地面三維激光掃描技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)研究花向紅教授武漢大學(xué)測繪學(xué)院

地面三維激光掃描技術(shù)及應(yīng)用開發(fā)研究花向紅教授

一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)五、后續(xù)研究工作內(nèi)容

一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三維激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用教學(xué)文案ppt課件2023/8/144一、地面三維激光掃描技術(shù)地面三維激光掃描技術(shù)(3DLaserScanningTechnology)

三維激光掃描技術(shù)是國際上近期發(fā)展的一項高新技術(shù)。隨著三維激光掃描儀在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,這種技術(shù)已經(jīng)引起了廣大科研人員的關(guān)注。

通過激光測距原理（包括脈沖激光和相位激光），瞬時測得空間三維坐標(biāo)值的測量儀器，利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點云數(shù)據(jù),可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則的場景的三維可視化模型,既省時又省力,這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的。

2023/8/14一、地面三維激光掃描技術(shù)地面三維激光掃描技2023/8/145一、地面三維激光掃描技術(shù)地面三維激光掃描技術(shù)(3DLaserScanningTechnology)是利用激光進(jìn)行高速、實時、自動獲取給定區(qū)域目標(biāo)表面三維坐標(biāo)的測量技術(shù)。是一種大面積高密度的非接觸式主動測量技術(shù)。激光測量單元進(jìn)行從左到右，從上到下的全自動步進(jìn)掃描測量，在激光測量斜距的同時，記錄激光光束的水平角和垂直角，從而解算目標(biāo)相對于儀器中心的三維坐標(biāo)，并可同時記錄反射信號強(qiáng)度值。

2023/8/15一、地面三維激光掃描技術(shù)地面三維激光掃描技地面三維激光掃描技術(shù)(3DLaserScanningTechnology)快速掃描在常規(guī)測量手段里，每一點的測量費時都在2-5秒不等三維激光掃描儀的誕生改變了這一現(xiàn)狀，最初每秒1000點的測量速度已經(jīng)讓測量界大為驚嘆.現(xiàn)在脈沖掃描儀（scanstation2）最大速度已經(jīng)達(dá)到50000點每秒，相位式掃描儀Surphaser三維激光掃描儀最高速度已經(jīng)達(dá)到120萬點每秒，這是三維激光掃描儀對物體詳細(xì)描述的基本保證，古文體，工廠管道，隧道，地形等復(fù)雜的領(lǐng)域無法測量已經(jīng)成為過去式。地面三維激光掃描技術(shù)(3DLaserScanningT一、地面三維激光掃描技術(shù)1地面三維激光掃描系統(tǒng)組成

掃描單元控制單元電源三腳架和標(biāo)靶平面靶標(biāo)（FlatTarget）球形靶標(biāo)（SphereTarget）一、地面三維激光掃描技術(shù)1地面三維激光掃描系統(tǒng)組成掃描單手持大型三維激光掃描儀

徠卡C10三維掃描儀

三維激光掃描儀VZ-400按用途分類：可分為為室內(nèi)型和室外型。也就是長距離和短距離的不同。按生產(chǎn)廠家不同：Surphaser（美國），I-site(澳大利亞maptek)，riegl，徠卡，天寶，optect，拓普康，faro等產(chǎn)家。手持大型三維激光掃描儀徠卡C10三維掃描儀三維激光掃描儀三維激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用教學(xué)文案ppt課件

傳統(tǒng)測量概念里，所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（如CAD出圖），在現(xiàn)在測量儀器里全站儀，GPS比重居多，但測量的數(shù)據(jù)都是二維形式的，在逐步數(shù)字化的今天，三維已經(jīng)逐漸的代替二維，現(xiàn)在的三維激光掃描儀每次測量的數(shù)據(jù)不僅僅包含X,Y,Z點的信息，還包括R,G,B顏色信息，同時還有物體反色率的信息，這樣全面的信息能給人一種物體在電腦里真實再現(xiàn)的感覺，是一般測量手段無法做到的。傳統(tǒng)測量概念里，所測的的數(shù)據(jù)最終輸出的都是二維結(jié)果（一、地面三維激光掃描技術(shù)2地面三維激光掃描儀掃描定位原理

