论文部分内容阅读
【摘 要】 本文首先概述了三维激光扫描测绘技术的基本原理，然后分析了点云数据的不同处理方式及其误差来源和避免措施，之后指出三维扫描外业实施中应该注意的问题，最后说明三维模型在实际应用中存在的确定。
【关键词】 三维激光扫描技术；点云拼接；问题分析
1 三维扫描技术概述
三维激光扫描技术是在测绘技术基础上发展起来的，但测绘方法不同于传统测绘技术，是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，这些密集而连续的三维坐标数据称为点云数据。点云数据可以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），即为逆向工程的应用。为快速获取空间数据提供了有效手段，是测绘技术的一项新突破。
2 点云拼接的误差分析
将不同坐标系下的点云数据转化到大地坐标系或同一坐标系中的点云数据处理过程叫做拼接。拼接又称为“配准”。按照拼接时采用的不同方法，模型的拼接大体可以分为：基于目标的拼接和基于“大地测量”测站点的拼接。
基于目标的拼接，在外业非水平状态和水平状态扫描时，相邻测站的扫描目标都需要有一定的重叠度或分别至少有三个（不在同一直线上）和两个点作为公共点。用于拼接的目标点有两种，分别是点云模型中的自然点和仪器配套的平面形标靶或球形标靶。基于目标点的拼接方法，为了两两测站间扫描数据的相互配准，需要在扫描区域中设置公共点以实现多个测站扫描数据的拼接，最后实现被测目标表面整体的点云数据。然而获得的公共点坐标精度毕竟是有限的，计算得到的各个站间的转换参数也不可避免的存在误差。在建立的扫描测站比较少的情况下，那么精度还好，如果地面场景扫描需要几十甚至更多测站才能完整的获取目标表面的点云数据时，通过两两逐次配准实现目标多测站点云的完整拼接过程中会由于误差的积累产生较大的配准误差，导致首末两站扫描数据拼接上存在误差，不能很好的衔接在一起。逐站配准是避免不了配准误差的，可以通过将全部测站间的转换参数进行整体平差，提高转换参数的整体精度，也就达到提高整体配准的精度。
基于“大地测量”测站点的拼接方式与大地测量中的导线测量相类似，在一个测站中既有后视点又有前视点，且需要测量仪器高和标靶高度。已知的“大地测量”坐标点的数目少于2个或没有，则无法实现模型的绝对定向。基于“大地测量点”的拼接方法，通过仪器的对中、整平和定向功能，可以直接将扫描数据纳入到地方或国家测量坐标系统当中，但是这种方法会产生设站误差、定向误差。在进行实际作业时，可以通过严密的对中、整平来降低设站误差；采取多点定向的方法降低定向误差的影响。
3 三维扫描外业实施注意事项
各个扫描测站点之间、扫描测量站点与标靶之间必须保证通视。在布设扫描测量站点的时候要考虑到扫描仪的到铁塔和标靶的距离，因为扫描物体到扫描仪的距离越大，距离测量和角度测量的误差就越大，点位精度就越低。标靶一旦架设完成就不能移动，对于基于标靶的拼接，标靶的移动会严重影响到拼接的效果，从而影响整个模型的建立。
在扫描过程中，如果设置的扫描间隔大于铁塔的钢架结构，这些三角钢架在扫描过程中将被忽略（如图1），点云的尺寸也会被缩小。
扫描分辨率决定了对扫描物体的分辨能力。扫描时采用的密度越高，目标物体的空间特性就越明显。扫描分辨率是以角的方式来定义的，在相同分辨率设置情况下，离扫描仪越近的目标扫描越精细，反之越粗糙。空间内位于不同位置的物体扫描采样密度亦不同，如图2所示。因此需要根据铁塔和扫描之间的距离情况，以及铁塔自身的特性设置扫描仪的分辨率。
4 三维模型应用中的难点
三维模型建立完成之后，其应用之一是在模型上量取物体的实际尺寸，然而在量取的过程中會遇到一些棘手的问题，这些问题会直接影响到测量结果的准确性。
