目錄摘要 1ABSTRACT 21、緒論 31.1研究背景 31.2研究目的 41.3研究現狀 41.4三維激光掃描系統的工作流程 71.5全文的組織結構如下： 92、三維激光掃描儀的工作原理及分類 102.1距離測量 122.1.1三角測距法 122.1.2脈沖測距法 132.1.3相位測距法 132.2測角方法 142.2.1角位移測量法 142.2.2線位移測量法 142.3掃描方法 142.4轉換方法 152.5三維激光掃描儀的分類 152.5.1按平臺分類 152.5.2按距離劃分 152.5.3按工作原理劃分 163、點云數據的獲取 163.1非接觸法 173.1.1主動法 173.1.2被動法 174、激光掃描系統的定位 184.1獲取整個測區范圍內各個地物的相對位置關系的定位 184.2激光掃描系統的整體定位 195、點云數據的配準 195.1部分區域的配準方法 205.2全局配準 205.2.1動態法 215.2.2ICP算法 215.2.3基于灰度的配準算法 215.2.4基于幾何特征的配準算法 216、點云數據的處理 226.1點云數據去噪處理 236.1.1雙邊濾波去噪處理 246.1.2小波閾值去噪 24圖：小波去噪過程 246.2點云數據的壓縮 246.2.1曲線擬合的方法 256.2.2區域重心的壓縮方法 256.2.3共頂點法 267、地物的三維模型和對模型的分析 277.1地物的三維模型 277.1.1點云模型 277.1.2三角網模型 287.2對地面實物模型的分析 287.2.1.對古物的分析 287.2.2.進行地物的變形監測 297.2.3建立數字城市 298、紋理映射 308.1紋理貼圖的流程 308.2圖像拼接與映射 30結論 31致謝 32參考文獻 33基于地面三維激光掃面技術的三維模型重建PAGE31基于地面三維激光掃面技術的三維模型重建摘要隨著科學技術的進步，外業測量技術的不斷提高，地面實物的模型建立也越來越受到世界范圍內各國科技人員的關注。由于傳統的測量技術精度不高，要受到很多方面的影響，所以利用激光測距原理發展起來的激光掃描儀就變得很有優勢。激光相干性比較好，測距快速準確。所以利用激光掃描儀進行的地面實物的測量不但速度快、精度高，而且還具有實時性強等特點。三維激光掃描儀可以按照平臺、掃描有效距、工作原理等進行分類。激光掃描儀可以對各種復雜的環境進行探測，而且探測的領域還比較廣，像城市規劃時的探測、礦物的探測。三維激光掃描儀可以將探測到的地面實物的數據輸入計算機中進行處理，然后進行地面實物的模型重建工作。模型重建對社會生活中的很多方面都有很大的幫助，像進行考古工作的人員就可以利用激光掃描模型重建技術建立古物的模型，這對考古分析工作非常重要。除此以外，還可以利用三維激光掃描技術的模型重建進行數字城市的建設等。本文主要分析了三維激光掃描系統的工作原理與分類，以及利用三維激光掃描儀進行地面實物的模型重建的基本流程和在每一個流程中可以實現的方法，最終建立地面實物的立體模型。關鍵字：激光掃描、點云數據、定位、模型重建BASEDONTHEGROUNDTHREE-DIMENSIONALLASERSCANNINGTECHNOLOGYOF3DMODELRECONSTRUCTIONABSTRACTWiththeprogressofscienceandtechnology,thefieldmeasurementtechnologyunceasingenhancement,thephysicalmodelisbecomingmoreandmoreattentionbycountriesaroundtheworldwithinthescopeofscienceandtechnologypersonnel.Becauseofthetraditionalmeasurementtechnologyofprecisionisnothigh,affectedbymanyaspects,sodevelopedusinglaserrangingprinciple,laserscannerbecomesveryhaveanadvantage.Thelasercoherenceisbetter,rangeandfast.Sousinglaserscannertothegroundnotonlyphysicalmeasurementspeed,highprecision,butalsohasthecharacteristicsofrapidity.Accordingtotheplatform,3dlaserscannercanscaneffectivedistance,theprincipleofclassification.Laserscannerisabletodetectallkindsofcomplicatedenvironment,anddetectionfieldisrelativelywide,likeurbanplanningatthetimeofthedetection,detectionofminerals.3dlaserscannercandetectthegroundofthephysicaldatainputinthecomputerforprocessing,thenthegroundphysicalmodelreconstruction.Modelreconstructionofmanyaspectsofsociallifehaveverybighelp,likeforthearchaeologicalworkpersonnelcanuselaserscanningmodelreconstructionoftheantiquitiesofmodel,theanalysisofarchaeologicalworkisveryimportant.Inaddition,themodelofthethree-dimensionallaserscanningtechnologycanbeusedtorebuildfortheconstructionofdigitalcity,etc.Thisarticlemainlyanalyzestheworkingprincipleandclassificationof3dlaserscanningsystem,andtheuseof3dlaserscannerforgroundobjectsmodelreconstructionofthebasicprocessandcanbeimplementedineachprocess;themethodofgroundobjectthree-dimensionalmodelisestablishedfinally.KEYWORDS:Laserscanning,thepointclouddata,positioning,andmodelreconstruction1、緒論1．1研究背景三維激光掃描技術，又稱“實景復制技術”。它通過激光掃描測量的方法，獲取被測對象表面的三維坐標數據。傳統的地面物體的三維模型重建在很長時間內由于受到儀器設備等和一些技術水平的限制，致使傳統的這些三維地面實物的模型重建很大一部分都是建立在圖片信息的。這些建立在圖片基礎上的三維地面實物的模型重建雖然在三維信息的全面性和幾何程度的準確性上還有一定的差距，但是這種建立在圖片基礎上的三維地面實物的模型建立技術非常有效的繞開了關于現實場景的幾何方面的復雜性質。傳統測量所測的的數據最終輸出的都是二維結果（如CAD出圖）。數字化的今天，三維已經代替二維。時代在不斷的發展，隨著掃描技術的不斷進步和先進的、效率高的掃描儀成本的不斷下降，利用激光掃描技術進行地面實物模型的重建工作也變得越來越簡單化，越來越普及化。利用掃描儀得到的掃描數據進行三維地面實物的模型重建工作絕大部分是先對掃描儀掃描的數據提前處理一下，然后再對掃描儀獲取的數據進行數據的配準工作，將獲得的掃描數據統一在同一個坐標系統條件之下，之后還要進行網格化等操作來建立地面實物的三維模型。與建立在圖像基礎上進行的三維地面實物的模型重建相比較，這種建立在激光掃描獲取的掃描數據進行的三維地面實物的模型重建不但能夠建立具有很強的三維立體模型，而且用這種激光掃描數據建立的三維地面實物模型具有更好的真實感，除此以外，這種模型的立體感也比利用圖片建立的三維地面實物模型具有更高更準確的的幾何信息。在現在的社會中，利用激光掃描技術獲得的激光掃描數據進行的三維地面實物的模型重建技術在現代科學、數字城市建設、工程建設等許多方面都有著很深很廣的意義與應用。現在，在小型地面實物的三維模型重建這項研究方面發展的己經非常迅速非常成熟。針對大型的較大型的地面實物的三維模型的重建方面的研究雖然已經取得了突破性的發展，但是還是有許多不完善的地方需要進一步加強鉆研進而使這一方面的發展能夠取得更大的前景。立體真實感比較強、幾何準確度比較高的三維地面實物的模型重建具有非常廣的市場，例如在城市建設、地質探測、環境保護、區域規劃等很多方面都涉及到了建立這類立體模型。因為三維地面實物的模型重建這項技術發展的越來越迅速，應用的范圍也越來越廣，所以研究運用怎樣的方法來研究出高效的立體感較強的三維地面實物的模型重建技術也變得越來越吸引人們的注意。世界上雖然就建立在激光掃描儀獲取的掃描數據的基礎上進行的三維地面實物的模型重建的技術進行了很多方面的研究，但是存在很多方面的不足，比如普遍試用性差、推廣率很低。這些缺陷雖然造使得了三維地面實物的模型建立這項技術發展緩慢，但是隨著社會的發展，高科技人才的不斷上升，這些缺陷也會在人們的研究中不斷的減少。相信隨著科技的進步，三維地面實物模型的建立這項技術也會變得越來越成熟，應用也會越來越廣泛。1．2研究目的三維激光掃描技術是一項高新科學技術。世界內很多國家都在這一方向不斷的進行研究。本文主要對三維激光掃描的技術的研究現狀和工作流程進行了論述，并且還講述了這些流程中的一些方法。精確的三維立體模型在公共服務、救援、軍事偵察等領域有著重要作用，激光掃描傳感器在三維立體模型重建中應用廣泛。雖然三維激光儀器獲取的掃描數據的獲取方式、獲取時的環境因素和觀測人員的不同等方面存在一定的誤差，但是這種數據的獲取速度比較快，效率比較高，所以在今后的時代，關于三維激光掃描技術獲取的數據進行模型重建技術會越來越受到人們的重視，發展出一個屬于自己的全新的領域。因此有必要就三維激光掃描技術的發展及其應用前景作出相應研究，以便對其有較為深入的認識，從而以便其更好、更廣、更方便的應用于各個領域工作。1．3研究現狀隨著科技社會的不斷發展，關于三維地面實物的模型重建這個領域也越來越引起了世界各國的關注，越來越多的專家學者在這方面進行了大量的實驗，使得關于三維地面實物的模型重建這項技術發展的更加先進，可以運用到社會生活的許多領域。最早出現的關于三維地面實物的模型重建技術是建立在圖像基礎上的。這種建立在圖像基礎上的三維地面實物的模型重建技術的方法有兩種。①很常見的建立在圖像基礎上的三維地面實物的模型重建技術一種方法是按照多個視圖建立立體幾何的這個思路，通過分析這些圖像，得出自己想要的內容，并根據這些內容信息建立三維地面實物的模型。