在儀器內(nèi),通過兩個同步反射鏡快速而有序地旋轉(zhuǎn),將激光脈沖發(fā)射體發(fā)出的窄束激光脈沖依次掃過被測區(qū)域,測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)被測物表面再返回儀器所經(jīng)過的時間差(或者相位差)來計算距離,同時掃描控制模塊控制和測量每個脈沖激光的角度,最后計算出激光點在被測物體上的三維坐標(biāo)。一、地面三維激光掃描技術(shù)2地面三維激光掃描儀掃描定位原理三維激光掃描技術(shù)及其應(yīng)用教學(xué)文案ppt課件2023/8/1413一、地面三維激光掃描技術(shù)3地面三維激光掃描儀掃描特點實時、動態(tài)、主動性

三維激光掃描系統(tǒng)為主動式掃描系統(tǒng)，通過探測自身發(fā)射的激光脈沖回射信號來描述目標(biāo)信息，使得系統(tǒng)掃描測量不受時間和空間的約束。高密度、高度靈活性、高穩(wěn)定性

激光掃描能夠以高密度、高精度的方式獲取目標(biāo)表面特征。通過掃描可以獲得點云數(shù)據(jù)（海量數(shù)據(jù)）。可自由控制采集密度，適應(yīng)不同的目的。觀測過程中無人工干預(yù)，由掃描儀內(nèi)部電子設(shè)備自動控制，減少了人工干預(yù)的不確定。

無需和被測物體接觸，適應(yīng)性好三維掃描系統(tǒng)是一種主動式的測量系統(tǒng)，無需合作目標(biāo)，可以深入到復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行掃描，將各種大型的、復(fù)雜的、不規(guī)則的實景三維數(shù)據(jù)完整地采集到電腦中。其數(shù)據(jù)采集無論是白天，黑夜，還是惡劣條件天氣均可以測量?？蓴U(kuò)展性三維激光掃描系統(tǒng)可以和GPS等集合起來實現(xiàn)更強(qiáng)、更多的應(yīng)用。2023/8/113一、地面三維激光掃描技術(shù)3地面三維激光一、地面三維激光掃描技術(shù)4地面三維激光掃描儀分類按掃描距離分微距小于1米近距離1米~100米中距離100米~500米遠(yuǎn)距離大于500米目前，最長2500米按平臺分星載IceSatCloudandlandElevationSatellite機(jī)載RieglLMSQ560地面TrimbleMensiGS200一、地面三維激光掃描技術(shù)4地面三維激光掃描儀分類一、地面三維激光掃描技術(shù)5地面三維激光掃描儀作業(yè)流程一、地面三維激光掃描技術(shù)5地面三維激光掃描儀作業(yè)流程一、地面三維激光掃描技術(shù)5地面三維激光掃描儀作業(yè)流程一、地面三維激光掃描技術(shù)5地面三維激光掃描儀作業(yè)流程2023/8/1417一、地面三維激光掃描技術(shù)6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)點云獲取2023/8/117一、地面三維激光掃描技術(shù)6地面三維激光一、地面三維激光掃描技術(shù)6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)點云精簡(點云壓縮)

三維激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量大得驚人，給數(shù)據(jù)處理和存儲帶來了很大困難。要高效率地使用點云數(shù)據(jù)，必須采取科學(xué)方法加以壓縮。顯然，壓縮比越高，壓縮后的數(shù)據(jù)就越少?？墒菈嚎s與保真是一對矛盾，壓縮比越高，數(shù)據(jù)損失越多，保真度就越差。如何解決這對矛盾，同時獲得高壓縮比和高保真度無疑是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。一、地面三維激光掃描技術(shù)6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)點云精一、地面三維激光掃描技術(shù)6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)點云配準(zhǔn)

由于物體的遮擋、掃描儀的限制等原因,要完成對一個物體的完整三維數(shù)據(jù)獲取,地面三維激光掃描儀需要多測站多角度進(jìn)行掃描。但在不同測站進(jìn)行掃描的坐標(biāo)系不同,因此需要通過點云配準(zhǔn)將多站掃描數(shù)據(jù)拼接到同一坐標(biāo)系下,以獲得物體表面的完整的形狀信息。

