激光与光电⼦学进展48,081201(2011)L a ser &Opt oe l e ct ro nics P ro gress 2011 中国激光杂志社
基于激光扫描技术的三维模型重建
Nguyen Tien T hanh
1,2,3 刘修国3,4 王红平3,4 于明旭5 周⽂浩3,51
中国地质⼤学国际合作学院，湖北武汉430074;2河内矿业与地质⼤学，越南河内1305103地理信息系统软件及其应⽤教育部⼯程中⼼，湖北武汉430074;4中国地质⼤学信息⼯程学院，湖北武汉430074
5中国地质⼤学研究⽣院，湖北武汉430074
摘要通过分析三维激光扫描系统获取的点云数据，得到了利⽤点云数据构建三维模型的技术、⽅法和流程。介 绍了利⽤地⾯三维激光扫描仪获取点云数据的过程以及结合R iSCA N PRO 软件和Geomag ic Studio 软件进⾏建模
的⽅法。对原始测量的点云数据进⾏处理(去除噪声，平滑，对多站点数据做拼接配准，提取⽬标建筑物等)得到正
确和完整的⽬标建筑物的表⾯信息，然后构建三⾓⽹建⽴它的三维表⾯模型，最后通过所拍的照⽚进⾏纹理映射
得到真实的三维模型。实验结果表明，利⽤上述⽅法可以有效地处理三维激光扫描获取的点云数据，实现对建筑
物快速三维可视化建模。温州医学院王静门>电厂电气
关键词激光光学；三维激光扫描技术；三维建模；点云数据处理；纹理映射
中图分类号 T N 249 ⽂献标识码 A doi :10.3788/LOP 48.081201
3D Mode l Reconstruction Based on Lase r Scanning Technique
Nguyen Tien Thanh
1,2,3 Liu Xiuguo 3,4 Wang Hongping 3,4 Yu Mingxu 5Zhou Wenhao 3,51
F acult y of Int er na tion al Educat ion ,Chin a Univ er sity of Geoscien ces ,Wu han ,Hu bei 430074,Chin a 2F acu lty of Su r veyin g an d Ma pping ,Ha Noi Un iver sit y of Min ing a nd Geology ,Ha Noi 130510,Viet Nam 3Engin eer ing Resea r ch Cen ter f or GIS Sof tw ar e a nd Applicat ion s ,Min ist r y of Edu ca tion ,
Wuha n ,Hu bei 430074,China
4Fa cult y of Inf or m a tion Engin eer in g ,China Un iver sit y of Geoscien ces ,Wuhan ,Hu bei 430074,Chin a
5Gr a du at e S chool of Chin a Un iver sity of Geosciences ,Wuha n ,Hubei 430074,China
Abstract The technique,m ethod and workflow of building 3D model through the use of 3D laser scanning system to
ac quire point c loud data are presented.The point cloud data acquirement process and the combination of RiSCAN PRO software and Geomagic Studio software to build 3D model are discussed.The original measurem ent data (noise
elim ination,smoothing,data registration,target object extraction and so on)are processed to get the e
xact and full
facet information of the target,and then a triangular mesh model is built for the target.Finally,through text ure
m apping done by using photos taken in the data acquirement process,the real 3D model of the target object is got.
The experiment shows that the point cloud acquired by 3D laser sc anning system c an be effectively dealt with and the
3D model can be achieved via the tec hnique mentioned above.