②另外建立在圖像基礎上進行的三維地面實物模型重建的方法就是預先把你要建立的關于三維地面實物的圖片輸入到計算機中，然后通過專業方面的軟件生成一個全新的視點圖像，這之后再進行三維地面實物的模型重建，這樣就建立了模仿地面實物的模型。第一種方法對規模較小的三維地面實物的模型重建比較合適，對于地形地貌比較發雜，范圍較廣，規模較大的地面實物來說，因為有電腦處理的時間的制約這種方法就不太適用。除此以外，因為這種按照多個視圖建立立體幾何的這個思路，通過分析這些圖像，得出自己想要的內容，并根據這些內容信息建立三維地面實物的模型的方法會對大量的圖像信息進行處理，所以耗時比較長。M．Pollefeys等人提出了通過照相機得到的圖像來對地面實物進行模型重建這樣一種方法和D．Nister提出的關于利用沒有注記的視頻序列來自動恢復場景信息的方法就是第一種方法的代表。第二種方法雖然很好的繞開了關于現實地物本身具有的幾何方面的繁復的信息，但是距離高程度的恢復三維地面實物的信息還是有一定的差距。對于虛擬這方面來說這種方法還比較好，但是對于要精確的建立三維地面實物的模型來說，還是有一定的距離的。用這種方法建立的三維地面實物的模型在真實性等方面還有所欠缺。1990年出現的IBMR(Image．BasedModelingandRendering)技術就屬于預先把你要建立的關于三維地面實物的圖片輸入到計算機中，然后通過專業方面的軟件生成一個全新的視點圖像，這之后再進行三維地面實物的模型重建。早期出現的三維地面實物的模型重建技術由于在建立模型所需要的時間方面、幾何保真度方面、現實存在感方面等許多方面存在缺陷所以并不是發展的很好。隨著科學技術的不斷發展，模型重建技術也在不斷的提高。現在建立在激光掃描儀獲得的掃描數據的基礎上進行的三維地面實物的模型重建技術日漸成熟。利用激光掃描儀獲取的掃描數據建立的三維地面實物的模型不僅在信息方面具有很高的準確度，而且可以得到地面實物的許多詳細的信息。用這種方法還具有很高的工作效率，得到的模型還比較精確。利用激光掃描數據建立的三維地面實物的模型不僅可以滿足精度較高的測量方面的需要，而且還具有很高的保真度。利用這種方法建立模型還可以把建立過程中的數據存儲起來。我們國家對建立在激光掃描儀獲取的掃描數據的基礎上建立的三維地面實物的模型重建方面的這項技術發展的還算不錯。與世界上的某些國家相比，我們國家在這個方面的研究雖然開始的并不算早，但是并不代表我們在這個方向領域的研究就很落后，在這個方向的研究還是取得了一定的建樹的。國內起步于20世紀90年代中期，但經過十多年來的研究，許多的科研單位已經掌握了三維激光掃描儀的基本原理。國家"863"計劃先后支持了這一技術的研究。經過逐步的產業化，國內現在已有不少單位從事開發和生產三維激光掃描儀的方向。從21世紀開始，北京大學開始了一項關于三維模型建立的研究。研究組成員通過利用高分辨率的數碼相機和激光掃描儀，并結合全方位的攝影系統，來對需要進行三維建模的地面實體進行數據信息等的采集，采集之后進行點云數據的配準和處理，最后進行三維地面實物的模型建立。三維模型的紋理映射與顯示；三維模型的拓撲結構保存與轉換等領域。2005年，北京師范大學的研究人員研究出了建立在激光掃描儀獲取的掃描數據基礎上的戶外地面實體表面的三維模型重建技術，這項技術可以進行實物表面的模型重建。至今為止，全世界范圍內的針對建立在激光掃描儀獲取的掃描數據的基礎上建立的三維地面實物的模型重建都存在受環境因素、光照因素、地面實物本身的因素、通視與否因素等諸多因素的影響，所以建立的這些三維地面實體模型都比較簡單。為了進一步的研究建立更深一層的地面實物模型，世界各國有大量的科研工作人員潛心在這上面。與我國相比，國外在這個領域的研究遠遠比我們國家要前沿的多。M。Ievoy與他的科研團隊成員通過結合獲得高分辨率的圖像技術和激光掃描儀這兩項技術，完成了Michelangelo的一個作品雕塑的重建工作，并在此基礎之上說明了關于這方面的技術。Y．Yu等人進行場內實物模型的建立的過程時，提取出研究范圍內的部分實體，研究處出來了三維實物的模型重建的移動和編輯這兩個功能。Zhao等研究人員發明了一個動態數據獲取系統，這個系統是通過把1臺照相機和2臺2D激光掃描儀綁定在一輛可以移動的汽車上，隨著汽車的不斷移動，照相機把地物表面的信息都拍下來，激光掃描儀把地物的三維信息存儲下來，然后再建立這個研究區域的三維立體模型。NRC(NationalResearchCouncil)的E1．Hakim等科研人員通過將CCD線陣照相機和激光掃描儀綁定在一個可以移動的小車上，建立了DCR。Frfih等研究人員通過結合航空攝影時獲取的影像數據、激光掃描數據這兩種數據建立了地面樓房的屋頂的立體模型。Allen和I。Stamosp。發明了能夠在相同的時間條件下獲取地面實物的彩色和深度圖片，并根據獲得的圖片建立相應的地面實物的模型這樣一個系統。通過測量儀器獲得的離散點坐標來建立地面實物的三維模型是難以實現的，但是三維激光掃描技術可以使地面實物實現從二維到三維的轉化，支撐起其他后續的一些基礎數據。三維激光掃描系統不但可以把各種各樣的地面實體的幾何和深度數據輸入到計算機中，然后高效率的建立出地面實物的三維模型。還可以直接進入到所要研究的區域內并且通過激光掃描儀獲取的掃描數據還可以在后期工作中繼續使用。三維激光掃描系統在我國還處在應用的起步階段，在數字城市、古物保護、道路交通、測量應用等方面還是有一定的研究成果。1．4三維激光掃描系統的工作流程激光是20世紀60年代出現的一項新的技術。已經被廣泛的應用與軍事、醫學、建筑等方面的領域。