一、地面三維激光掃描技術(shù)6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)點云配2023/8/1420一、地面三維激光掃描技術(shù)點云濾波點云濾波是利用濾波器/濾波算法濾去不感興趣數(shù)據(jù)的處理過程。6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)2023/8/120一、地面三維激光掃描技術(shù)點云濾波6地面2023/8/1421一、地面三維激光掃描技術(shù)點云修復(fù)點云的缺陷區(qū)域數(shù)據(jù)去噪產(chǎn)生的空洞6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)2023/8/121一、地面三維激光掃描技術(shù)點云修復(fù)6地面一、地面三維激光掃描技術(shù)點云分割

點云分割是點云數(shù)據(jù)的標(biāo)記過程，經(jīng)過標(biāo)記后，屬性相同或相近、且空間近鄰的點被劃分為一類。6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)一、地面三維激光掃描技術(shù)點云分割6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技一、地面三維激光掃描技術(shù)三維建模6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技術(shù)一、地面三維激光掃描技術(shù)三維建模6地面三維激光掃描儀關(guān)鍵技一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)五、后續(xù)研究工作一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三2023/8/1425二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用1歷史建筑構(gòu)網(wǎng)TIN貼紋理2023/8/125二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用1歷史建2023/8/1426二、地面三維激光掃描技術(shù)在文物建筑中的應(yīng)用1歷史建筑2023/8/126二、地面三維激光掃描技術(shù)在文物建筑中的應(yīng)二、地面三維激光掃描技術(shù)在文物建筑中的應(yīng)用2現(xiàn)代建筑二、地面三維激光掃描技術(shù)在文物建筑中的應(yīng)用2現(xiàn)代建筑二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕像二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕像二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)測量方法3文物雕像二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)測量方法3文物雕像二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PT8PT9PT10傳統(tǒng)測量方法3文物雕像二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用PT1PT2PT3PT4PT5二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)測量PT1PT2PT3PT4PT5PT6PT7PT8PT9PT103文物雕像二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用傳統(tǒng)測量PT1PT2PT3PT2023/8/14二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用輸出到CAD軟件數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)編輯(2Dor3D)3文物雕像2023/8/1二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用輸出到CAD2023/8/1433二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕像2023/8/133二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕2023/8/1434二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕像2023/8/134二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕2023/8/1435二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕像2023/8/135二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用3文物雕二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算城市規(guī)劃4地形變化二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算城市規(guī)劃4地形變二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用等高線生成精密體積量算形變分析城市規(guī)劃5冰川監(jiān)測—地形復(fù)雜，落差大在珠穆朗瑪峰進(jìn)行冰河監(jiān)測試驗。項目內(nèi)容：采用激光掃描技術(shù)在珠穆朗瑪峰進(jìn)行冰河監(jiān)測試驗的研究。二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用等高線生成精密體積量算形變分析二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用等高線生成精密體積量算形變分析城市規(guī)劃6滑坡監(jiān)測通過比較掃描區(qū)域的兩次掃描結(jié)果得出結(jié)論二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用等高線生成精密體積量算形變分析二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用等高線生成精密體積量算形變分析城市規(guī)劃7大壩監(jiān)測胡佛水壩對目標(biāo)距離進(jìn)行米級精確測量二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用等高線生成精密體積量算形變分析二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算8地質(zhì)測繪利用亮度回返信息和RGB顏色信息可以對地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算8地質(zhì)測繪利用亮二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算

9體積測量爆破前

爆破中爆破后量測方法:在爆破前掃描完整的礦體情況爆破并移走爆破物在次掃描礦體比較爆破前和爆破后掃描的數(shù)據(jù)以精確計算出爆破前后體積變化情況二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算9體積測量爆破二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算

10

隧道測量二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算10隧道測量二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算11虛擬化工廠二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算11虛擬化工廠二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算12室內(nèi)改造工程二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算12室內(nèi)改造工程二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算

13橋上海河南路橋點云圖上海河南路橋三維模型二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算13橋上海河南2023/8/1446二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算

14虛擬雷村變電站2023/8/146二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量2023/8/1447二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算15廢料堆地形掃描等高線數(shù)字高程模型2023/8/147二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算16現(xiàn)場保存NASA掃描哥倫比亞號航天飛機(jī)碎片二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算16現(xiàn)場保存NA二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算

17現(xiàn)場保存二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用精密體積量算17現(xiàn)場保存一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)五、后續(xù)研究工作一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)1項目開發(fā)的背景

伴隨著三維激光掃描儀的大量引進(jìn)，應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，三維激光掃描點云數(shù)據(jù)處理軟件的需求也隨之越來越大。購買相應(yīng)的隨機(jī)商用軟件費用高軟件功能也不能完全滿足不同行業(yè)的要求

