三维激光扫描技术在土木工程领域的应用

摘要

三维激光扫描系统是一种集成多种高新技术的新型测绘仪器，它采用非接触式高速激光测量方式，在较短时间内获取地形及空间物体三维表面的阵列式几何图形数据，并以点云形式存储。 为了能够有效的将三维激光扫描技术应用于土木工程领域，本文结合同济大学测量系引进的一套FARO三维激光扫描系统，研究了该系统的相关理论，学习归纳了当前各种点云数据后处理软件，最后提出一套较完整的三维激光扫描系统作业方案及数据后处理流程，并在海量点云去噪、多视点云精确配准及散乱点云数据的三维建模等方面提出了一些行之有效的算法。针对现有软件不足，在VC、Matlab及OpenGL平台下设计并开发一套点云数据后处理软件，并应用真实的建筑物扫描数据进行了验证和总结。本文主要包括以下几方面内容： 1、回顾总结了三维激光扫描系统的系统组成、基本工作原理及近年来在土木工程领域应用的研究成果，探讨与分析不足之处。 2、具体研究了各种类型三维激光扫描系统的硬件设备与点云数据后处理流程，并分析比较仪器测量误差和影响数据精度的各种因素。 3、对海量点云数据的预处理进行研究，重点介绍了各种类型点云数据的去噪算法，并提出距离分片剔除粗差点和尺度自适应的高斯滤波算法，实践证明该算法既具有远超其他算法的速度，又可以得到比较理想的去噪效果。 4、详细研究了多视点云精确配准的各种方法，并提出一种基于ICP算法的改进网格拼接法，该算法将寻找对应点之间的关系转化为寻找目标点与对应微小平面的关系，极大的提高了效率，且保证了拼接的精度。 5、在详细总结了当前散乱点云数据构建三角网格的相关理论基础上，提出一种基于圆柱面投影的Delaunay三角化方法，该方法将三维空间离散点投影至平面上，继而进行Delaunay三角化，避免了对三维空间点的复杂操作，具有很强的实用性。 6、从三维模型重建软件研制的角度出发，结合三维扫描系统在土木工程领域的应用目的，系统设计了点云数据后处理软件的数据结构、处理流程、具体功能及界面显示，并在VC++及OpenGL平台上编程实现部分功能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1本文的研究背景及研究对象

1.1.1引言

1.1.2三维激光扫描系统及背景概述

1.1.3三维激光扫描技术的发展现状

1.1.4三维激光扫描技术的应用前景

1.2本文的研究内容及结构

第二章三维激光扫描技术及相关研究现状

2.1三维激光扫描系统的组成和基本原理

2.2现有的激光扫描仪及工作原理综述

2.3三维激光扫描数据的后处理方法及发展

2.3.1点云数据的处理流程

2.3.2现有点云数据处理软件简介

2.4三维激光扫描技术的误差理论与精度分析

2.5本章小结

第三章点云数据后处理软件算法研究

3.1海量点云数据去噪

3.1.1点云去噪理论算法研究

3.1.2距离分片剔除法

3.1.3一种尺度自适应调整高斯滤波方法

3.1.4海量点云去噪算法整体实现流程

3.1.5算法分析与应用实例

3.2多视点云精确配准

3.2.1多视点云拼接理论

3.2.2基于ICP算法的改进网格拼接法

3.2.3应用实例及算法分析

3.3散乱点云数据的空间三角网格建立

3.3.1散乱点云三角化的理论研究现状

3.3.2基于圆柱投影的Delaunay三角网格化

3.3.3空间三角网格的综合优化

3.4本章小结

第四章数据后处理编程实现及功能介绍

4.1总体设计思路

4.1.1 功能需求分析

4.1.2软件系统开发平台的介绍

4.2系统处理流程

4.3数据组织结构

4.4操作界面

4.5本章小结

第五章总结与展望

5.1本文的工作总结

5.2本文的不足及展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文和研究成果