激光具有很強的相干性。建立在激光掃描儀獲取的掃描數據的基礎上進行的三維地面實物的模型重建是由數據獲取、系統定位、數據處理、模型重建和紋理映射等步驟組成的。數據獲取可以通過不同的方法獲得，如外業測量獲得，GPS測量獲得等。系統定位可以分為局部定位和全局定位。數據處理包括數據配準、數據壓縮等。模型重建可以根據實際情況建立比較適合的模型，如點云模型。三角網模型等。雖然建立在激光掃描儀獲取的掃描數據的基礎之上進行的三維地面實物的模型重建的系統各不相同，但是這些系統通常由以下來這些過程組成。(1)點云數據的獲取：點云數據的獲取就是指獲取與需要建立模型的地面實物相關的信息。通常就是通過操作激光掃描儀來獲取數據的。在進行點云數據的獲取時，對需要進行掃描的區域進行規劃一下。除此以外，激光掃描儀的選取、數據的格式這些因素都需要我們進行考慮。只有這樣，才能獲得精度比較高的點云數據。在進行各種三維地面實物的模型建立過程中這些因素均要被考慮進去。點云數據的獲取可以借助許多其他的設備，例如運用激光掃描儀獲取、GPS接收機獲取、照相機攝影及獲取等。(2)系統定位：激光掃描系統的定位是非常重要的，在取得點云數據之后首先就要進行激光掃描系統的定位。通過激光掃描系統的定位可以確定在在整個需要研究的區域范圍內各個地面實物之間的相對位置并且還可以獲取研究區域相應的信息。三維激光掃描系統的定位可以分為兩個方面，第一方面為三維激光掃描系統的整體的定位，第二方面為三維激光掃描系統的局部的定位。激光掃描系統的整體定位用于獲取三維激光掃描系統在整個區域范圍統一的參考情況下的位置情況。激光掃描系統的相對定位是用來獲取研究區域范圍內整個過程中各種地面實物之間的相對位置。因此，通過激光掃描系統的定位可以得出各個地物在整個研究區域內的位置信息，并且還可以獲得整個變化過程中各個變化時刻的位置信息。(3)點云數據的配準：要想建立整個研究范圍的相應的三維地面實物模型，應該選擇許多不同的位置來對研究區域進行掃描觀測。掃描觀測之后把從各個位置獲得的數據進行出路，生成新的位置，這便把點云數據統一在了相同的坐標系中。因為通常情況下進行研究的區域都很廣，而且在研究過程中還要受到環境因素、人為因素、儀器本身的因素等方面的影響，因此每次研究獲得的都是本次位置情況下的數據，這種情況下的數據是在當前儀器坐標系統中產生的。數據的配準其實就是建立兩個坐標系之間的變換。變換可以通過三維的平移向量和建立和一個3×3的旋轉矩陣來進行。點云數據的配準就是解算出(R，a)。至少需要3個同名相點才能結算處R和a。(4)點云數據處理：在進行測量的過程中，由于測量的客觀環境和被測量的物體本身存在的復雜性等因素，會造成測量的關于被測的實物方面的數據存在不完整性，這給三維地面實物的建模帶來困難，這時候就要對測量的數據進行加密。測量時如果得不到測區范圍內全部的地面實物的數據信息，應該從多個方位對同一個地面實體進行多次的量測，得到地面實體的數據，然后對測量的數據進行拼接，建立地面實物整個表面的點云數據。因為在測量過程中，操作人員的變動和外界環境的不斷變化都會使測量的結果不太準確，這時候有可能造成測量的地面實物的坐標出現不正常的現象，通常情況下這些異常的點都會被排除。除此以外，如果用激光掃描儀獲得的地面實物的數據非常密，這時候也要對這些數據進行處理，就是我們說的均勻化。為了提高對地面實物的測量精度，這時候掃描的數據量會非常的高。這些數據量可甚至可以達到幾百兆的字節，所以在進行數據處理時就要壓縮點云數據了。(5)三維建模：進行三維地面實物的模型建立的過程中，如果已經獲得了地面實物在研究區域內的相互位置關系，那么之后就可以進行地面實物的模型重建了。運用激光掃描儀掃描得到地面實物的深度數據和幾何數據是一個建立在不同的方位上的動態的過程，也就是說每用激光掃描儀進行一次掃描后，獲得的地面實物的數據均是在這次掃描時的方位位置作為原點，然后以這個原點建立相應的坐標系統。所以，要把用激光掃描以獲取的地面實物的數據統一在相同的坐標系中，這時候就要將在不同的掃描方位獲得的地面實物的數據進行融合處理。經過數據融合處理后，將會得到不連續的地面實物的點云數據。這種不連續的數據對于地面實物的模型重建缺乏一定的準確性。這時候就需要利用得到的這些點云數據進行三角網模型的建立，這樣才能更加真實準確的表示出地面的實物。(6)紋理映射：紋理映射（TextureMapping）是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程。紋理映射包括紋理貼圖和圖像的拼接兩個方面。為了是建立的地面實物的模型具有很高的真實性，在建立了三角網這樣的模型之后，還要對建立的模型進行紋理的貼圖和圖像的拼接，即紋理映射。1．5全文的組織結構如下：第l章緒論部分，本章講述了關于建立在激光掃描儀獲取的掃描數據基礎之上進行的模型重建的研究背景、研究目的、研究現狀、模型建立的基本流程等內容。第2章是講述了三維激光掃描儀的工作原理和系統的工作流程等。第3章是數據的獲取部分，這一章主要講述了點云數據的獲取方法。第4章系統的定位部分。本章講述了系統的定位的分類方法。系統的定位方法分為整體定位和根據相對位置來進行定位這樣的兩種方法，除了介紹分類方法之外，還講述了這兩種分類方法各自所具有的特點。第5章點云數據配準部分，要想建立整個研究范圍的相應的三維地面實物模型，應該選擇許多不同的位置來對研究區域進行掃描觀測。掃描觀測之后把從各個位置獲得的數據進行出路，生成新的位置，這便把點云數據統一在了相同的坐標系中。這就是通常所說的點云數據配準。本章主要討論了點云數據配準的一些基本方法。