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地面三维激光扫描点云数据处理与模型构建

作　者: 周华伟
导　师: 朱大明；侯至群
学　校: 昆明理工大学
专　业: 地图学与地理信息系统
关键词: 三维激光扫描技术点云数据预处理三维建模
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 483次
引　用: 2次
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内容摘要

随着信息时代各行各业对空间数据需求的日益增长,常规的数据获取方式和数据处理模式已经不能满足信息化需要。传统的三维建模具有数据采集困难、效率低下等缺点,三维激光扫描技术的出现,改变了已有的数据采集方式,为空间三维信息的获取提供了全新的技术手段。三维激光扫描测量技术采用非接触主动测量方式,能够直接、方便、快捷地获取目标物体高精度三维点云数据。作为测绘技术领域的又一项新突破,三维激光扫描技术的应用已从传统的制造业扩展到大型工程测量、数字城市三维重建、数字文物保护和复杂建筑的变形监测等方面。应用数字化、信息化技术进行文化遗产保护是目前的社会研究热点和学术前沿问题,利用三维激光扫描数据实施三维重建对于那些具有复杂细节结构和宏大场景规模等特点的古建筑是极富挑战性的难题。三维激光扫描技术引入文物建筑测绘和研究领域弥补了传统测绘手段的诸多不足,本文研究的主要内容是应用地面三维激光扫描系统从点云数据获取、数据预处理到结合NURBS曲面造型技术进行三维重建的整个过程。本文在全面分析基于三维激光扫描数据进行三维重建的理论方法和应用现状的基础上,总结了地面三维激光扫描仪的外业点云测绘实施方案和数据处理流程,对模型构建的关键技术所应用的理论和造型方法进行了分析。在逆向工程技术的基础上,利用徕卡ScanStation2全站式三维激光扫描仪,选用部分古文物点云数据作为研究对象,运用逆向上程软件Geomagic Studio 10对实例进行了特征分析和数据处理,实现了散乱点云数据构建NURBS曲面和三维重建的目的。同时,结合实际情况,分析总结了用户对于三维激光扫描的点云数据处理软件系统和生成三维古建筑模型的需求,初步探讨了结合GIS技术实现物质文化遗产数字化和现代化的保护,这对于文物保护领域来说具有非常广阔的应用前景和研究价值,同时也具有重要的社会和经济意义。最后,对论文的研究工作进行了总结,通过对三维激光扫描技术和模型构建特点进行分析,结合当前的研究状况探讨了模型的相关应用,并展望了进一步的研究方向和工作内容。三维激光扫描技术在古建筑古文物测绘方面的普及应用,必将加速文物保护的现代化,带动和促进相关方面的理论研究和实际应用。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-12
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 国内外研究状况  9-11
  1.3 研究的主要目的和内容  11-12
第二章三维激光扫描技术理论基础  12-27
  2.1 三维激光扫描系统的工作原理  12-16
    2.1.1 系统结构的基本组成  12-14
    2.1.2 三维激光扫描系统的工作原理  14-16
  2.2 三维激光扫描技术的特点及应用  16-17
  2.3 三维激光扫描系统的分类  17-21
    2.3.1 空中机载测量系统  17-18
    2.3.2 车载激光扫描系统  18-19
    2.3.3 地面测量型激光扫描系统  19-21
    2.3.4 便携式激光扫描系统  21
  2.4 几种常见的地面测量型三维激光扫描系统  21-26
    2.4.1 Vivid 9i测量系统  21-22
    2.4.2 徕卡HDS6000扫描系统  22-23
    2.4.3 徕卡ScanStation2扫描系统  23-25
    2.4.4 徕卡高效一体化三维激光扫描仪Scanstation C10  25-26
  2.5 本章小结  26-27
第三章三维激光扫描点云获取及数据预处理  27-45
  3.1 三维激光扫描数据采集  27-34
    3.1.1 三维激光扫描实施  27-30
    3.1.2 三维激光扫描点云特点及数据处理流程  30-32
      3.1.2.1 点云数据特点  30-31
      3.1.2.2 点云数据处理流程  31-32
    3.1.3 地面三维激光扫描技术的误差来源分析  32-34
  3.2 点云数据预处理  34-44
    3.2.1 不同站点扫描数据的配准  34-38
    3.2.2 点云数据的去噪、平滑  38-41
    3.2.3 点云数据的分割  41-44
  3.3 本章小结  44-45
第四章三维模型的构建  45-72
  4.1 曲面重构方法研究  45-49
    4.1.1 曲面数学模型的产生  45-46
    4.1.2 NURBS曲面及特点  46-48
    4.1.3 曲线和曲面的拟合  48-49
  4.2 曲面重构实例  49-68
    4.2.1 点云数据和软件分析  49-50
    4.2.2 基于NURBS方法的曲面重构  50-64
      4.2.2.1 点阶段  50-53
      4.2.2.2 多边形阶段  53-57
      4.2.2.3 曲面重建阶段  57-63
      4.2.2.4 构造格栅  63-64
    4.2.3 模型质量评价与输出  64-68
      4.2.3.1 模型重构的误差来源  65-67
      4.2.3.2 精度评价指标  67-68
      4.2.3.3 误差控制的策略和方法  68
  4.3 基于GIS的三维模型重建在古建筑保护中的应用分析  68-71
    4.3.1 建立空间和属性数据库  68-69
    4.3.2 建立古建筑保护专业分析系统  69
    4.3.3 建立古建筑复原评估体系  69-71
  4.4 本章小结  71-72
第五章总结与展望  72-74
  5.1 研究总结  72
  5.2 进一步的研究方向  72-74
致谢  74-75
参考文献  75-80
附录  80

地面三维激光扫描点云数据处理与模型构建

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