基于三维激光扫描技术的点云数据建模与可视化开题报告

1. 研究目的与意义

背景： 传统的测绘技术是单点定位高精度测量目标，随着测绘技术的不断发展，近年来在测绘领域出现许多新的甚至是革命性的突破，而三维激光扫描技术的出现是测绘领域继gps技术之后的一次技术革命，并且基于三维激光扫描技术的应用也越来越多。 三维激光扫描技术是二十世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，又被称为实景复制技术。它通过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影像模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描系统包含数据采集的硬件部分和数据处理的软件部分。硬件部分主要就是三维激光扫描仪，大致有两种划分方法：一种是按照测量方式：基于脉冲式；基于相位差；基于三角测距原理；第二种是按照空间位置或者系统运行平台划分为机载型激光扫描仪，地面型激光扫描仪和手持型激光扫描仪。生产三维激光扫描仪的厂家有青岛恒准（中国），surphaser（美国），riegl（奥地利），徕卡（瑞士），天宝（美国），optech（加拿大），拓普康（日本）等产家。而软件部分有很多，主要是徕卡公司hds扫描仪的配套软件cyclone软件，rigel公司lms系列的3d-rican软件，optech公司ilris-3d parser软件等。 目前，三维激光扫描技术在国内外越来越引起研究领域的关注，其中包括在文物古建筑保护、建筑、土木工程、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。在测绘领域的研究是三维激光扫描技术的主要内容，而国内相关人士都做了许多这方面的研究，比如路兴昌等就发表过《基于三维激光扫描的空间地物建模》，朱磊等有《三维激光扫描技术在变形检测中的应用》一文，王田磊等在《三维激光扫描技术在建筑物三维建模可视化中的应用》也有过相关的研究等等。有这些相关的研究可以发现三维激光扫描技术在测绘领域中主要应用在变形监测，建筑物或构造物的建模与可视化和空间地物建模（包含如今的数字城市）等，由于三维激光扫描技术是非接触主动式的采集数据，数据采集效率高，所以在对比传统测量技术有着巨大的优势，在这些领域的应用也越来越广。在古建筑和文物保护方面，国内有很多专家都有过这方面的研究，比如邢昱等有《基于gis与三维激光扫描的古建筑保护研究》提到一些现状，周克勤等在《三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用》也有过类似的研究，还有白成军等在《文物建筑测绘中三维激光扫描技术的核心问题研究》也有过相关的研究等等。中国的古建筑中有很多缺乏详细数据，传统的测量很难在不伤害到古建筑的前提下能够将古建筑三维数据测出，而且古建筑或者文物中有很多精细的地方是传统测量涉及不到的，而三维激光扫描可以在保护文物或者古建筑的前提下，得到大量而精确的数据并且相关的软件能够让我们对其进行数据建模和可视化。但是，目前国内大多数的研究都是数据采集和可视化，关于建筑物的复原和重建等相关研究进展缓慢，这些技术还有待发掘。另外在交通事故处理方面，随着三维激光扫描技术的不断发展与成熟，其数据扫描能力的进步，三维激光扫描技术成为事故现场勘查的新方法。比如金雯在《利用三维激光扫描技术进行事故现场勘查》就有过这方面的研究，由于三维激光扫描技术可以在短时间内获得大量数据，可以缩短事故勘查的时间，而且由于有着大量相关后期处理软件，可以实现事故现场的建模与可视化，让事故现场的环境得到很大程度的还原，便于一些事故发生后的证据提取，让勘查工作变得简单易行，而且还能得到可靠证据。

目的： 学习三维激光扫描技术的工作原理，掌握徕卡cyclone软件的特点，操作方法，以及主要功能，实现激光原始数据的前期处理（数据滤波、点云拼接/坐标统一、坐标系转换、特征信息提取、曲面拟合与模型化）与优化处理的过程。实现从激光点云数据中求取量测对象天幕立柱的中心线空间位置并选择合适的软件实现激光扫描数据的三维显示与浏览。

