1.1课题背景

三维激光扫描技术是二十世纪九十年代新兴的一门测量技术，又称为”实景复制技术”，它采用非接触式高速激光测量，能获取扫描物体表面的海量三维点云（Point Cloud）数据，建立三维立体模型，制作正射影像图、立面图、平面图和剖面图等，从而为各行业各领域提供了一种获取实体空间信息全新的技术手段，是测绘领域继”GPS定位技术”后的又一项技术革新。因此该技术被广泛应用于逆向工程、医学、考古、建筑业、船舶、电力、市政建设等众多领域。

据悉，2015年10月26日，由四川省安全科学技术研究院主办的首届三维激光扫描技术国际论坛在成都开幕。本届论坛以”三维科技，数字未来”为主题，来自美国、德国、英国、澳大利亚、瑞典、意大利以及国内的数十位专家齐聚一堂，共同探讨三维激光扫描技术的发展。随着三维激光扫描技术设备在国内的应用日渐普及,在众多的工程应用领域表现出了很好技术优势,是科学技术和信息产业的又一次新技术革新。但对点云数据的处理还相对滞后,对海量点云数据,迫切需要可靠、快速、自动化的点云数据处理方法,以满足高精度的数据质量和稳定高效的数据处理能力要求,因此,对地面三维激光扫描技术数据处理的研究,形成较系统的三维激光扫描点云数据的处理理论十分必要。

1.2研究现状

目前,有很多公司从事三维激光扫描仪的研发和生产,典型的有瑞士的公司开发的明系列、奥地利的租公司生产的系列和系列、加拿大的公司生产的租一系列、美国的肠公硕士学位论文第一章绪论司生产的系列等。这些厂家的产品在激光波长、激光等级、数据采样率、最小点间距、模型化点定位精度、钡口距精度、测距范围、激光点大小、扫描视场等指标方面各有千秋。在选用三维激光扫描仪时,应根据仪器成本、模型精度、应用领域等因素综合考虑[13]。文献[1]阐述了三维激光扫描技术在国外应用方面，具有代表性的有美国国立医学图书馆(NLM)的”可视化人体计划”，采用采集人体横断面CT和核磁共振MRT，利用计算机技术建造虚拟人体。另一个具有代表性的是斯坦福大学的计算机图形学实验室数字米开朗基罗计划，研究者们采用三维激光扫描技术，将米开朗基罗的雕塑作进行三维扫描，对获取的三维信息进行三维表面重建，将雕塑作品的真实数据进行存储，以便能对其进行三维展示并在其损坏时对其进行修复，达到保留文化遗产的目的。该计划还被入到罗马城市数字化的计划中，已于2003年夏完成。

依托国家”863”计划，我国对机载激光扫描技术的研究已相对成熟，且三维激光扫描技术在本世纪初被引入以来，在国内己经有十年的发展历史，也有出现了不少成熟的系统，如浙江大学Re-Soft系统，在对点云数据处理上，其保形性明显强于国外产品[6]。文献[4]指出在国内,对于地面三维激光扫描系统的应用研究主要是集中在一些高校和科研单位,如北京建筑工程学院利用系列的地面三维激光扫描仪进行了故宫太合殿的大木结构模型三维重建,午门的形变观测,以及古建筑的立面可视化和三维地形扫描。北京航空航天大学和广西桂能信息工程有限公司分别利用地面三维激光扫描仪进行古建筑数字化和山海关长城修复工程,均取得了良好的效果。在数据处理方面工业领域和逆向工程等领域的研究相比,对点云的处理己经很成熟了,并取得了很好的研究成果。

1.3相关技术

三维激光扫描技术，一般分为数据获取、数据处理与三维建模三个部分。其数据处理部分，主要包括：点云数据配准、点云数据分割、点云数据去噪和点云数据简化。三维建模亦即曲面重建，利用获取的目标的三维数据在计算机中重建其三维模型[1]。

点云去噪：针对点云数据的去噪方法，其算法思想主要来自目前比较成熟的网格模型去噪和数字图像去噪算法。根据特征保持与噪声在各个方向上的扩散方式的不同，可分为各项同性去噪法和各向异性去噪法；根据去噪方法复杂度可分为基于双边滤波算子的方法、基于最优化方法以及非迭代方法；根据去噪算法的作用域可分为基于局部的方法与基于全局的方法。

曲面重建：设Q是三维空间中一个未知的曲面，三维散乱数据点集S={s1，s2，．．．sn}是Q的一组采样点，曲面重建就是根据S来构造出一个逼近Q的曲面C。曲面重建包含两个方面的含义：第一，曲面重建的根据是原始曲面，可根据需要在原始曲面上进行各种数据的采样来进行曲面重建；第二，衡量重构曲面质量的唯一标准是原始曲面，要求建立的模型能够尽量地恢复出原始曲面的几何形状。因此对于一个正确曲面重建的标准是：重建曲面与原始曲面在拓扑结构上具有相同性；曲面上点的位置和曲面法向量的误差在允许的误差范围之内。