扫描单景扫描点云数据网模型的构建方法研究

单景扫描点云数据网模型的构建方法研究文档信息

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三维激光扫描技术能够在短时间内快速获取目标表面精确而密集的点集1三维激光扫描概述

三维激光扫描测量技术是最近发展迅速的一种新技术

三维激光扫描仪的基本原理

三维激光扫描应用

2激光扫描点云数据的预处理

三维激光数据获取

3基于单景点云的空间三角网实现

1首先创建窗体方便选择待构网的图层 以及处理后图层的存储. . .2

3求出各点在球面上的投影坐标

4构建第一个三角形

5取与第一个点和第二个点形成的角度最大的点作为初始三角形的第. . .4结论

正文

摘要本文主要对点云数据网模型的构建方法进行研究探讨点云数据构网的方法--基于球面投影构网算法以及基于空间三角的构网算法。本文首先分析了激光扫描数据的采集原理和数据基本特点通过研究以上两种构网方法的优势与不足考虑到单站地面激光扫描点云数据的特点具体给出了空间三角网生长算法的模型。该算法首先利用中心投影的方式将单站激光扫描点云数据投影到一个球面上在球面上进行构网这样保证了点之间的正确邻接关系然后根据空间Delaunay构网条件制定了四个限制条件来进行选点构网最后在AUTO CAD平台下结合V BA语言实现了空间三角网模型建立

关键字激光扫描空间三角网建模点云

三维激光扫描技术能够在短时间内快速获取目标表面精确而密集的点集是一种高效的数据获取模式在很多领域都得到了应用[1] 。而实际应用中由于处理的需要例如可视化、数据简化等都需要将这些离散点进行三角化构成三角网。 目前有多款软件可以进行三角网模型的建立其中瑞士徕卡三维激光扫描软件Cyclone是最常用的软件之一。但是Cyclone软件的三维建模功能有些不足。有时会出现一个点与多点相连。而且拼接处会出现裂缝和狭长三角形造成三角网的不连续。所以本文对单景点云数据网模型构建方法进行了研究。找到一种更加完善的三维建模方法从而改进现在的不足使拼接处也能够很好的连接不产生裂缝等问题

1三维激光扫描概述

三维激光扫描测量技术是最近发展迅速的一种新技术 已成为空间数据获取的一种重要技术手段特别是机载激光扫描系统发展得很快基于地面的三维激光扫描系统可用于城市三维重建和局部区域空间信息获取 目前正引起广泛的关注也是三维激光扫描技术发展的一个重要方向。

三维激光扫描仪的基本原理

地面三维激光扫描测量系统对物体进行扫描后采集到的物体表面各部分的空间位置信息是以其自身特定的坐标系统为基准的[2] 我们将这种特殊的坐标系统称为仪器坐标系统其定义为坐标原点位于激光束发射处 Z轴位于仪器的竖向扫描面内 向上为正 X轴位于仪器的横向扫描面内与Z轴垂直且垂直于物体所在方向 Y轴位于仪器的横向扫描面内与X轴垂直且与X轴、 Y轴一起构成右手坐标系 同时Y轴正方向指向物体。

三维激光扫描应用

作为新的高科技产品三维激光扫描仪已经成功的在文物保护、城市建筑测量、地形测绘、采矿业、变形监测、工厂、大型结构、管道设计、等领域里应用。这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的。

2激光扫描点云数据的预处理

三维激光数据获取

利用三维激光扫描仪获取点云数据[4] 首先进行设站对于毛主席雕像获取数据时可设三站正面设一站然后每隔120°设一站这样就能够扫描到整个雕像表面使得数据完整。站点与实际物体的距离要控制在50到100米之间。

然后进行布设控制点布设控制点必须遵循一条原则就是控制点所设的位置必须使三维激光扫描仪每两站扫描到的控制点至少要有三个是相同的。扫描后在Cyclone软件下获得的原始点云。

相邻扫描站的拼接

由于一幅扫描点云图无法获取实际物体的全貌而不同扫描站获得的点云分别采用其各自的局部坐标系。因此需要将它们配准到一个统一坐标系下来完成图像的拼接。

数据的去噪处理

在数据采集中为保证精度采用密集的采样方式[5] 所测量得到的点云数据可达到几十万到几百万个点甚至更多另一方面 由于测量采用光学原理受光照条件、传感器的噪声等的影响测量数据中会存在着大量无用的数据 即所谓的“噪声”点这些数据的存在对曲面重构是十分有害的应将其剔除。

数据的过滤处理

即进行数据的重采样过程。对于高密度“点云” [3]  由于存在大量的冗余数据不仅会使计算量加大而且还会影响到曲面的光顺性

所以需要按一定要求减少测量点的数量。 同样使用Cyclone软件中的过滤功能进行处理。

点云图像的导出

本文是在AUT OCAD下进行V BA开发来实现三角网模型的构建所以要将Cycl one软件生成的. imp文件导出并转化成.dwg或.dxf格式。

3基于单景点云的空间三角网实现

实现过程

1首先创建窗体方便选择待构网的图层 以及处理后图层的存储处。将所有图层添加到窗体组合框 同时返回选中的待处理图层名。

2将待处理图层中的所有离散点[6]的三维坐标记录到数组ElvPn  中 以便于以后的使用并定义初始球面确定半径以及原点。

3求出各点在球面上的投影坐标。存到数组tydset  中。

4构建第一个三角形选择tydset  数组中第一个元素作为初始三角形的第一个顶点然后寻找与第一个点空间距离最近的点作为初始三角形的第二个点 同时记录该点在数组中的下标值

5取与第一个点和第二个点形成的角度最大的点作为初始三角形的第三个点然后将第一个三角形存储到数组tri 中形成的三条边存储到zbiaet 数组中。

4结论

本文主要根据获得的三维激光扫描数据依据数据本身的特点重点探讨建立空间表面模型的基本方法以及实际应用。主要讨论了三种建模方法平面不规则三角构网基于球面投影构网方法以及基于空间三角算法的构网方法。通过研究以上三种构网方法的优势与不足考虑到单站地面激光扫描点云数据的特点具体给出了空间三角网生长算法的模型。该算法的构网实现较为简单但只适合于简单数据的构网而且形成的三角网局部地区可能会出现三角形的叠加问题也可能出现狭长三角形并不能保证所有的三角形都符合Delauanay准则所以需要对选点的约束条件进一步完善。但这些问题并不影响整体效果用此法所构成的三角网效果较佳能够很好的反应实际物体的表面。而且不会产生三角网的断裂裂缝等现象。

参考文献

[1]郑顺义苏国中 等 .三维点集的自动表面重构算法[J] .武汉大学学报 2005。

[2]刘鑫严建华 等 .基于3D栅格的点云三角网格模型重构研究[N] .上海大学学报 2003。

[3]张帆黄先锋 等 .基于球面投影的单站地面激光扫描点云构网方法[N] .测绘学报 2009。

[4]李清泉杨必胜 等 .三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M] .武汉大学出版社 2003。

[5]刘春陆春等 .三维激光扫描数据的压缩与地形采样[J] .遥感信息 2005。

[6]管镭 等 .三角网络化算法及实现[J]

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