考慮到控制點之間的通視性和控制網的幾何圖形，同時要結合實地不同的情況需要進行合理的選點。在布設好的控制網基礎上，可以設立站點，站點的設計既要保證能夠完全采集所需要的對象的數據，還要能和控制網聯立起來，以便整體距離影像配準及坐標轉換。外業數據掃描就是通過實際的掃描站點布設，根據特征合理的掃描點間距和范圍，采集多個視角、多個位置的數據構成完整的目標對象。（ 2）距離影像的配準原始數據采集包含不同視點和位置的數據，這些數據需要

9、統一到一個整體的位置，必須要在相鄰站點中尋找控制點或類似的公共部分，通過這些特征條件來利用這些約束關系將距離影像配準，最終將所有距離影像統一到基準坐標系中。坐標系統也要根據具體情況而定，一般需要轉換到測量坐標系或者是建筑坐標系，或者是空間對象的局部坐標系。（3）數據的預處理數據預處理包含噪聲削減與去除兩部分。距離影像的原始數據噪聲包含兩部分，一部分是由于激光雷達本身在獲取對象表面數據過程中，包含有外界不相干目標的遮擋而產生的距離影像數據本身存在的噪聲。另一種噪聲就是數據配準過程中存在誤差產生，最常見的就是數據疊加產生的“厚度”3 ，在利用數據之間，需要對這些噪聲做一定的處理工作，對于第一類數據

10、噪聲通常可以采用手工選擇刪除的方法，對于后者一般采用重疊區域的重采樣或者其它削減的手段。（4）成果制作與輸出激光雷達技術最直接的成果就是整體的距離影像模型和三維的重建模型，影像可制作的成果包含原始的模型、剖面、特征體和數據模型（包含三角網、Nurbs、簡單幾何模型等） 也可以制作彩色的模型，輸出正射影像圖和立體模型等。2.3 三維激光掃描技術的應用現狀2.3.1 在文化遺產保護領域應用中的研究現狀在信息技術時代高度發展的今天，文化遺產的數字化發展程度已經成為評價一個國家信息基礎設施的重要標志之一。用現代信息技術可使文化遺產數字化，具有重要的社會價值和經濟意義。文化遺產數字化可以保存一份真實的、

11、完整的數據記錄，一旦出現意外破壞，可以根據這些真實的數據重新進行修復和完善；文化遺產數字化將為旅游業發展帶來新的機遇，基于數字技術的旅游網絡業，可以建立虛擬旅游景點，全面開發旅游文化資源，徹底改變旅游服務模式，成為網絡經濟中“異軍突起”的一支力量，這樣的“旅游活動”也與當代“素質教育”的基本主題產生了重大聯系，它提高現代人的文化素質與涵養，還有助于人們形成現代文化的思想，從而對現代人的精神世界產生影響；文化遺產數字化將激發現代教育不斷向前發展，在數字技術教育產品市場需求大量增加的情況下，大量可接觸和不可接觸的文化遺產正在轉化為最有價值的產業資源，利用數字化信息技術在虛擬現實空間中再現真實的歷史

12、地理信息，能夠與博物館、圖書館、檔案館的文字資料、文物圖像實現“鏈接 ”，甚至可輔以不同領域專家學者的咨詢與解說，使得傳統的課堂教育與廣義的文化信息資源實現系統鏈接，從而將傳統的應試教育與素質教育走向一個新的領域。利用三維激光掃描技術，對文物實體和實景進行拍攝建模，對僅留殘跡的古建筑、古遺址實施計算機三維圖形模擬還原、再現本來的風貌；或利用計算機三維圖形技術可以進行三維物體設計應用于文物的復仿制工藝中；或用于文物三維模型重建、保存數據、輔助修復等，從而將文物的展示、保護提高到一個嶄新的階段，推動文博行業更快地進入信息時代，實現文物展示和保護的現代化。2.3.2 在空間信息技術領域應用研究現狀地