第6章點云數據處理。在進行地面實物的模型建立的過程中必須進行數據的處理。在獲得激光掃描數據后第一步進行了掃描系統的定位之后，第二步就要對獲得的掃描數據進行處理。進行數據處理就是為進行地面實物的模型重建除去一些不必要的數據。這一章將主要介紹點云數據的去噪處理方法和點云數據的壓縮處理方法。第7章地面實物的模型建立。這一章介紹了幾種不同的模型和建立這些模型的過程，另外，還對這些模型進行了分析，看這些模型適合哪些領域應用。第8章紋理映射部分。紋理映射是將紋理空間中的紋理像素映射到屏幕空間中的像素的過程。在三維圖形中，紋理映射的方法運用得最廣，尤其描述具有真實感的物體。在這一章主要介紹了紋理映射的一些方法和特點。在文章的結尾部分自己做個總結，并對我的老師們致以感謝。2、三維激光掃描儀的工作原理及分類三維激光掃描技術就是利用三維激光掃描儀對地面的實物進行測量，獲得地面實物的特征數據，然后對獲得的點云數據進行處理，建立地面實物相應的模型。三維激光掃描技術比傳統的測量的技術要簡便，除此以外，還具有很高的精度等。系統的組成一般如圖2-1所示：圖2-1：一種激光掃描系統組成圖2-2：激光掃描系統圖圖2-3：一種激光掃描儀的系統組成與坐標系對地面實物進行測量時，利用激光掃描儀可以獲得地面實物的特征和深度信息。激光掃描儀工作分為距離測量、角度測量、對地面實物的掃描、方向的定位四個方面。圖2-4：激光掃描圖2．1距離測量三維激光掃描儀能夠對地面實物進行距離的量測。測距方法主要有：三角法、脈沖法，相位法。2．1．1三角測距法三角測距就是利用幾何上的三角形的一些幾何特征，利用公式2-1解算出激光掃描儀的掃描中心與其他點的距離。（公式2-1）L：基線長；γ：發射光線與基線的夾角；λ：入射光線與基線的夾角；α激光掃描儀的軸向自旋轉角度。三角法測量距離較短，適合于近距測量。測量范圍幾厘米到幾米，精度可達微米級。2．1．2脈沖測距法脈沖法測距就是計算出激光掃描儀發射脈沖時的時間和接受到脈沖時的時間，然后計算出這兩個時間的差值，再根據下面的公式2-2計算距離。（公式2-2）C：光速；△t：測得激光信號往返傳播的時間差。2．1．3相位測距法相位法測距就是記錄下光信號在發射時的相位和返回來的相位，然后對這兩個相位進行差值的計算，再根據相位差公式2-3解算出傳播的距離。運用相位差來進行測距能夠獲得精度比較高的距離量測。（公式2-3）C：光速；?：激光信號往返傳播產生的相位差；f：脈沖的頻率。2．2測角方法2．2．1角位移測量法三維激光掃描儀是通過步進電機進行驅動，然后通過步距角等來解算出角度的位移。步距角解算公式為（公式2-4）Nr：電機的轉子齒數；m：電機的相數；b是各種連接繞組的線路狀態數及運行拍數。2．2．2線位移測量法線位移測量的方法適合由發射器、CCD和棱鏡組成的這種系統。掃描儀進行不斷的轉動時，由發射器射出的激光束會自動形成一個線性的區域，然后CCD元件會記錄下來線的位移量，最后再根據線的位移量與距離S之比得出激光掃描儀掃描的角度。2．3掃描方法掃描方法就是根據儀器內部的驅動馬達來對掃描棱鏡進行控制，設置激光束的發射的方向，使激光束能夠分別進行橫軸方向的掃描和縱軸方向的掃描。激光掃描儀的掃描裝置是由擺動掃描鏡和旋轉正多面體掃描鏡組成。2．4轉換方法轉換方法就是將對地面實物進行掃描后得到的數據統一到大地坐標系中。運用這種方法時，需要設定定向的特殊標志，然后解算出設定的定向的特殊標志的中心的坐標，再根據坐標的轉換公式計算轉換參數。2．5三維激光掃描儀的分類隨著科學技術的發展，激光技術也越來越走向成熟。它可以為社會上的的多個領域服務。因此，激光掃描儀的設計也越來越先進。三維激光掃描儀可以有多種分類方式。常用的分類方式有三種，按平臺劃分，按距離劃分、按原理劃分。2．5．1按平臺分類三維激光掃描儀的搭載平臺可以有多種類型。搭載在飛機或衛星上的三維激光掃描儀系統屬于機載型。搭載在活動的小車上的屬于地面型。2．5．2按距離劃分隨著激光掃描技術的發展，三維激光掃描儀的也在不斷地更新，掃描距離也在不斷的增加。現如今把掃描距離小于3m的三維激光掃描儀歸為短距掃描儀一類。把掃描距離大于3m小于30m的三維激光掃描儀歸為中距掃描儀一類。把掃描距離大于30m的三維激光掃描儀歸為長距一類。把搭載在飛機上的掃描距離大于1公里以上的三維激光掃描儀歸為航空一類。這四類掃描儀各有屬于自己的特點。短距一類可以對小型的地面實物進行測量，效率較高。中距一類適合較大型的地面實物。長距一類適合大型的地面實物的測量。航空一類測量的范圍更廣。2．5．3按工作原理劃分三維激光掃描儀除了按照上述的搭載平臺和掃描距離這兩種方法分類之外，還可以按照儀器的原理來進行分類。把按照脈沖測距這一原理進行量測的掃描儀歸結為徑向一類。把按照光學干涉原理進行量測的掃描儀歸結為干涉一類。把通過兩條光線建立地面實物的立體模型的量測方法歸結為三角法一類。3、點云數據的獲取點云數據就是通過激光掃描儀通過掃描地面實物所獲取的關于該地面實物的數據組織。掃描得到的點云數據包含地面實物表面的幾何信息和深度信息。此外，還可以通過三維激光掃描儀獲取的地面實物的回波強度信息。這些信息的獲取不僅與測量外部環境有關，還與被測實物本身的特性（實物表面的粗糙度、實物的大小）有關，還與儀器本身有關，除此以外，在測量過程中，測量人員的更換也會對獲取的結果造成影響。隨著激光掃描技術越來越廣泛的應用，關于地面實物的點云數據的獲取的方式也越來越多，但整體來說可以概括為接觸和非接觸兩大類。接觸法就是在地面實物表面直接測量，如用鋼尺測量直接得出這個地面實物的尺寸等幾何信息。