Key wo rds la ser optics;3D laser sc anning tec hnique;3D modeling;point c loud process;texture ma pping OCIS co des 120.0280;280.3640;100.2000;100.2960;100.6890
收稿⽇期:2011 03 01；收到修改稿⽇期:2011 03 19;⽹络出版⽇期:2011 06 30
基⾦项⽬：储量估算、矿体三维与资源量管理系统开发项⽬(KZ091905)资助课题。
作者简介:N g uy en T ien T hanh(1984 )，男，硕⼠研究⽣，主要从事三维地理信息系统⽅⾯的研究。E mail:tdg
******************
导师简介：刘修国(1969 )，男，教授，博⼠⽣导师，主要从事三维地理信息系统与遥感等⽅⾯的研究。
Email:****************
本⽂电⼦版彩⾊效果请详见中国光学期刊⽹(htt p://ww w.opticsjo ur na www.doczj/doc/673421590.html
)
1 引⾔
三维激光扫描技术是最近⼏年迅速发展并成熟的⼀项⾼新技术[1]，是继GPS 之后测绘技术的⼜⼀新突破。三维激光测量技术的出现克服了传统测量的局限性。它不仅能够量取被测对象的长宽⾼，还能够对对象进⾏⽆接触扫描，可以将所扫描到的空间信息快速转换成计算机可以处理的数据，并且拥有许
多独特的优势: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]。
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，进⾏三维模型重建，因⽽它在三维建模研究与应⽤领域受到越来越⼴泛的关注，已成为三维空间数据获取的⼀种重要技术。如瑞典的TopEye 机载系统，加拿⼤Optech 公司的ALTM 1020GG 系统，美国的Fli_M ap1系统等都已经⽤于快速获取⼤⾯积三维地形数据。Dinesh 等[3]研究了直接从距离影像中提取相关⼏何特征(如道路、建筑物等)和纹理的相关算法及各种模板。Stam os 等[46]通过激光扫描技术对场景三维数据的获取与三维模型建模进⾏了深⼊的研究。Sequeira 等[7]利⽤激光扫描数据和CCD 影像构建了具有真实感的三维场景模型。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[2]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
[8]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。
本⽂以Rieg l 的VZ 400激光扫描仪[9]为例，结合三维激光扫描仪的⼯作原理，分析和研究从三维数据
获取到三维建模的整个流程。2 三维激光扫描原理
地⾯三维激光扫描系统由地⾯三维激光扫描仪和系统软件、电源以及附属设备构成。三维激光扫描仪的构造主要包括:⼀台⾼速精确的激光测距仪,⼀组可以引导激光并以平均⾓速度扫描的反射棱镜，内置的数码相机，可以直接获得⽬标物的影像。通过转动装置的扫描运动，完成对物体的全⽅位扫描，然后进⾏数据整理，通过⼀系列处理获取⽬标表⾯的点云数据[10]。
三维激光扫描仪的⼯作原理是通过激光发射器发射出⼀个窄波脉冲，它被分为两部分,⼀部分发送到接收机并启动时间测量器件，另外⼀部分发送到⽬标物体。当激光束到达被扫描⽬标物体的表⾯时发⽣后向反射，并且部分激光束返回到探测器。脉冲的辐射强度转化成了电流，然后在接收机放⼤并发送到时间辨别器中，时间辨别器进⾏定时(记录返回脉冲的时刻)并停⽌时间测量器件。发射脉冲和接收回波脉冲之间的时间间隔t 通过时间数字转换器(TDC)测量。T DC 是⼀个⾼频(如100M H z)脉冲振荡器，使⽤数字计算技术及模拟插值⽅法计算计时器的号码，到达⽬标的距离为
D =ct/2,
(1)式中D 是距离,c 是光速。
图1地⾯三维激光扫描系统的定位原理Fig.1Positioning pr inciple of ter restr ial laser scanning sy stem 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 )[11]，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。
