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地面激光扫描三维模型重建技术研究

罗寒  
【摘要】:地面三维激光扫描技术是一种新兴的测绘技术,可以非接触、高精度、快速地采集目标物表面海量点云数据。这些点云可以真实、精准地反映目标物表面实际状况,从而为实物的数字三维模型重建提供了一种全新思路,因此该技术被广泛运用于数字城市、文物保护、考古测绘等众多领域。如何处理海量点云数据,获取高质量点云,提高数字模型重建的效率仍是当前研究的热点和难点。本文首先介绍了地面三维激光扫描仪工作原理,然后结合多个实例对点云预处理中可视化、点云拼接、点云去噪、点云精简进行研究。在此基础上,针对不规则和规则两种结构形状的实体,分别研究了不规则三角网格法和特征线提取法两套详细的三维模型重建方案,实现了从点云到三维数字模型的重建。最后,引入多视图影像模型重建技术,以点云数据为结合点,研究融合三维激光扫描和多视图影像模型重建技术,提出一种新的快速精细化模型重建思路。文章主要研究工作有以下几点:(1)归纳了三维激光扫描技术的工作流程,并对实际应用中所需的硬软件设备进行汇总和分类。讨论和总结了采用三维扫描技术进行点云采集的外业实施流程和需注意的事项。(2)以古亭点云为例,采用四种拼接方法进行实验研究,对四种拼接方法的精度、效率及适用性等进行分析和对比,发现靶球拼接法速度快,精度可以达到mm级。同时分析了点云噪点的三个主要来源,研究直通去噪法、体素化网格法、Statistical Outlier Removal法和Geomagic Studio软件处理等多种方法,并将结果用于古亭点云进行去噪和采样,最后获得高质量整体点云。(3)针对不同结构形状的扫描对象,文章结合古亭和现代建筑两个具体实例,分别研究不规则三角网格建模法和特征线提取建模法两种解决方案,进行模型重建实验,并从模型精度、模型数据量、适用性等多个方面对两种建模技术比较分析。结果表明三角网格建模法适用于不规则实体建模,古亭模型平均偏差为1.2mm;特征线提取建模法适用于规则实体的模型重建,建筑物模型最大偏差为1.4cm。同时针对两种不同结构形状的数字三维模型,结合三维渲染软件,研究两种不同的纹理贴图方案,增强了模型真实性和观赏性。(4)引入和研究多视图影像模型重建技术,并以宋代古马为例,完成模型重建实验,验证了该技术的可行性。以点云数据为结合点,面对一些特殊的扫描场景,研究融合激光扫描技术和多视角影像模型重建技术,提出一种新的快速精细化建模思路,对一处考古工地进行测试,完成建模,并对模型进行精度评定,数字模型的中误差为±1.03cm。同时,利用多视图影像模型重建技术对三维激光扫描点云的缺损区域进行修补也是一种新的思路。


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