要量取某个物体的尺寸就需要确定该物体的量取范围，也就是说要确定边缘。在点云模型中我们可以通过缩小和放大功能来调节模型的显示大小，以便于我们观察。如右图3所示，A比较小，B放大了些许，C放的更大。在A、B的缩放情况下，我们可以凭肉眼大致的确定边缘，在C的缩放情况下，我们可以精确地看到每个点，但是边界的那些点又不是平行的，不在一条直线上，参差不齐，更是无法确定应该以哪一个点为最终的边界点。
在量取模型上某个部分的尺寸时，视角的调整对模型尺寸的量取也起到关键的作用，可以通过旋转和平移工具把模型调整到各种需要的角度。如图4所示，视角2虽然可以很容易的看清面ABCD和面BCFE，但是无法确定两个部分的空间立体关系，视觉上面ABCD和面BCFE被误看成在同一平面AEFD上。视角1因为只能看见面BEFC而看不见面ABCD，所以这样的视角可以消除面ABCD干扰的影响。
在通过上述两种方法还是无法准确量取模型的尺寸时，我们可以通过截面的方式来截取一个平面，这样就可以更加准确的确定要量取部分的边界范围，但是在截取平面时就需要考虑到截平面的方位问题。如图5所示，平面O是个截平面，本来想要量取面ABCD的尺寸，但是截平面O倾斜了，截得的面AMNB与面ABCD斜交，这样量取的面AMNB的尺寸并非是需要的面ABCD的尺寸。
因此在量取某个部位的尺寸时既需要考虑到该部位边界的问题又需要兼顾面的问题，然而由于目前的三维建模软件功能的限制，还是一个亟待解决的问题。但是在应用中利用物体各部的相互关系和作辅助线等方式还是可以改善的。
参考文献：
[1]白成军.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用及相关问题研究[硕士学位论文].天津大学，2007
[2]李巧丽.基于点云数据的塑像三维建模[硕士学位论文].同济大学，2009
[3]胡炜.输电铁塔上部结构几何参数优化设计[硕士学位论文].华北电力大学，2008
[4]齐建伟.三维激光扫描测量系统误差分析与精度研究[硕士学位论文].徐州：中国矿业大学，2009
【关键词】 三维激光扫描技术；点云拼接；问题分析
1 三维扫描技术概述
三维激光扫描技术是在测绘技术基础上发展起来的，但测绘方法不同于传统测绘技术，是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，这些密集而连续的三维坐标数据称为点云数据。点云数据可以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），即为逆向工程的应用。为快速获取空间数据提供了有效手段，是测绘技术的一项新突破。
2 点云拼接的误差分析
将不同坐标系下的点云数据转化到大地坐标系或同一坐标系中的点云数据处理过程叫做拼接。拼接又称为“配准”。按照拼接时采用的不同方法，模型的拼接大体可以分为：基于目标的拼接和基于“大地测量”测站点的拼接。
基于目标的拼接，在外业非水平状态和水平状态扫描时，相邻测站的扫描目标都需要有一定的重叠度或分别至少有三个（不在同一直线上）和两个点作为公共点。用于拼接的目标点有两种，分别是点云模型中的自然点和仪器配套的平面形标靶或球形标靶。基于目标点的拼接方法，为了两两测站间扫描数据的相互配准，需要在扫描区域中设置公共点以实现多个测站扫描数据的拼接，最后实现被测目标表面整体的点云数据。然而获得的公共点坐标精度毕竟是有限的，计算得到的各个站间的转换参数也不可避免的存在误差。在建立的扫描测站比较少的情况下，那么精度还好，如果地面场景扫描需要几十甚至更多测站才能完整的获取目标表面的点云数据时，通过两两逐次配准实现目标多测站点云的完整拼接过程中会由于误差的积累产生较大的配准误差，导致首末两站扫描数据拼接上存在误差，不能很好的衔接在一起。逐站配准是避免不了配准误差的，可以通过将全部测站间的转换参数进行整体平差，提高转换参数的整体精度，也就达到提高整体配准的精度。