13、球空間信息技術是當今世界各國研究的熱點之一,信息的獲取、處理及應用是其研究的三大主題。空間信息的快速獲取與自動處理技術也是“數字地球”、 “數字城市”急需解決的關鍵技術。傳統的測距測角工程測量方法，在理論、設備和應用等諸多方面都已相當的成熟， 新型的全站儀可以完成工業目標的高精度測量，GPS可以全天侯精確定位全球任何位置的三維坐標，但它們多用于稀疏目標點的高精度測量，對于目標點密集的物體及水下目標、目標點眾多且處于運動狀態的物體等，它們則顯得無能為力了。三維激光掃描測量技術的發展為人們獲取豐富的空間信息提供了一種全新的技術手段。激光掃描技術與慣性導航系統（INS） 、全球定位系統（GPS） 、

14、電荷耦合（CCD）等技術相結合，在大范圍數字高程模型（DTM ）的高精度實時獲取、城市三維模型重建、局部區域的地理信息獲取等方面表現出強勁的優勢, 成為攝影測量與遙感技術的一個重要補充。,國內外很多科研院校正在加快三維激光影像掃描技術的基礎理論和技術應用方面的研究。為促進激光掃描技術的發展和加強在這方面的交流，ISPRS WG III/3 將研究的主體定為從激光掃描儀和其它傳感器獲取的點云數據處理，ISPRS WG V/3 將研究的主體定為地面激光掃描儀。它們會定期舉行會議，加大系統開發者、數據供應商和用戶之間的交流，展示最近的研究成果，討論以后的發展趨勢和潛在的應用等。三維激光掃描技術在空間

15、信息領域正如火如荼的進行著，并隨著計算機圖形學、光學、電學等相關技術的發展，以及從點云數據重建三維模型數據處理方法的日益完善，更好的服務于人類，滿足人們的要求，提高人民的生活水平。2.3.3 在其他領域應用研究現狀隨著三維激光掃描技術、三維建模的研究以及計算機硬件環境的不斷發展，其應用領域日益廣泛，逐步從科學研究發展到進入了人們日常生活的領域。在制造業中，基于三維激光掃描儀數據的快速原型法為產品模型設計開發提供了另一種思路，縮短了設計和制造周期、降低開發費用，極大地滿足了工業生產的需求，它與虛擬制造技術( Virtual Manufacturing ) 一起，被稱為未來制造業的兩大支柱技術，目

16、前已成為各國制造科學研究的前沿學科和研究焦點。在牙齒矯正和顱骨修復等醫療領域利用三維激光掃描技術進行三維數據重構和造型4。基于三維激光掃描儀重建的三維模型，可直接應用到國防單位、法律執行機關及政府機構等安全辨認上。在電腦游戲業方面，制作者盡量追求游戲的真實和畫面的華麗，于是三維游戲應運而生，從人物到場景，利用三維激光掃描儀獲取數據構建三維場景，不但具有很好的視覺效果和沖擊力，而且人物設計及豪華的3D 場景刻畫極為精致細膩，對比以前比較呆板的2D 游戲，其在真實性和吸引力上的優勢是顯而易見的。在電影特技制作方面，也有著廣泛的應用。演員、道具等由掃描實物建立計算機三維模型后，許多危險的鏡頭只需要在

17、計算機前操作鼠標就可以完成，而且制作速度快、效果好。最近幾年，三維建模技術運用于電影制作取得了令人驚異的進展。三維激光掃描技術的介入促進了應用領域的發展，同時應用領域的大量需求成為研究的動力。第 2 章 點云數據配準算法的概述2.1 配準的意義和概念距離影像又稱點云，由無數具有灰度或彩色信息的空間點陣構成。在影像合并拼接或配準過程中，這種陣列形式可能被打亂，這時候距離影像中的點陣就變成散亂的點。由于被掃描物體或場景的復雜性和三維激光掃描儀的本身視場角掃描距離的限制，每次掃描只能獲取物體或場景某一個部分的點云數據。為了獲得完整的點云數據，就必須從不同角度和不同位置對物體或場景進行掃描。但是由于每