三角坐標測量機、光學聚焦法均屬于這類方法、非接觸法就是借助一些儀器，在不直接接觸的情況下獲得地面實物的數據。隨著測量技術的不斷提高，非接觸法被應用的越來越廣泛，尤其是利用計算機視覺原理的方法。這種方法使得獲得地面實物的信息變得更加容易。3．1非接觸法在不直接接觸的情況下獲得被測地面實物的信息的方法被稱為非接觸法。隨著非接觸法應用的越來越廣泛，非接觸法也被劃分為飛行時間法、光學法和計算機視覺法等幾大類。每一類都具有各自的原理和特征。飛行時間法就是利用激光掃描儀向需要探測的地面實物發射脈沖信號，當脈沖信號傳播到該地面實物時，脈沖信號折回來繼續發射到掃描儀。然后計算脈沖信號在往返傳播過程中所需要的時間，再根據這個時間來計算出脈沖信號往返傳播的距離，這個距離的一半就是物體到激光掃描儀的距離。光學法就是根據物理上的光學原理來對地面實物進行量測，進而獲得地面實物的信息。計算機視覺法就是用計算機來模擬人的視覺機理獲取和處理信息的方法。時間飛行法被廣泛應用于激光雷達定位與毫米波微波雷達定位，還可以被用于精密工程測量和無導軌測量等。光學法就是利用光學物理原理進行的量測，主要有相干法、條紋法等。隨著計算機發展的速度越來越快，計算機視覺法的應用也變得越來越廣泛。下面主要介紹一下計算機視覺法。計算機視覺法又可以分為主動法和被動法。3．1．1主動法計算機視覺的主動法分為結構光法和編碼光法。結構光法由光學投射器和攝影機組成。利用結構光法測量的步驟是：運用光學投射器投射結構光到地面實物的表面形成一個條紋圖像，再由攝影機獲得這個條紋圖像。在根據圖像獲得地面實物的三維信息。編碼光法是在結構光法的基礎上發展起來的，原理和結構光法一樣，但比結構光法更容易進行匹配。3．1．2被動法計算機被動視覺法又分為立體視差法和單目視覺法。立體視差法就是利用攝影機在不同的位置獲取同一地面實物的信息，獲取兩張或兩張以上關于這個地物的相片，然后找出這兩張相片上的幾個同名相點，利用這幾個同名相點來建立該地面實物的立體模型。用立體視差法進行觀測時最重要的就是要對這些相片對進行匹配，特征匹配算法有SIFT算法、相比梯度算法、哈希算法等。在這幾種特征算法中，SIFT算法在尺度、旋轉等方面比較穩定，另外還能夠抵抗光照的影響。SIFT算法的特征匹配分兩步完成。第一步先完成特征向量的提取；第二步對提取的特征向量進行匹配。單目視覺法就是用攝影機在一個視點上對地面實物進行攝影，獲取在這個視點上的相片，然后再利用相片進行三維地面實物的模型的重建。4、激光掃描系統的定位系統定位在三維地面實物的模型重建過程中非常重要。在利用激光掃描儀獲取了地面實物的幾何和深度數據之后，就要首先進行系統的定位。系統定位的實質就是獲取地面實物的方位。以飛機衛星小車等作為平臺來進行的系統定位均屬于移動定位。因為在以這些作為平臺進行的定位總是在不斷地移動變化當中進行的。根據建立的地面實物模型所在的坐標系，可以將系統的定位分為兩類。一類是在定位的過程中獲取整個測區范圍內各個地物的相對位置關系，另一類是在定位的過程中獲取在整個區域統一的坐標系下的位置。4．1獲取整個測區范圍內各個地物的相對位置關系的定位獲取整個測區范圍內各個地物的相對位置關系的定位系統是建立在一個局部的坐標系中的。用這種系統定位獲得的地面實物的數據信息都是以該坐標系統中的參考點為基準的。這種定位系統采集的數據具有傳遞性，比如我們利用儀器獲取了一個目標點的信息，那么我們用儀器進行下一點量測時是根據這點的信息繼續的。由于在用激光掃描儀進行掃描量測的過程中要受到外界環境因素的影響、地物本身復雜性因素的影響、儀器自身因素的影響還有操作人員的更換等因素的影響，使得掃描獲得掃描數據不可避免的存在誤差。當用激光掃描儀獲取的數據量很大時，那么積累的誤差也會相當大。這就使建立的三維地面實物的模型的準確和真實性大大降低。激光掃描系統的獲取整個測區范圍內各個地物的相對位置關系的定位系統有許多種。傳統的這方面的方法有建立在里程儀的基礎上進行的定位。這種定位系統就是在移動裝置如小車上放置一個里程儀，隨著這個小車的不斷移動，放置在這個小車上的里程儀能夠把這個系統變化的角度和位置都記錄下來。通過這種定位系統獲取的地面實物的數據信息還是不太準確，因為要受到移動裝置的影響，但是運用這種方法操作簡便。傳統的方法對于建立精確度較高的三維地面實物模型還是比較困難的。為了使建立的地面實物的模型更加精確真實，現在越來越多的工作人員都是將計算機視覺理論應用到地面實物建模的過程中。這種方法是在移動裝置如小車上安放一架照相機或攝影機，隨著移動裝置小車的不斷移動，照相機或攝影機在移動過程中獲取地面實物的多張相片。然后通過計算機對這些同名相片進行分析處理，建立地面實物的三維立體模型。這種方法操作起來比較復雜，對于研究區域面積較大的還不適合。與建立在計算機視覺理論基礎上進行的定位方法相比較的話，利用激光掃描儀獲取的掃描數據進行定位這種方法就顯得比較簡便快捷，而且精度也比較高。利用激光掃描技術進行定位比建立在計算機視覺理論基礎上的定位要省很大的計算量。4．2激光掃描系統的整體定位激光掃描系統的整體定位是建立一個統一的坐標系，將激光傳感器安置在移動裝置上，隨著移動裝置的不斷移動，傳感器記錄下來地面實物的信息。整體定位可以利用安置在移動裝置上的傳感器直接得到地面實物的信息，也可以利用獲取整個測區范圍內各個地物的相對位置關系的定位這種方法獲取數據后，利用這些數據再進行整體的定位。整體定位方法可以利用激光掃描系統定位方法，也可以利用GPS進行研究區域的整體定位。5、點云數據的配準利用激光掃描儀獲取點云數據進行了系統定位后，就要進行點云數據的配準。