基于“大地测量”测站点的拼接方式与大地测量中的导线测量相类似，在一个测站中既有后视点又有前视点，且需要测量仪器高和标靶高度。已知的“大地测量”坐标点的数目少于2个或没有，则无法实现模型的绝对定向。基于“大地测量点”的拼接方法，通过仪器的对中、整平和定向功能，可以直接将扫描数据纳入到地方或国家测量坐标系统当中，但是这种方法会产生设站误差、定向误差。在进行实际作业时，可以通过严密的对中、整平来降低设站误差；采取多点定向的方法降低定向误差的影响。
3 三维扫描外业实施注意事项
各个扫描测站点之间、扫描测量站点与标靶之间必须保证通视。在布设扫描测量站点的时候要考虑到扫描仪的到铁塔和标靶的距离，因为扫描物体到扫描仪的距离越大，距离测量和角度测量的误差就越大，点位精度就越低。标靶一旦架设完成就不能移动，对于基于标靶的拼接，标靶的移动会严重影响到拼接的效果，从而影响整个模型的建立。
在扫描过程中，如果设置的扫描间隔大于铁塔的钢架结构，这些三角钢架在扫描过程中将被忽略（如图1），点云的尺寸也会被缩小。
扫描分辨率决定了对扫描物体的分辨能力。扫描时采用的密度越高，目标物体的空间特性就越明显。扫描分辨率是以角的方式来定义的，在相同分辨率设置情况下，离扫描仪越近的目标扫描越精细，反之越粗糙。空间内位于不同位置的物体扫描采样密度亦不同，如图2所示。因此需要根据铁塔和扫描之间的距离情况，以及铁塔自身的特性设置扫描仪的分辨率。
4 三维模型应用中的难点
三维模型建立完成之后，其应用之一是在模型上量取物体的实际尺寸，然而在量取的过程中會遇到一些棘手的问题，这些问题会直接影响到测量结果的准确性。
要量取某个物体的尺寸就需要确定该物体的量取范围，也就是说要确定边缘。在点云模型中我们可以通过缩小和放大功能来调节模型的显示大小，以便于我们观察。如右图3所示，A比较小，B放大了些许，C放的更大。在A、B的缩放情况下，我们可以凭肉眼大致的确定边缘，在C的缩放情况下，我们可以精确地看到每个点，但是边界的那些点又不是平行的，不在一条直线上，参差不齐，更是无法确定应该以哪一个点为最终的边界点。
在量取模型上某个部分的尺寸时，视角的调整对模型尺寸的量取也起到关键的作用，可以通过旋转和平移工具把模型调整到各种需要的角度。如图4所示，视角2虽然可以很容易的看清面ABCD和面BCFE，但是无法确定两个部分的空间立体关系，视觉上面ABCD和面BCFE被误看成在同一平面AEFD上。视角1因为只能看见面BEFC而看不见面ABCD，所以这样的视角可以消除面ABCD干扰的影响。
在通过上述两种方法还是无法准确量取模型的尺寸时，我们可以通过截面的方式来截取一个平面，这样就可以更加准确的确定要量取部分的边界范围，但是在截取平面时就需要考虑到截平面的方位问题。如图5所示，平面O是个截平面，本来想要量取面ABCD的尺寸，但是截平面O倾斜了，截得的面AMNB与面ABCD斜交，这样量取的面AMNB的尺寸并非是需要的面ABCD的尺寸。
因此在量取某个部位的尺寸时既需要考虑到该部位边界的问题又需要兼顾面的问题，然而由于目前的三维建模软件功能的限制，还是一个亟待解决的问题。但是在应用中利用物体各部的相互关系和作辅助线等方式还是可以改善的。
参考文献：
[1]白成军.三维激光扫描技术在古建筑测绘中的应用及相关问题研究[硕士学位论文].天津大学，2007
[2]李巧丽.基于点云数据的塑像三维建模[硕士学位论文].同济大学，2009
[3]胡炜.输电铁塔上部结构几何参数优化设计[硕士学位论文].华北电力大学，2008
[4]齐建伟.三维激光扫描测量系统误差分析与精度研究[硕士学位论文].徐州：中国矿业大学，2009