三维激光扫描点的坐标(x ,y ,z )计算公式为
x =S cos sin y =S cos cos z =S sin
,
(2)
林州地震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。
3 三维激光扫描系统⼯作流程
图2三维激光扫描系统⼯作流程图
F ig.23D laser scanning system wo rk flow 三维激光扫描系统⼯作流程如图2所⽰，具体描述
如下。
3.1 三维数据获取
本⽂研究的是中国地质⼤学(武汉)的化⽯林中的两
棵硅化⽊化⽯。应⽤Rieg l VZ 400三维激光扫描仪随
机附带软件RiSCAN PRO 控制扫描过程。
1)贴标靶点：贴标靶点的⽬的是扫描得到它们的坐
标，使配准⼯作更加简单。要确保每⼀扫描站能扫到最
少3个共同的标靶点。
2)站点的设置：为了可以完整扫描⽬标物体,⼀共设
夸克电影网置了8个扫描站。这⾥需要考虑到⼏个因素: 不同站
点采集的数据需要拼接到同⼀坐标系下，这就要求各站
采集的数据要有重叠部分。⼀般来说重叠范围占
10%20%较为合适。尽可能使每⼀站都能扫到⾄少3
个标靶点的坐标，以便于以后的配准⼯作。从扫描站
点到被测对象应该没有遮挡。3)扫描阶段：标靶点贴完，站点设置好以后可以开始
扫描。扫描过程可以分成4个阶段: 粗略扫描：粗略扫描是为了确定被测对象⼤概范围和⽅位，可以选择较低分辨率进⾏粗略扫描。精细扫描：精细扫描是为了得到每个扫描点的坐标和反射强度(三维点云数据)。本研究将扫描的⾓度分辨率确定为0.05 。RiSCAN PRO 软件可以根据参数情况计算出精细扫描所需要的时间。标靶点精细扫描：精扫标靶点是为了得到标靶点的精确坐标。精扫以后，在标靶点
列表中有很多⾮标靶点被误检测为标靶点。如果对在标靶点列表中的所有标靶点进⾏精扫的话，将很费时间。可以根据标靶点的实际⼤⼩(圆形靶标:50mm)把⾮标靶点删掉，这样可以节省很多扫描时间。影像获取：通过固定在激光扫描仪上的Nikon D300s 数码相机采集照⽚。照⽚获取是为了以后做纹理映射⼯作。可以根据被测对象的开始⾓度和停⽌⾓度以及相邻两张照⽚之间的重叠范围来拍摄照⽚，以减少信息的丢失。
3.2 点云数据配准
由于需要扫描的真实场景的范围⼀般⽐较⼤，受激光扫描仪视场⾓的限制以及物体间遮挡的影响，每次扫描只能获取当前视点下的点云，其坐标是相对于当前的仪器坐标系⽽⾔。为了构建研究区域完整的三维模型，需要从不同的视点对场景进⾏扫描，并将多个视点下获取的点云进⾏重新定位,⽣成⼀个同⼀坐标系下的三维数据点集。点云配准实际上就是要出两个坐标系之间的变换关系。这种关系可以⽤⼀个3 3的旋转矩阵R 和三维平移向量t 来描述，配准就是要求解出(R,t )。为了求出R 和t ，需要在两个坐标系下的空间数据出最少3个同名点[12,13]。
在RiSCA N PRO 软件中，配准不同站点的扫描数据可以通过查同名的标靶点(数量⼤于等于3)的功能，如果没有⾜够的共同靶标点，可以通过⼿动选点选取3个以上的共同点(尽可能不在⼀个平⾯上的点)进⾏粗配准，然后做精配准。配准⼯作完毕之后可以在RiSCAN PRO 软件中将被测对象的点云数据输出为*.w r l 格式，然后导⼊到Geomagic Studio 软件中进⾏数据处理和三维建模。
点云数据配准前后的图像分别⽰于图3和图4所⽰。
3.3 点云数据处理
1)杂点的处理：杂点就是测量错误的点[14,15]，放⼤后就可看出，是明显远离被测对象表⾯的孤⽴的点。三维激光扫描仪⽣成的点云⾥就有较多的杂点，散布在物体四周，轮廓边缘外尤其多。对这样的点,⼀般⽤⼿⼯或使⽤分离点或轮廓功能将其选择后再删除。
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图3配准之前图像
Fig.3Imag e befor e reg istrat
ion 图4配准之后图像F ig.4Imag e after r egist ratio n
2)噪声去除：产⽣噪声点的原因是多⽅⾯的，包括由被测对象表⾯因素产⽣的误差[15](表⾯粗糙、波纹、
表⾯材质等)，由扫描系统本⾝引起的误差，测量⽅法的缘故，扫描仪受到震动，测量数据存在系统误差和随机误差，也有可能由偶然噪⾳引起误差(⽐如在扫描时突然有⼀只⼩鸟从扫描区域飞过)。对于这些噪声点可以⽤去除噪声功能去除，从⽽让点云数据更加平滑。