點云數據的配準實質是將激光掃描儀獲取的地面實物的坐標數據統一到一個相同的坐標系中。只有經過數據配準，才能夠建立準確的地面實物的模型。點云數據的配準方法通常有三種：人工手動配準、借助儀器進行的配準和自動配準。目前使用比較廣泛的配準方法是自動配準方法。在用激光掃描儀獲取數據時，我們很多情況下會利用多個坐標系，這時候得到的數據也是分布在不同的坐標系中，為了建立地面實物的模型，我們就要將這些不同的坐標系進行轉換，轉換到一個統一的坐標系中，然后再統一的坐標系中再進行地面實物的建模。這就是自動配準的實質。雖然點云數據的配準可以有多種方法，但是配準的實現步驟都大體相同，可以分為部分的和全局的。5．1部分區域的配準方法在進行部分區域的配準時首先要經過區域的選擇然后再進行迭代局部的最近點，最后進行特征匹配。部分區域的選擇的方法有兩種，一種是通過人與計算機結合（人機交互）工作的方法，一種是自動的方法。①人機交互技術是指通過計算機輸入、輸出設備，以有效的方式實現人與計算機對話的技術。工作人員可以將外業測量獲取的地面實物的數據通過計算機輸入設備輸入到計算機中，然后通過一些技術軟件對數據進行處理，最后通過計算機輸出設備將一些信息輸出，現實給工作人員。除此之外，工作人員可以利用計算機輸入設備將自己的一些要求，一些問題輸入到計算機中，是計算機按照自己的要求進行信息處理。這種方法計算量通常非常高。②自動方法其實是建立在人機交互的方法的基礎之上的。人機交互不但計算量比較大，而且配準精度不高。要想進行高精度的配準工作，這時候就要選用自動方法。部分區域選擇好之后，就要進行局部迭代了。這時候為了達到更好的配準結果，就要選擇最好的區域來進行，而且要避開選擇會影響到配準精度的區域有重疊的部分。局部迭代后最后進行特征匹配，特征匹配算法有基于曲面特征的配準算法和迭代算法。迭代算法過程比較繁瑣，但是精度比較高。建立在曲面特征基礎上的算法是利用曲面擬合來進行配準的，這種方法比較簡單，但是精度不如迭代算法高。通常情況下，將這兩種方法結合得到的結果比較精確。5．2全局配準全局配準就是將獲取的點云數據統一到一個相同的坐標系中，利用激光掃描儀獲取的整個區域內的多個特征數據進行的。這種方法比部分區域的配準方法精度高。因為整個區域的配準方法是利用了整個區域內的有代表性的特征數據，而不像部分配準方法只是用部分特征數據進行的。但是與部分配準方法相比，這種整體的配準方法由于處理的數據量比較大，所以進行的時間也比部分配準的方法長。整體的點云數據的配準算法有動態、迭代最近點、、基于灰度的配準算法、基于幾何特征等算法。5．2．1動態法在進行變形監測和建立動態模型時，就要對獲取的動態數據進行動態配準。動態配準是在多個不同的幀之間進行插值配準。對地面實物是利用旋轉掃描的方法進行動態配準的。5．2．2ICP算法首先準備兩組建立在不同的空間坐標系中獲取的點云數據集，然后對這兩組空間數據集進行空間變換，實現最佳匹配。運用迭代最近點的算法可以找出目標點和參考點之間的旋轉變換和平移變換。旋轉變換有四元數旋轉、矩陣旋轉和Euler旋轉。例如，給出A={Al，A2?．，An}和B={B1，B2，?，Bm}然后定義一個目標函數：（公式5-1）用B點處的擬合曲面替代對應點的信息，就會有：（公式5-2）5．2．3基于灰度的配準算法基于灰度的配準算法就是利用外業獲取的影像與計算機結合，分析影像的特征并完成數據的配準計算。基于灰度的配準，重點在于獲取待與待測點所在的區域的灰度影像。這種配準方法在圖像處理方面應用的比較廣。用基于灰度的配準方法不用事先對圖像進行處理。這種方法又有線、塊、比值匹配和互相關法等方法。這種配準方法比較簡單。5．2．4基于幾何特征的配準算法這種算法就是根究地面實物的特征來配準。用這種方法進行配準時要考慮點線面幾何特征的約束條件，所以這種算法用方面的比較窄。這些約束條件可以概括為點在平面上的不等約束條件和法線平行條件的不等約束。用這種算法需要六個不等的參數，這種算法適合附加多種幾何特征的不等約束條件，通常與迭代算法一起使用。這種算法對地面實物的幾何等特征表達的很好，但是就是在進行配準之前了解關于這方面的先驗知識。6、點云數據的處理在進行測量的過程中，由于測量的客觀環境和被測量的物體本身存在的復雜性等因素，會造成測量的關于被測的實物方面的數據存在不完整性，這給三維地面實物的建模帶來困難，這時候就要對測量的數據進行加密。測量時如果得不到測區范圍內全部的地面實物的數據信息，應該從多個方位對同一個地面實體進行多次的量測，得到地面實體的數據，然后對測量的數據進行拼接，建立地面實物整個表面的點云數據。因為在測量過程中，操作人員的變動和外界環境的不斷變化都會使測量的結果不太準確，這時候有可能造成測量的地面實物的坐標出現不正常的現象，通常情況下這些異常的點都會被排除。除此以外，如果用激光掃描儀獲得的地面實物的數據非常密，這時候也要對這些數據進行處理，就是我們說的均勻化。為了提高對地面實物的測量精度，這時候掃描的數據量會非常的高。這些數據量可甚至可以達到幾百兆的字節，所以在進行數據處理時就要壓縮點云數據了。點云數據處理過程如圖6-1所示：獲取點云數據噪聲去除獲取點云數據噪聲去除點云數據過濾和平滑數據壓縮點云特征提取和分割線曲擬合表面重建6．1點云數據去噪處理在利用激光掃描儀進行外業測量時由于受到外界環境因素、儀器本身的因素以及作業人員的更換因素、觀測過程中障礙物等因素的影響，使得通過激光掃描儀掃描后獲取的關于地面實物的數據出現噪聲影響。如果不將這些噪聲影響進行處理，這必然會使建立的地面實物的模型的真實感降低。為了提高建立的地面實物的準確度就要對掃描獲取的關于地面實物的數據進行去噪處理。