1、 基于三维激光扫描技术的三维模型重建研究 摘 要：三维激光扫描技术是一种全自动高精度的立体扫描技术， 借助三维激光 扫描技术速度快、效益高、全自动、实时性强等的优点，近几年在数字城市、文 字保护等中得到广泛应用。 而基于激光扫描数据的三维场景重建相对于基于图片 的三维场景重建方法它能够恢复出几何信息准确性更高， 更有利于在计算机中真 实再现客观的真实世界。本文介绍了三维激光扫描技术的原理和特点，并介绍了 基于三维重激光扫描技术的三维模型重建的流程、方法。 关键词：三维激光扫描技术/原理/三维建模/点云数据处理 1、前言 1965 年，LRobert 在其论文“二维物体的机器感知”中提出了利用计
2、算 机视觉技术获取目标三维信息的可能性，标志着三维扫描技术新纪元的开始。激 光技术经过20 世纪60、70 年代蓬勃的发展时期，它所表现的亮度高、强度大、 波束窄等优点，在上世纪90 年代被引入到三维测量领域后，三维激光扫描技术 在精度、速度、易操作性等方面表现出强劲的优势。1997年El-Hakim1等人将激 光扫描仪和CCD 相机固定到一个小车上，形成一个硬件扫描平台，构建了一个 数据采集和配准系统，用此平台实现了室内场景的三维建模，形成了地面三维激 光扫描技术。 三维激光扫描技术是一种主动式测量技术， 是测绘领域继GPS之后又一次新 的技术改革，它克服了传统测量的局限性。与其他三维数据获
3、取方法相比，具有 以下优势：（1）数据获取速度快, 实时性强；（2）数据量大,精度较高；（3） 主动性强, 能全天候工作；（4）全数字化, 信息传输、加工、表达容易2。 在国内许多学者在这方面也做了大量的研究。 例如, 李必军等3 通过车载激 光扫描数据进行了建筑物特征提取研究, 张爱武等 4 针对激光扫描技术的特点 提出了一种通过自适应采样重建室外场景表面的方法。 随着激光扫描仪成本的降 低和三维激光扫描技术的发展， 通过三维激光扫描系统能够快速获取区域的三维 空间信息,现在已成为三维空间数据获取的一种重要技术，三维模型重建也受到 越来越广泛的关注。 2、三维激光扫描技术 2.1 三维激光扫
4、描技术的工作原理 三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，它通过激光扫描测量的方法获取 被测对象表面的三维坐标数据，采集空间点位信息，是一种快速建立物体的三维 影像类型的技术手段。 三维激光扫描仪的主要构造是有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 由自然物表面反射的信号从而可以进行测距， 针对每一个扫描点可测的测站至扫 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已知的，那么可以求得每一扫描点的三维坐 标5。 地面型三维激光扫描系统工作原理： 三维激光扫描仪发射
5、器发出一个激光脉 冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回接受器，可以计算目 标点P和扫描仪距离S,控制编码器同时测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值 和纵向扫描角度观测值,三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系，X轴在横 向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，获得P的 坐标。 三维激光扫描仪的原始观测数据包括: 1) 根据两个连续转动的用来反射脉 冲激光的镜子的角度值得到激光束的水平方向角和竖直方向角.2) 根据激光传播 的时间计算得到仪器到扫描点的距离, 再配合激光束的水平方向角和竖直方向 角,可以得到每一扫描点相对于仪器的空间相对坐标。3) 扫描点的反
6、射强度等。 根据前两种数据计算扫描点的三维坐标, 扫描点的反射强度则用来给反射点匹 配颜色。 点的表示形式为( x , y , z , I )6 , 不仅包含点的空间位置还包含点的反射 强度I,其定位原理如图1所示。 图2-1 地面三维激光扫描系统的定位原理 三维激光扫描点的坐标( x ,y ,z ) 计算公式为： SsinZ sinScosY cosScosX 式2-1 式中为激光束的竖直方向角， 为激光束的水平方向角S为仪器到扫描点的斜距。 2.2三维激光扫描技术的特点 三维激光扫描系统地最大优势在于它让传统的单点测量转变到可获取海量 点云数据的面测量上。它让测量过程变得容易，特别是在一些复杂和危险的环境 下，并且它还能直接将扫描得到的大量点云数据直接存储到计算机内，用于扫描 目标的三维重建而且还能通过重构的模型快速获取目标的点，线，面，体等几何 数据，然后进行数据的后期处理工作7。它的特点有： （1） 非接触性测量。 （2） 数据采样率高。 （3） 主动发射扫描光源。 （4） 高分辨率、高精度。