18、次掃描得到的點云數據中，每個點的三維坐標，都是相對于該掃描儀，是一個獨立的坐標系。因此就需要通過配準算法，將幾站處于不同坐標系下的點云數據轉到統一的坐標系下，這個過程就是配準。如下圖：激光雷達的影像數據結構包含極坐標系、球坐標系、柱坐標系等多種，根據掃描儀的不示。垂直方向則跟儀器擺放的水平程度有起始水平方向與單幅距離影像的初始狀態一般都是以掃描儀中心為原點的獨立坐標系， 儀器擺放的位置方向和儀器自身檢測的定位方向有關，關。2.2點云數據配準的原理配準是把多個不同站獲取的數據拼合在一起，生成一個單一的坐標系統的過初始的坐標系統是由指定的其中某一個獨立的基站位置和方向決定的。程。接完成后，多個Sc

19、anWorld就被合并到一個新的ScanWorld中。2-2-1 配準原理示意圖22如圖 2-2-1 所示， 視點 1 和視點 2 分別對同一實體P 進行掃描，每一站數據相應的坐標系為 Scanworld1 和 Scanworld2，以這兩站數據為參考進行配準。以Scanworld1 作為基準，實際上就是求Scanworld2 到 Scanworld1 的變換參數，反之亦然。即由三個角元素(、 、k)組成的旋轉矩陣R 和 3 個平移量(X , Y, Z )組成的平移向量T。變換條件滿足：xp1xp22-2-1 )yp1 R yp2T12zpzpScanworld2 轉換到 Scanworld1

20、 的坐標系中。第 3 章 點云配準方法的應用研究3.1 配準前的準備過程距離影像文件：該文件來自Leica 公司的各系列掃描儀，我們主要使用的是Scanstaion2，它是全球掃描速度最快的脈沖式三維激光掃描儀，掃描速度50000 點 /s，是全球第一個帶有全站儀功能的三維激光掃描， 其全方位視場角360 °× 270° ， 能夠掃描建筑的天花板或頂棚、橋梁下底面、架空管道支撐架、高大物體的立面、柱狀或塔式建筑物。全站儀的視場角沒有限制， Scanstaion2 的雙軸補償為± 5'，比全站儀更加靈活和自由，可以根據測量控制點完成高精度的導線測量

21、。點云數據主要以.ptx 文件格式存儲，該文件前兩行分別表示點云的行數和列數，第四行表示為位移矩陣，第五行至第七行表示為3*3 的旋轉矩陣，第八行至十一行表示為4*4 的變換矩陣，從十二行開始至文件結尾，表示點的坐標值和灰度值。其中無效點坐標表示為( 0 00 0.500000) ，整個文件可能被分成幾塊這樣的部分。使用 WindowsXP 操作系統，在CAD2006 環境下安裝Cyclone5.8 軟件，在按要求安裝好 cyclone 軟件。 cyclone 軟件是采用點線面約束和點云約束的配準方法，結合點云配準與多站距離影像整體配準的原理實現的9 。因此，為驗證其各種方法的精度，可以采用C

22、yclone5.8 軟件得出實驗結論。雙擊運行一下sos_cyclone.exe即可。1 .運行cyclone 軟件。2 .右鍵單擊SERVERS 打開 Servers 的 ADD 菜單，輸入本地計算機名(Richard) ，點擊add 后創建完服務器，如下圖：同 樣 步 驟 右 擊 數 據 庫 Richard 單 擊 Database 菜 單 的 對 話 框 里 輸 入 DatabaseName(Taihedian)和數據庫存儲路徑；接著右擊Taihedian 導入數據菜單import .找到需導入的文件后選擇Single,Merged Cloud 項點擊 OK 導入。可連續導入幾個數據。3