點云數據的去噪處理有在空間域中進行處理和在頻率域中進行處理兩大類。點云數據再空間域中進行處理就是直接在空間中對數據進行處理。點云數據的頻率域處理就是將獲得的地面實物的圖像經過變換，從空間域轉換到頻域，然后再進行處理，處理后再通過變換，回到空間域。6．1．1雙邊濾波去噪處理在獲取點云數據后，可以直接對點云數據進行去噪處理，也可以建立格網進行噪聲處理。這里我講述一下雙邊濾波去噪處理。雙邊濾波是一種非線性的濾波方法，是結合圖像的空間鄰近度和像素值相似度的一種折衷處理，同時考慮空域信息和灰度相似性，達到保邊去噪的目的。雙邊濾波是由C.Tomasi和R.Manduchi提出的一種非迭代的比較簡單的去除噪聲的方法。這種噪聲去除方法具有簡單、非迭代、局部的特點。6．1．2小波閾值去噪小波變換屬于線性變換的一種，擁有不錯的時頻特點。在獲得了地面實物的圖像后，用小波進行分解處理得到許多個子圖像，然后再對這些子圖形分別定義一個閾值，然后再進行噪聲的處理。小波去噪首先對需要進行去噪處理的圖像進行特征信息的提取，然后進行低通濾波，最后再生成新的圖像。過程如圖6-2所示：帶噪圖像帶噪圖像特征提取低通濾波新圖像特征信息圖6-2：小波去噪過程6．2點云數據的壓縮隨著對地面實物的外業測量技術的不斷提高，人們所建立的地面實物模型的精度也在不斷的提高。模型精度的提高都是建立在外業獲得大量的數據的基礎上的。數據量太大，為了便于使用，這時候就要對獲得數據進行點云數據的壓縮。點云數據的壓縮就是從外業測量獲得數據集合之中抽取一個子集，使這個子集在規定的精度的范圍內，最好的逼近原集合而又獲得盡可能大的壓縮比。數據壓縮分為有損壓縮和無損壓縮。有損壓縮就是在數據進行壓縮的時候造成數據損害或丟失；無損壓縮就是數據在進行壓縮的沒有造成損害。6．2．1曲線擬合的方法在對地面實物的外業測量中通常都是獲取大量的點云數據，這些點云數據結構也比較復雜。這時候用單張曲面進行曲面擬合的方法這種點云數據進行處理并不合適，需要建立多張曲面來進行擬合，因此就要對數據進行分塊處理，分塊方法可以采用劉盛蘭提出的半自動的算法。然后對進行分塊處理之后的數據運用一些反求軟件等進行切片處理，最后進行數據的壓縮。6．2．2區域重心的壓縮方法對地面的實物進行掃描后，得到的相應的數據信息都是在一個有限的范圍內的。我們假設一個密閉的空間區域將這些地面實物的數據信息都包含在內，這個密閉的空間區域（最外區域）的幾何信息可以根據包含的地面實物的數據信息得到。若數據集A為獲得的地面實物的信息，則A()，在定義的坐標軸的方向上分別對獲得的地面實物的數據進行查詢，然后獲得在這三個方向的最大和最小值：、、、、、。可以得到最外區域的頂點的坐標(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)、(、、)。根據這幾個頂點坐標就可以確定區域的范圍了。確定范圍后，然后進行細化。細化的方法按照下面的公式6-1進行。（公式6-1）然后根據細化后的小區域的范圍內包含的地面實物的信息進行壓縮處理。壓縮后的精度可以根據細化后的小區域的范圍來進行大致的確定。壓縮的方法可以根據重心點法來進行。重心點法就是只能夠保留細化后的小區域的重心點。進行確定細化后的各個區域的重心點的步驟如圖6-3所示： 圖6-3：區域重心壓縮法 (1)先對細化后的各個小區域進行本區域內的所有的數據點進行解算，然后根據所有的點找出本區域的中點o；(2)然后根據公式6-2算出各個小區域內的所有的數據點到該區域的中心點的距離，找出距離最短的那個點，那個點就是所要求的點。（公式6-2）6．2．3共頂點法共頂點法是對關于建立在地面實物的高程方面數據進行處理的一種方法。是就是一個地面實物的高程方面的數據集合。圖6-4就是建立的一個三角形控制網。圖6-4：地物數據點的三角網在對用激光掃描儀獲取的地面實物的數據集進行壓縮處理時，為了能夠得到最好的壓縮成果，就要保留那些能夠最佳的代表地面實物的典型特點的一些數據點，提出那些不必要的數據點。用共頂點的方法進行地面實物數據的處理的步驟：(1)先尋找出每個三角形的共頂點；(2)然后利用公式6-3解算出這些小三角形除了共頂點之外的其他點的均值。（公式6-3）(3)當（T為誤差的最大允許值）時，把這個共頂點除去，反之就把這個共頂點留下。處理過程變化如圖6-5所示：刪除前高程圖刪除后高程圖圖6-5：共頂點法壓縮7、地物的三維模型和對模型的分析7．1地物的三維模型對地面實物可以建立點云模型、三角網模型和實體模型等。7．1．1點云模型在對地面實物建立模型時，用掃描儀獲取的數據建立的地面實物的三維模型就是點云模型。點云模型的建立要先進行外業的控制測量；然后對測量得到的數據進行采集，最后進行處理建立模型。①外業的控制測量。要想建立地面實物的模型，就先要獲取數據，而數據就要通過外業測量獲得。②數據采集。用掃描儀獲取地面實物的特征信息；③數據配準。將采集到的各種數據統一到相同的坐標系中方便后面的數據處理。圖7-1就是利用點云模型建立的一個控制網。

圖7-1：地面實物的控制網7．1．2三角網模型除了對地面實物建立點云模型外，還可以建立三角網模型。建立三角網模型時應使數據點中最近的三個點連成三角形并且盡可能的使三角形逼近等邊三角形。建立三角網模型的步驟為：①建立模型；②對建立的模型進行簡化；③對建立的三角網進行分析。7．2對地面實物模型的分析7．2．1對古物的分析根據模型建立的方法對古代遺留下來的東西進行模型重建對古物的分析研究及保護有很大的幫助。歷史古跡是我們中華民族一項偉大的財富，我們這些后代子民要保護好這些古老