開發(fā)適合我國國情的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)軟件非常必要。三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)1項目開發(fā)的背景2023/8/1452三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)2項目開發(fā)的技術(shù)路線基本思路首先，廣泛搜集國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究成果。在認(rèn)真研究分析現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，找準(zhǔn)突破口

然后，集中精力在關(guān)鍵技術(shù)問題上集中突破，非關(guān)鍵技術(shù)上節(jié)約資源。開發(fā)平臺選擇

在武漢大學(xué)多年來自主研發(fā)的圖形和圖像處理基礎(chǔ)類庫的基礎(chǔ)之上，開發(fā)三維重建軟件系統(tǒng)，兼顧開放體系結(jié)構(gòu)和通用性，同時具備高效、易用、價廉的原則。

開發(fā)環(huán)境采用OpenGL作為三維圖形渲染引擎，并對其進(jìn)行面向?qū)ο蟮姆庋b，將c風(fēng)格的API封裝為C++風(fēng)格面向?qū)ο蟮男问?，系統(tǒng)采用模塊化開發(fā)架構(gòu)，界面采用BCG開發(fā)庫；編譯器采用微軟公司VisualStudio2005即VC8.02023/8/152三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)

軟件設(shè)計方法

采用MFC擴(kuò)展DLL方法，將一個MDI應(yīng)用程序的各個部分拆分到不同的模塊，分別開發(fā)，然后在集成組裝起來。在MDI主應(yīng)用程序中實現(xiàn)動態(tài)集成，并調(diào)度各個模塊之間的通訊。擴(kuò)展DLL方法可以實現(xiàn)多個MFC程序之間的無縫通訊，包括數(shù)據(jù)訪問，消息發(fā)送，消息機(jī)制等。三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)軟件設(shè)計方法2023/8/1454三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)3現(xiàn)場工作情況2023/8/154三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)

4數(shù)據(jù)處理

對金剛塔、大理國經(jīng)幢和唐繼堯墓三個景點的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將三景點的點云數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫CloudProcess（3DLaserSRS1.0）軟件建模后的效果

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)4數(shù)據(jù)處理Cl5自主開發(fā)的軟件三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)計算機(jī)軟件著作權(quán)按照云南省科技計劃項目任務(wù)書《基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)原重建系統(tǒng)開發(fā)》要求，對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，檢測合格。5自主開發(fā)的軟件三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)5自主開發(fā)的軟件三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)整個數(shù)據(jù)處理過程包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、幾何模型重建和模型可視化等。5自主開發(fā)的軟件三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)軟件主要功能點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)軟件主要功能點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制

點云數(shù)據(jù)預(yù)處理

具有對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、修復(fù)、濾波和精簡等。

軟件主要功能三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)點云數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件主要功能三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)

數(shù)據(jù)庫管理

實現(xiàn)三維點云數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的集中管理。數(shù)據(jù)庫管理具有增加記錄、修改記錄、刪除記錄、查詢記錄和導(dǎo)出記錄等功能，為文物的發(fā)布與應(yīng)用、復(fù)原與重建工作提供可視化依據(jù)網(wǎng)上發(fā)布掃描的點云可以發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上，可以網(wǎng)上瀏覽等功能。軟件主要功能三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)數(shù)據(jù)庫管理軟件主要功能三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重

點云數(shù)據(jù)建模根據(jù)點云數(shù)據(jù)生成三角網(wǎng)、增加刪除三角網(wǎng)，以及生成正射影像圖等功能。

三維可視化具有平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、全屏、不同視角顯示點云圖形的功能，也具有對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行暈渲顯示等功能。

災(zāi)害評估

具有測算災(zāi)前目標(biāo)物的面積、測算災(zāi)后目標(biāo)物的面積、生成報表、計算災(zāi)后損失等功能。軟件主要功能三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)點云數(shù)據(jù)建模三維可視化災(zāi)害評估軟件6項目關(guān)鍵技術(shù)點云精簡(點云壓縮)