3)冗余点：冗余点是因拼接或测量⾓度等问题产⽣重叠的多余的点。对三⾓化之后的模型进⾏多边形修补或者使⽤去除特征的功能能检测出这些冗余点，然后进⾏处理。
4)点云数量优化：因为点云数据是8个站点的点云数据的总和，数量很⼤，可以通过重采样将点云数据数量进⾏优化。
3.4 三维表⾯建模
图5三维表⾯重建流程F ig.53D model r eco nstr uction pr ocess
在处理点云数据之后，下⼀步是建⽴两棵树化⽯的三维模型，流程如图5所⽰。
1)构建三⾓⽹模型：这⾥的点云数据是由不规则离
散点构成的，需要构成被测对象的实际表⾯。构建三⾓
⽹模型是⼀种⽐较简单⽽实⽤的⽅法，可以恢复被测对
象的拓扑关系的真实表⾯。
2)多边形的修补：在扫描过程中由于遮挡的原因,
致使扫描的点云数据不完整，存在⼀些数据空洞，这些数
据丢失的地⽅⽆法构建三⾓⽹模型，所以要⼿⼯进⾏数
据补充，最终形成较为完整的三⾓⽹模型。多余的点[见
3.3中的第3)步]构成的多边形很容易相交，这些地⽅直
接影响到模型建⽴的质量，所以要对它们进⾏删除然后
再处理。
3)去除多余部分：这⼀步要对错误的特征或者不要
的特征进⾏去除。根据经验判断，不能去除特征的地⽅
很可能有相交的多边形，这样要回到上⼀步对这些多边
形进⾏修补然后再去除特征。
4)多边形数量的调整：由于所扫描的点云数据是离
散点，进⾏三⾓⽹建模时难免会产⽣冗余数据，例如⼀个
平⾯只要有两个三⾓形构成，但是由于点云数据过密⽣
成的三⾓形会远远多于两个，这样就产⽣了冗余数据，解
决办法是对这些地⽅的三⾓⽹进⾏简化。反之如果点云
数据的密度不够,⽣成三⾓⽹模型之后为了尽可能让被可利霉素
测对象的特征真实，可以对这些地⽅的三⾓⽹进⾏细化。
5)多边形的平滑：可以使⽤平滑功能调整三⾓形之
间的折皱⾓度⽽不改变三⾓形的数量。在此过程中可以
对模型的局部或者整体做平滑处理。
6)多边形检测与校正：总体上要对整个三⾓⽹模型进⾏⼀次检测，以确定是否还有相交的三⾓形的地⽅。如果还有要重新做第2)步到第6)步,⼀直到整个三⾓⽹模型没有相交的三⾓形为⽌。
7)提取轮廓线：可以⾃动提取轮廓线或者⼿⼯提取轮廓线。针对不太复杂的对象可以⼿⼯提取轮廓线，针对⽐较复杂的对象可以⾃动提取然后再修理。
8)编辑轮廓线：可以使⽤编辑轮廓线功能对错误或者不满意的轮廓线进⾏修理，尽可能保持被测对象的⾃然特征。
9)构造曲⾯⽚：轮廓线是基准线，曲⾯⽚的包围线是基于轮廓线扩展的。曲⾯⽚的构造是为了进⼀步构造⽹格。
10)修理曲⾯⽚：构造曲⾯⽚之后⼀般有3个错误类型(曲⾯⽚的包围线有相交路径，较⼩的曲⾯⽚⾓度,⾼度⾓点)会影响到曲⾯⽚的质量。可以⽤修理曲⾯⽚功能对这些错误的曲⾯⽚进⾏修理。针对前两类图6未映射纹理的三维模型F ig.63D model befor e texture mapping
错误可以⽤编辑曲⾯⽚上的顶点的功能对顶点进⾏调
整，对于第三类错误⽽⾔，解决办法是把这个⾼度⾓点删
掉然后再重新⽣成。直到没有错误的曲⾯⽚(曲⾯⽚的
形状尽可能接近矩形会更好)，就可以构造⽹格。
11)构造⽹格：基于曲⾯⽚⽣成⽹格，带绿颜⾊的⽹
格表⽰能⽐较好地拟合曲⾯，带红⾊的⽹格是有错误的
⽹格，针对这种情况需要返回到第10)步重新修理曲⾯
⽚，调整⼀下然后再构造⽹格。
12)拟合曲⾯:⽹格构造好之后就可以基于每⼀个曲
⾯⽚进⾏曲⾯拟合⼯作,⽣成NURBS 曲⾯，结果如图6
所⽰。
3.5 纹理映射
纹理映射[16]是利⽤RiSCAN PRO 软件中的纹理映射功能实现的，通过所采集的⾼分辨率相⽚获取纹理信息，并进⾏映射。因为拍照的过程当中使⽤的是20mm 的⼴⾓镜头，会引起照⽚变形，所以要把所拍的图7纹理映射后的三维模型F ig.73D model after textur e ma pping 照⽚做⽆畸变的处理之后才
可以做纹理映射⼯作。
⼀般来说,⼀张照⽚只能映射⼀定的区域，对于整个
三⾓⽹模型⽽⾔要使⽤多张照⽚才能完全地覆盖整个模
型，所以把模型分开做纹理映射是⼀种很好的解决办法。
分开模型做纹理映射时有两个问题要解决，即裂缝和亮
度差。为了避免裂缝的问题，在纹理映射时可以把没有
纹理的地⽅删除，不过不要删除得过多，要确保纹理映射
之后的分块模型有⼀定的重叠度。照⽚的⾊调偏差问题
可以通过Pho to shop 软件进⾏调整。最后把纹理映射之
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