意义: 由于三维激光扫描技术克服了传统测量的局限性，能够快速的将现实世界的信息转变成可以处理的数据，这样就更加使基于三维激光扫描技术的工程构造物数据建模与可视化相关方面的应用能够得到快速的发展，通过建模与可视化，能够将大量枯燥，单调的数据变成更直观，更形象地展现在我们眼前。而相应的，这项技术也成为摄影测量和遥感技术的一个重要补充。

2. 研究内容和预期目标

主要研究内容： 1）量测立柱中心线位置的方法，实现从激光点云数据中求取量测对象天幕立柱的中心线空间位置 2） 三维数据建模根据要求用徕卡Cyclone软件进行，三维数据建网，三维数据拼接，纹理映射 3）苏州天幕立柱的可视化

预期目标： 了解并掌握三维激光扫描技术原理，能够初步掌握徕卡Cyclone软件，并进行简单的数据处理工作，能够从激光点云数据中求取量测对象天幕立柱的中心线空间位置，并且选择相应的软件进行三维建模和可视化。

3. 研究的方法与步骤

研究方法及步骤： 1）学习并了解三维激光扫描仪的一些原理，并学习相关的处理软件 2）三维激光扫描仪的一些参数设置，并学习数据采集的一些方法 3）获取苏州天幕立柱的三维激光扫描采集的数据 4）利用莱卡等相关软件进行数据的预处理和优化处理 5）利用相关可视化软件对已经经过预处理的数据进行可视化，完成苏州天幕立柱的建模与可视化

流程图：

三维激光扫描原理 丨三维激光数据采集 丨 实地学习数据的采集方法 丨 数据处理 丨 用软件进行可视化处理

4. 参考文献

1 郑德华，雷伟刚. 地面三维激光影像扫描测量技术[J]，铁路航侧,2003(3).2 路兴昌，张艳红.基于三维激光扫描的空间地物建模.吉林大学，中国科学院，2004.4.3 朱磊，王建，毕京学.三维激光扫描技术在变形监测中的应用.山东科技大学，2014.4.4 王田磊，袁进军，王建锋.三维激光扫描技术在建筑物三维建模可视化中的应用.测绘通报，2012，第9期.5 李必军，方志祥，任娟.从三维激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究.武汉大学学报，2003 (1):65-70.6 刘求龙，胡伍生，王骢，徐君民.三维激光扫描仪在惠泉变电站三维模型构建中的研究与实现. 测绘通报，2010(9) :35-37.7 李长春，薛华柱，徐克科.三维激光扫描在建筑物模型构建中的研究与发现.河南理工大学学报，2008(2):193-199.8 邢昱，范张伟，吴莹.基于GIS与三维激光扫描的古建筑保护研究. 河南大学，2008.10.9 范海英，杨伦，邢志辉，刘茂华，孙秀波.Cyra三维激光扫描系统的工程应用研究.辽宁工程技术大学，2004.5.10 金雯.利用三维激光扫描技术进行事故现场勘查.上海市测绘院，2009.11 周克勤，许志刚，宇文仲.三维激光影像扫描技术在古建测绘与保护中的应用.北京建筑工程学院，2004.4.12 白成军，吴葱.文物建筑测绘中三维激光扫描技术的核心问题研究.天津大学建筑工程学院.2011.1.

5. 计划与进度安排

1.2022-3-16至2022-3-27：接受任务，了解指导教师对论文的要求和工作内容，根据论文题目阅读指导教师规定的文献，通过网络、期刊、专业书籍等进行相关背景资料了解，撰写开题报告。

2.2022-3-28至2022-4-10：翻译英文文献。

了解三维激光扫描技术的基本原理，熟悉并掌握徕卡cyclone软件的特点，操作方法，以及主要功能，实现激光原始数据的前期处理与优化处理的过程。