三維激光掃描儀得到的點云數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)處理和存儲帶來了很大困難。要高效率地使用點云數(shù)據(jù)，必須采取科學(xué)方法加以壓縮?？蓧嚎s比與保真是一對矛盾，壓縮比越高，數(shù)據(jù)損失越多，保真度就越差。如何解決這對矛盾，同時獲得高壓縮比和高保真度無疑是本項目的關(guān)鍵技術(shù)之一。采用了一種基于掃描曲線上各散亂點的曲率大小進(jìn)行壓縮的算法，以曲線上各個點的曲率大小為標(biāo)準(zhǔn)對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡壓縮。三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)6項目關(guān)鍵技術(shù)點云精簡(點云壓縮)三維激光掃

海量點云數(shù)據(jù)的輸入和瀏覽當(dāng)超過40萬坐標(biāo)點的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD數(shù)據(jù)庫時，對其進(jìn)行瀏覽和編輯操作，AutoCAD響應(yīng)相當(dāng)緩慢，效率十分低下，當(dāng)對100萬點進(jìn)行編輯時，程序幾乎沒有響應(yīng)。項目組采取了動態(tài)調(diào)度和多細(xì)節(jié)層次（LOD）的技術(shù)，實現(xiàn)海量點云數(shù)據(jù)的輸入和瀏覽。點云數(shù)據(jù)的修復(fù)

對于細(xì)節(jié)較少或位于規(guī)則幾何體表面上的缺失數(shù)據(jù)，采用曲面擬合、多項式插值方法；對于復(fù)雜曲面上缺失數(shù)據(jù)利用立體影像匹配技術(shù)生成攝影測量點云，并將其與物體點云精確配準(zhǔn)，實現(xiàn)空洞修補(bǔ)；另外還提出了采用徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對殘缺數(shù)據(jù)進(jìn)行修復(fù)的算法和用支持向量機(jī)回歸模型修復(fù)殘缺散亂點云的技術(shù)方法。

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)海量點云數(shù)據(jù)的輸入和瀏覽三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建點云配準(zhǔn)基于物方控制的配準(zhǔn)根據(jù)標(biāo)靶的絕對坐標(biāo)將不同測站掃描的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中基于目標(biāo)的配準(zhǔn)根據(jù)目標(biāo)將不同測站掃描的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中基于點云的配準(zhǔn)根據(jù)點云本身將不同測站掃描的點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中項目組采用了改進(jìn)的ICP算法和給予幾何特征的配準(zhǔn)算法三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)點云配準(zhǔn)基于物方控制的配準(zhǔn)根據(jù)標(biāo)靶的絕對坐標(biāo)將不同測站掃

點云濾波濾波是提高點云強(qiáng)度質(zhì)量的一條途徑，而通常的濾波方法都在消除噪聲的同時，削弱了一些有效的邊緣特征。

項目組采用雙諧樣條函數(shù)對點云數(shù)據(jù)濾波的技術(shù)方法，結(jié)果表明該濾波方法可靠有效、自適應(yīng)強(qiáng)。同時也提出了基于各向異性擴(kuò)散思想的自適應(yīng)點云強(qiáng)度濾波算法，有效地提高了點云強(qiáng)度信息質(zhì)量。三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)點云濾波三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)三維建模

傳統(tǒng)的三角網(wǎng)構(gòu)造技術(shù)對10萬點以內(nèi)具有比較好的效率，當(dāng)超過10萬點時，效率明顯降低，甚至程序無法繼續(xù)執(zhí)行。

針對點云數(shù)據(jù)特點，運用Delaunay三角網(wǎng)生成算法，進(jìn)行點云數(shù)據(jù)建模。其原理如下：

首先進(jìn)行點云粗分組,然后從最高點根據(jù)Delaunay劃分原則,按照循環(huán)擴(kuò)展的思路生成三角形網(wǎng)格；通過控制合適的三角形生長條件,有效避免了三角面片交叉錯亂、退化、法向量不一致缺陷。

通過分析制約算法效率的主要因素，在其關(guān)鍵環(huán)節(jié)上加以改進(jìn)和優(yōu)化，提高了算法的運算速度。

該算法能一次性處理數(shù)百萬個點云數(shù)據(jù)，經(jīng)實踐驗證，其計算時間幾乎與點數(shù)成線性關(guān)系。

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)三維建模三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)

項目組基于三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行了三維復(fù)原重建系統(tǒng)的開發(fā)，主要有以下成果：提出了以三維激光掃描技術(shù)為基礎(chǔ)的文物建筑復(fù)原重建新方法，設(shè)計了一套相應(yīng)的實施方案開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對三維數(shù)據(jù)的低成本、高效率的收集管理實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)的后處理、成果發(fā)布及災(zāi)害評估，為文物建筑的復(fù)原和重建提供了依據(jù)，達(dá)成了計劃任務(wù)書中的要求。

