输电线路铁塔的三维建模
绪论
1.1、概述
三维激光扫描技术目前是测绘领域中一个新的研究热点。众所周知，传统测绘技术主要是单点精确测量，要用其采集数据进行三维建模就存在很多问题，因为描述目标结构的完整属性需要采集大量的点，少则几万，多则几百万甚至几千万，这样才能把目标完整地建模，所以，用现代高精度扫描技术就可以解决了这个问题。三维激光扫描技术就是全自动高精度立体扫描的技术，它不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向工程及三维模型重构，具有独特的优势：数据获取速度快，实时性强：数据量大，能详细描绘物体的细节；主动性强，能全天候工作；全数字特征，信息传输、加工、表达容易；操作方便，扫描时由软件控制仪器工作。因此，对基于三维激光扫捕数据的建模技术研究很有必要。 三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，对任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作，采用高精度逆向三维建模及重构技术，以获取研究目标的三维坐标数据和数码照片的方式快速获
取各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等大型实体或实景等目标的三维立体信息，直接将这些三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种数据，再现客观事物真实的形态特性。该技术为快速获取空间数据提供了有效手段，是继GPS技术以后的又一项测绘技术新突破。
利用地面三维激光扫描仪对物体进行数字化，得到物体表面大量点的三维坐标集合，称为点云数据。这些三维激光点云数据还可进行各种后处理工作(如：测绘、计量、分析、仿真、模拟、展示、监测、虚拟现实等)，即所谓的逆向工程应用。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件直接使用。
目前空间模型的表达一般用面体，包括平面和曲面，平面的表达用的最多的是平面三角形，因为空间中任意三个点都可以决定一个平面；曲面的表达一般用基于控制点的NURBS曲面，此曲面以一定量的控制点来控制整个曲面的形状。由三角形组成的三角网应用非常广泛，它可用于表达物体表面细致的凹凸形状，进行光照反射的分析，纹理映射，以及空间信息的获取；而曲面的应用也很有效，它可建立光滑自然的曲面造型，更趋于真实。因此两者在建立三维模型时都非常有用。
所谓建模，就是利用真实物体的几何特性，利用点、线、面或图像将其在计算机上显示出来，并达到与真实物体相似的感观效果。
1.2、研究现状
三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，特别是地面三维激光扫描仪的出现，为三维数据获取提供了新的手段。它利用高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描仪可以快速获得被测对象表面每个采样点空间立体坐标，得到被测对象的采样点(离散点)集合，也即“点云”(Point Cloud)。
1.2.1、国外现状
由于三维模型的应用方向十分广泛，从其问世以来，国外已经有很多专家、学者进行这方面的研究、尝试，并取得了一些成果，所以从点云数据建立模型的研究工作得到了不断的完善和发展。
1994年，Hoppe提出了从无结构的点云数据精确地实现分段光滑曲面的自动重建的方法。该方法分为初始曲面的估计、格网优化和分段光滑曲面的优化三个阶段。
Tames 四川卫视两天一夜Varady等人针对工业领域的逆向工程技术，总结了逆向工程的工作步骤，概括了数据获取和模型重建的一些重要算法，提出了几何模型特征、相关表面特性表达，简单表面和自由表面的分割和曲面拟合，多视点影像的组合以及生成连续精度的B．rep(Boundary Representation)模型的方法。
1998年Marco Viceconti等人应用CT扫描三维影像数据建立人体骨骼的NURBS实体模型，建立的CAD模型精度比_维数据建立的模型精度高很多。
QingJin Peng和Martin Lofius阐述了从二维视觉信息晕建三维模型的过程。
美国Stanford大学计算机系的图形学实验室与意大利政府合作，针对著名艺术家米开朗基罗的“大卫”等十几个大型雕塑作品进行的数字化米开朗基罗计划，在文物扫描、三维模型建立、大规模模型的绘制等方面积累了一定的研究成果。
2000年Ruzica Maksimovic等人在医学领域中研究了用于CT的一种基于等值线模型的
影像数据分割和三维模型建立的算法。
自2002年以来，每年的欧洲计算机图学年会(Euro Graphics)都有一个专门的PBG(Point Based Graphics：基于点的图形学)研讨会，基于点的图形学引起了众多研究学者的研究兴趣。PBG概念出现后，基于点的绘制技术成为点云模型的标准渲染技术。点云模型渲染技术目前无论是从渲染的速度抑或渲染的效果上来看，均已发展地较为完善。
1.2.2、国内现状