23、.2 控制點配準法的操作過程右擊 Taihedian 菜單，新建配準窗口：Create->Registration 后取名為“控制點配準”，雙Registration 控制點配準。點擊Add ScanWorld 圖標或點擊ScanWorld 菜單在級連菜單中選擇Add ScanWorld 項導入兩站數據，一定要包括一個基站數Set Home ScanWorld 用來選定基站（點Set Home ScanWorld 圖標或點擊ScanWorld 菜單在級連菜單中選擇Set Home ScanWorld接下來點擊Auto-Add Constraint 圖標或點擊Constraint 菜單在級

24、連菜單中選擇Auto-AddConstraint 項自動加入各個標靶控制點數據，接著點擊Register 圖標按標靶點坐標配準，此精度要求達到后鎖定配準結果和創建一ScanWorld, 點擊 Create ScanWorld/Freeze Registration 圖標即完成此功能。最后從ScanWorld 中創建 ModelSpasce 即可。下圖即為兩站的配準結果：按以上步驟加入其他各站數據配準后的結果如下圖：3.3 特征面配準法的操作過程按控制點配準法的操作步驟新建配準窗口后打開Cyclone-Navigator主導航窗口，打開至少需要三對平面需要拼接兩站的ModelSpaces 窗口，

25、 分別切取點云中較平整的平面點云， 作為約束條件進行點云拼接，三對平面要求基本呈正交關系。通過 Polygonal Fence Mode （多邊形欄選）或Rectangle Fence Mode（矩形欄選）圖標在Copy Fenced ToModelSpaces 窗口點云中選中相應的平面點云,單擊右鍵點擊級連菜單中的New ModelSpace 項，將選中平面點云復制到新的ModelSpaces 中以便操作。在NewModelSpace 中修剪一下點云，祛除噪聲點，操作步驟如下圖：準備好要擬合的點云后單擊右鍵，Fit Fenced->Patch 點擊后即將點云擬合為平面。接下來按下圖步驟

26、將平面變為規則矩形平面：單擊快捷鍵i( information ) 彈出 Patch Info 擬合信息框，主要是要查看Fit Quality: ErrorStd Deviation = 0.033 m 項，如果其值大于0.030m 則要重新修剪點云重新擬合直至小于 0.030m。擬合好平面之后將其標記定名，操作如圖：關閉 New ModelSpace 時合并平面到原始點云中去并刪除現有平面，如圖：按此步驟重復擬合三對點云備用。回到或打開“Registration: 特征面配準”窗口點擊接下來點擊 Auto-Add Constraint 圖標或點擊 Constraint 菜單在級連菜單中選擇A

27、uto-Add Constraint 項自動加入三對擬合平面數據并從中 delete 掉控制點數據（右鍵單擊控制點數據點delete 即可） ，接著點擊Register 圖標按三對平面數據配準，此時可以按根據已經配準的誤差調整那些點需要與否（如果擬合多于三個平面的話）。精度要求達到后鎖定配準結果和創建一個已配準的ScanWorld,點擊 CreateScanWorld/Freeze Registration 圖標即完成此功能。最后從已配準好的ScanWorld 中創建ModelSpaces 即可。下圖即為兩站的配準結果：3.4 公共點云配準法與混合配準法的操作過程新 建 配 準 窗 口 后 打

28、 開 配 準 窗 口 ， 在 基 站 上 單 擊 右 鍵 選 擇 級 連 菜 單 Cloud Constraint->Cloud Constraint Wizard 即可將兩站點云數據顯示在下面的兩個窗口中，分別在兩站點云數據選出四對以上的對應點，其位置應該大致相同。選完后點擊Constraint 框的Add Constraint 按紐即導入一組對應點，如下圖。1 ）用公共點云配準法拼接的最終結果如圖：2）混合配準法的操作步驟：特征面和控制點混合配準法的配準結果如下圖：3.5 配準方法的檢驗與應用成果切割點云的本質是劃分一片完整的點云為小的子集點云。這是劃分點云為若干獨立的子集點云的一種