7主要研發(fā)成果三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)項目組基于三維激光掃描技術(shù)，進(jìn)行了三維復(fù)原重建系統(tǒng)的開一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)五、后續(xù)研究工作一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)1項目立項背景

隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市化程度的提高，城市居民越來越多，電網(wǎng)建設(shè)的架空模式已不適應(yīng)城市空間的環(huán)境要求，電纜隧道工程為高壓線開辟了地下通道，因此電纜隧道的施工測量和監(jiān)測成為了一個新課題。

城市電纜隧道特點線路長、直徑相對較小、工程成本低城市電纜隧道施工受地面、地下各種條件限制很大城市建筑密度大、各種路網(wǎng)以及地下管網(wǎng)錯綜復(fù)雜四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)1項目立項背景四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)2基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)將三維激光掃描儀采集的電纜隧道點云數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差探測及剔除、數(shù)據(jù)歸一化、切片點云提取、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)簡化等預(yù)處理操作，利用橫斷面提取的相關(guān)理論進(jìn)行電纜隧道的切片點云的提取，提取不同位置隧道的切片點云，對于提取的切片點云進(jìn)行電纜隧道幾何參數(shù)的提取，再通過提取的幾何參數(shù)選擇不同結(jié)構(gòu)的電纜隧道的變形分析模型，針對不同變形分析模型進(jìn)行數(shù)據(jù)建模、分別以圖形和報告的形式輸出分析結(jié)果等各項處理，最后提供可用于電纜隧道整體分析的切片點云及幾何參數(shù)，輸出相同位置不同時間的幾何參數(shù)變化情況，并根據(jù)幾何參數(shù)變化狀況分析電纜隧道的變形情況，同時以報告和圖形的形式輸出電纜隧道的變形趨勢。

四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)2基于三維激光掃描的四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)工程編輯橫斷面提取配準(zhǔn)噪聲剔除幾何參數(shù)變形分析有標(biāo)靶配準(zhǔn)無標(biāo)靶配準(zhǔn)圓形隧道馬蹄形隧道矩形隧道矩形隧道圓形隧道右側(cè)面左側(cè)面中心軸線頂面半徑重心垂距幫助中心軸線重心距約束平面橫斷面提取變形分析基于標(biāo)靶自動提取雙側(cè)切片單側(cè)切片圓形隧道矩形隧道馬蹄形隧道四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)基于三維激光掃描的電纜四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)研究了點云數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。提出了基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)算法和在無標(biāo)靶情況下改進(jìn)的ICP配準(zhǔn)算法；依據(jù)正交距離限差，提出了剔除圓形和矩形隧道管壁外的噪音數(shù)據(jù)剔除算法；根據(jù)城市隧道特點，研究了掃描儀視場范圍對基準(zhǔn)面提取切片的影響，給出了基于標(biāo)靶雙側(cè)切片、基于標(biāo)靶單側(cè)切片點云算法及自動提取雙側(cè)切片點云算法；研究了隧道幾何參數(shù)信息的提取方法；給出了電纜隧道幾何參數(shù)及變形分析結(jié)果輸出方法。3主要成果四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)研究了點云數(shù)據(jù)預(yù)處理方四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)4點云配準(zhǔn)配準(zhǔn)是將不同測站測得的點云數(shù)據(jù)歸一到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中，配準(zhǔn)需要的基本條件是同名點的獲取，同名點可以通過粘貼標(biāo)靶的方式獲取，該方法被稱為基于標(biāo)靶的點云配準(zhǔn)，再已知同名點的情況下，配準(zhǔn)的方法主要有基于羅德里格矩陣的配準(zhǔn)、基于六參數(shù)的配準(zhǔn)、基于四元素的配準(zhǔn)。

有標(biāo)靶配準(zhǔn)結(jié)果配準(zhǔn)場景四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)4點云配準(zhǔn)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)無標(biāo)靶配準(zhǔn)

ICPG-ICPKNNS-ICPG-KNNS-ICP迭代時間(s)2008.731136.3813.363.699擬合平面距離中誤差(m)特征平面10.00320.00430.00370.0032特征平面20.00250.00310.00270.0028擬合平面夾角(°)特征平面10.63870.57530.63350.6099特征平面20.08970.18310.13940.0868不同方法對比分析

