激光雷达应用及点云数据处理

首都师范大学

硕士学位论文

地面激光雷达应用处理关键技术研究

姓名：臧克

申请学位级别：硕士

专业：地图学与地理信息系统

指导教师：张爱武

20070401

首都师范大学颂上论文第ｌ章绪论

型土木工程等的测量。本文提到地面激光雷达就属于这种类型。体积较小、精确商效、安全稳定、可操作性强，能在几分钟内对所感兴趣的区域建立详尽准确的三维立体影像，能提供准确的定量分析。

地面三维成像激光扫描仪的巨大优势就在于可以快速扫描被测物体．不需反射棱镜即可直接获得高密度的扫描点云数据。这样以来可以商效地对真实吐界进行三维建模和虚拟重现。

１．３Ｒｉｑ酉ＬＭＳＺ４２０ｉ三维激光扫描仅

本文所开展的应用均是基于础ｅ垂ＬＭＳＺ４２０ｉ

三维激光扫描仪。因此，此处着重介纽Ｒｉｃｇｌ

ＬＭＳＺ４２０ｉ三维激光成像扫描仪，其组成部分包括

三维激光扫描仪直接与数码相机、ＧＰＳ定位装置、

升降台、旋转平台、应用软件以及其他附件相结合

组成。在工作时，由扫描仪内部激光脉冲二极管发

射的激光脉冲，经过旋转棱镜，射向被测物体。然

后通过探测器。接收并记录反射回来的激光脉冲。

激光束的垂直偏转角（“线扫描”），是通过一个包

含几个反射表面的多丽体来控制的ｎ通过改变多图ｌ一１

ＲｉｅｇｌＬＭＳＺ４２０ｉ棱镜的旋转速度可以用来调整扫描速度。此外，三维激光扫描仪

通过随机配备的一个可以进行倾角调节的附件，从砸实现测量倾危的调整，使得其能够方便地进行俯视和仰视的测量。而且，该设备采用的激光技术基于距离数字采集ＬＩＤＡＲ（１ｉｇｈｔｄｉｓｔａｎｃｅａｎｄｒａｎｇｉｎｇ）光传输时间测量方法，它符合（ＣｌａｓｓＩ．ＩＦ＿．Ｃ６０８２５１）的激光标准，在任何环境下对人体、物体完全安全。

在软件的支持下，能进行快速精确、高效稳定的扫描，同时可以对三维数字模型进行纹理的蓿确迭加，其分辨率可高达毫米量级。利用撕ｅｇｌ三维激光扫描仪能够在较短的时间内耐感兴趣的区域，楼房，桥梁，室内等获取详尽的、高精度的三维立体影像图数据。此外，经过改装后，该设备可装载在汽车上，进行连续的城市空间数据采集。将得到的数据利用强大的后期处理软件，如Ｉ－ＳＩＴＥ、ＰｏｌｙＷｏｒｋｓ。可根据用户的需要，制作出极为丰富的３维立体空间模型（ＣＡＤ），立体影像（ＭＡＹＡ）及３维定量分析。用其采集的数据可与全球标准的坐

首都师毡太挚囔士｛龟文第１章缮论

娱乐、灾害预防与控制等应甩中的需求。从１９９５年开始至今，激光雷达测量系统在测绘市场的市场份额从５％增长到１２％，并且还在阻每年平均７％以上的速率增长。

之所以这种新兴的技术会如此迅速发展并广泛应用。是因为国家经济与社会发展对空同信息的需求不断扩大。从而极大地带动了相关部门对空间信息获取及处理技术的需求。从国家宏观规划和管理部门对全国及各区域时空变化信息掌握的需要；到资源环境监涮，地质矿产调查，灾害监测等遥感应用部门对快速获取大量且精确空间数据信息的需要。而地面激光雷达技术作为一种空闻信息获取的新手段，具有速度快，精度高，信息量大等优势，可以适应这些应藤的要求，因此其有巨大的科研和市场潜力，并已经应用于一些领域：１（砷地面三维激光雷达技术在基础测绘中的应用。通过地面激光雷达技术可以获取商密度、·高精度的激光点云数据，其可以直接反映目标物点位的三维坐标。利用计算机自动或入王交互处理，去除植被、房屋、其它建筑物等非地形目标上的点云数据：然后构建不规则三角网（ＴＩＮ），从而可快速提取数字高程模型（ＤＥＭ）。由手激光点云数据的密度大、数量多，使得其所生成的数字高程模型的精度和分辨率都很高，因此这类方法生产的数据产品可以满足不同行业对高精度高程模型的需求。

（２）地而三维激光雷达技术在文化遗产保护领域的应用。将大型的遗迹与其所包含的具体的文物实体的三维数字化建模相结合，可以永久地保存文物信息，减少人为因素对文物的损坏；还可以按照时间序列，将历史文化在时间隧道中再现；另外借助于互联网，可以快速地实现资源共享，等等这些都将对文化遗产保护、复原与研究具有重要意义。倒如，利用Ｒｉｅ羽地面三维激光扫描仪所做的伊朗古城地震之后的复原模型。

图１－２伊朗的ＢａｍＣｉｔａｄｅｌ古城地震前后的风貌以及拼接后的三维模型

（３）地面三维激光雷达技术在“数字城市”建设中的应用。对地面建筑物

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首都师箍大学预士论文第ｌ章绪论

进行地面多角度激光扫描，可以快速获取城市中各类建筑物的三维点云数据，

并在软件的支持下进行拼接、建模、纹理映射，从而得到４数字城市’所需要的高精度、真三维，可量测的，且具有真实感的虚拟城市三维模型。政府规划部门、城市建设部门，交通管理部门、房地产项目开发商、工程人员等可以对目标建筑进行糖确量测，还可以从任意角度实时交互地看到规划效果，获得前所未有的直觉体验．

（４）地面三维激光雷达技术在工程测量中的应用。工程测量的特性包括：

测量范围大小不一；被测目标之间空

问关系或自身几何结构复杂；被测日

标可能时刻处于变化状态；被测目标

周围环境恶劣等．这些特性都要求有

一种速度快、精度高，且可以实现远

砸离主动遥感获取空问信息的技术

手段用于工程测量。丽地面三维激光

扫描技术正好可以满足这些要求·其翻ｌ－３利用地面三女ｉ蕊无溉制成已经逐步应用子土木建筑工程、巷道的炼油厂管道三维模型

与洞穴测量，工厂设旌与管线测量

等，其广泛涉及到建筑产业、采矿产业、电力产业等多种类塑项目．这些项目都需要地面三维激光雷达测量技术现场实施测量以获取目标物三维实景的空闯信怠．

豫此之井．地面三维激光雷达技术还在地址地貌调查监溷、林业勘测，甚至军事领域都有应用．并且。目前的研究表明，相关科研机构和公司还在不断拓展地面三维激光雷达技术的应用颁域范围，使其发挥更大的作用．本文中的应用实例就是结合作者所在实验室应用地面三维激光雷达所做过的实验和科研项目进行介绍。

１．５本文主要研究内容

她面激光雷达技术生产了大量盼三维点云数据，目前，还没有统一用于管÷理激光三维数据的数据标准，常用的地理信息系统软件也直接不能处理分析三‘维数据。此外，不同的应用，三维激光雷达处理技术和方法也不同．本文针对

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