目前在国内，就硬件技术而言，浙江大学、天津大学等一些科研院校己经对三角法三维激光扫描技术进行了较为全面的研究。由于基于TOF测距技术的三维激光扫描技术是目前最先进的高新集成技术之一，国内对这方面的硬件研究尚未见发表。在数据处理方面，国内只有极少数研究学者对三维激光扫描数据的处理方面作了理论与方法研究，其研究内容的层次还远达不到实用阶段。因此可以认为，目前在国内，几乎没有一套自行开发的三维激光扫描技术的数据处理软件。在三维激光扫描数据处理上的研究正处于初步发展的阶段，需要对三维激光技术的硬件与数据处理加以系统地研究。
但是，近几年，国内也不断有专家学者将三维激光扫描技术应用于实践，并取得了一定的科研和实践成果。
2001年3月，清华大学土木系和徕卡测量系统公司的技术人员采用Cyra三维激光扫描系统对清华大学校内的建筑物二校门进行了三维激光扫描，并基于生成的点云数据建立了二校门的三维模型。
北京建筑工程学院与故宫博物院合作，采用三维激光测绘技术，采集太和殿的完整点云数据，用逆向工程的方法建成了太和殿的三维模型。
2006年12月6日至11新苏伊士运河日，北京建设数字科技有限责任公司利用徕卡测量系统HDS3000型三维激光扫描系统高精度地采集乐山大佛的表面数据，并利用该系统附带的数据处理软件建立精确的乐山大佛三维立体模型，即“数字乐山大佛”。
2007年10月18日开幕的纪念圆明园建园300周年国际学术研讨会上，专家宣布将用三维激光扫描和虚拟构件技术等现代化的科技手段，复原圆明园中的一些古建筑原貌，并将进行重建。清华大学城市规划设计研究院教授臧春雨介绍，清华大学城市规划设计研究院的专
家已经两次用三维激光扫描技术，对圆明园九州景区中的碧澜桥残余构件进行了扫描，通过计算机虚拟构件，研究得出碧澜桥残留构件的组合复原方案，并最终取得成功。
第一章 三维激光扫描技术
孔业礼1.1、三维激光扫描原理
三维激光扫描仪相当于一个高速测量的全站仪系统。传统的全站仪测量需要人工干预帮助全站仪到目标，每次只能测量一个目标点，即使是马达型全站仪也只能跟踪测量数量有限的点。三维激光扫描仪通过自动控制技术，对被测目标按照事先设置的分辨率（相当于采样间隔）进行连续的数据采集和处理。对于某一时刻来讲，三维扫描变成一维测距，扫描仪实际上相当于一台全站仪。对一个物体表面经过扫描后得到大量的扫描点（或称为采样点）的集合称之为“点云”或“距离影像”，其实为被扫描物体的 3D 灰度图。
水隔离泵
先假定这样一个坐标系：扫描仪的理论竖直轴（即水平时的天顶方向）为 Z轴、扫描仪水平转动轴的零方向为 X 轴构成一个右手坐标系 A（X—Y—Z），称之为扫描坐标系。这样，对于单个采集点，三维激光扫描仪根据脉冲激光测距原理获得仪器 O 到被测点 F 的距
离 S，同时角度计数器记录扫描仪的扫描激光束位置（脉冲）相对于起始位置（即仪器扫描坐标系的坐标轴方向）的横向和纵向扫描角度 m 和 m，由此可得到三维激光点（即被测目标点）在扫描坐标系中的坐标 F（X、Y、Z）。
=S×COS(m)×COS(n)
靖江市城北小学=S×COS(m)×SIN(n) （1.1-1）
=S×SIN(m)
假定扫描仪扫描的瞬间，扫描仪中心 O 在大地坐标系(x0, y0, z0)中的坐标为O（OX′，OY′，OZ′），该瞬间扫描的姿态参数（即仪扫描坐标系相对于大地坐标系的旋转参数，也称为角元素）为（P、Q、R），可以坐标变换得到测点任一点在大地坐标系中的坐标 F（X′—Y′—Z′）。
图1-1：扫描仪扫描原理
由此看出激光三维扫描系统需要解决如下问题：⑴测量扫描仪到目标点间的距离；⑵测量扫描瞬间激光束在扫描坐标系中的位置；⑶测量扫描仪中心在大地坐标系中的瞬间位置；⑷测量扫描仪的姿态；⑸目标点彩信息的采集。前两个问题可由扫描仪解决，扫描仪中心在大地坐标系中的坐标可由随机的动态差分GPS 来测量，测量扫描仪的姿态由高精度姿态测量装置求出，点的彩信息由扫描仪的高分辨率相机拍照完成。
图1-2：GPS差分定位原理
激光三维扫描系统的关键问题：一是定位测量和姿态测量的同时性问题；二是数据冗余问
为中华之崛起而读书教学实录题，大量的数据将使计算系统瘫痪，需要利用相关的数据压缩技术保留反映目标特性的信息、取掉无关的信息；三是多图象或多测站成果的拼接问题；四是数据过滤问题，从激光采样点数据中去除测量躁声；五是目标物体的判断和识别。
1.2、三维激光扫描技术的特点：
⑴非接触性。不需要接触目标，即可快速确定目标点的三维信息，解决了危险目标的测量、不宜接触目标的测量和人员无法达到目标的测量等问题。
⑵快速性。激光扫描的方式能够快速获得大面积目标的空间信息，对于需要快速完成的测量工作尤其重要。
⑶数据采集的高密度性。可以按照用户的设定采样间隔对物体进行扫描，这样对那些先前用传统的测绘方法无法进行的测绘就变的比较方便，比如雕塑和贵重文物及工艺品的测绘。
⑷穿透性。改变激光束的波长，激光可以穿透某些特殊的物质，比如水、玻璃和稀疏的植被等，这样可以透过玻璃、穿透水面、穿过植被进行扫描。
⑸主动性。主动发射光源，不需要外部光线，接收器通过探测自身发射出的光经反射后的光线，这样，扫描不受时间和空间的限制。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议