G-ICP:改進(jìn)的ICP方法;G-KNNS-ICP:改進(jìn)的KNNS-ICP表分析可知：本項目確定的改進(jìn)的KNNS-ICP方法最優(yōu)。四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)無標(biāo)靶配準(zhǔn)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)5噪聲剔除

對于隧道掃描的點云數(shù)據(jù)，存在著一些噪聲，噪聲即為遠(yuǎn)離隧道內(nèi)壁的點云，由于隧道內(nèi)壁布設(shè)了大量的電纜設(shè)備，在掃描的過程中將會有大量的電纜設(shè)備點云，該點云數(shù)據(jù)對于隧道內(nèi)部的分析會產(chǎn)生一定的影響，因此需要對其進(jìn)行剔除，對于不同類型的隧道的噪聲其剔除的方法也不相同，因此可以分為圓形隧道的噪聲剔除，矩形隧道的噪聲剔除。圓形隧道的噪聲剔除是針對圓形隧道的特點進(jìn)行的噪聲剔除方法，其主要采用中心軸線法，即計算隧道內(nèi)壁點云到中心軸心的距離，而進(jìn)行的剔除操作。四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)5噪聲剔除四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)矩形隧道的噪聲剔除是針對矩形隧道的特點進(jìn)行的噪聲剔除方法，其主要采用平面擬合方法，即計算隧道內(nèi)壁點云到最近擬合平面的距離，而進(jìn)行的剔除操作，由于矩形隧道存在頂面和側(cè)面，因此其噪聲剔除分為頂面的噪聲剔除、左側(cè)面的噪聲剔除和右側(cè)面的噪聲剔除。四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)矩形隧道的噪聲四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)6切片點云提取

需切片的點云

基于標(biāo)靶切片點云提取

四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)6切片點云提取四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)切片點云提取

需切片的點云

自動提取切片點云

四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)切片點云提取四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)7幾何參數(shù)提取

幾何參數(shù)提取是根據(jù)隧道的特性所提取的用于隧道變形分析的一些參數(shù)，比如對于圓形隧道，存在設(shè)計的理論半徑，因此可以提取圓形隧道的半徑，同時圓形隧道存在理論設(shè)計重心距，因此可以提取圓形隧道的重心距，以及矩形隧道的重心距、垂距等。幾何參數(shù)提取分為三個子模塊：圓形隧道、矩形隧道、馬蹄形隧道

step1step2step3四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)7幾何參數(shù)提取四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)8變形分析變形分析是利用所提取的不同類型的幾何參數(shù)進(jìn)行的隧道變形分析，其所分析的是隧道內(nèi)壁受擠壓的狀態(tài)及下沉的程度，由于不同類型的電纜隧道所提取的參數(shù)不一樣，因此對于不同的隧道采用不同的變形分析方法，對于不同類型隧道的變形分析方法需要采用不同的分析模式。針對不同類型的隧道，本軟件設(shè)計了圓形隧道、矩形隧道和馬蹄形隧道的變形分析方法。

圓形隧道橫斷面半徑分析四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)8變形分析圓形隧道橫四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)矩形隧道和馬蹄形隧道的變形分析四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)矩形隧道和馬蹄形隧道的一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三、基于三維激光掃描技術(shù)的復(fù)制重建系統(tǒng)開發(fā)四、基于三維激光掃描的電纜隧道分析系統(tǒng)五、后續(xù)研究工作一、地面三維激光掃描技術(shù)

二、地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用

三三維激光掃描儀作為測繪科學(xué)的領(lǐng)先產(chǎn)品，具有鮮明的優(yōu)勢，廣泛的應(yīng)用。三維激光掃描儀的存在的問題：三維激光掃描儀售價太高，難以滿足普通化需求；儀器自身和精度的檢校存在困難，檢校方法單一，精度評定不好；點云數(shù)據(jù)處理軟件沒有統(tǒng)一化，各個廠家都有自帶軟件，互不兼容；精度、測距與掃描速率存在矛盾關(guān)系。三維激光掃描儀的發(fā)展趨勢：三維激光掃描儀國產(chǎn)化，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高精度儀器；點云數(shù)據(jù)處理軟件的公用化和多功能