输电线路铁塔的三维建模

输电线路铁塔的三维建模

绪论

1.1、概述

三维激光扫描技术目前是测绘领域中一个新的研究热点。众所周知，传统测绘技术主要是单点精确测量，要用其采集数据进行三维建模就存在很多问题，因为描述目标结构的完整属性需要采集大量的点，少则几万，多则几百万甚至几千万，这样才能把目标完整地建模，所以，用现代高精度扫描技术就可以解决了这个问题。三维激光扫描技术就是全自动高精度立体扫描的技术，它不同于单纯的测绘技术，它主要面向高精度逆向工程及三维模型重构，具有独特的优势：数据获取速度快，实时性强：数据量大，能详细描绘物体的细节；主动性强，能全天候工作；全数字特征，信息传输、加工、表达容易；操作方便，扫描时由软件控制仪器工作。因此，对基于三维激光扫捕数据的建模技术研究很有必要。

三维激光扫描技术又称“实景复制技术”，对任何复杂的现场环境及空间进行扫描操作，采用高精度逆向三维建模及重构技术，以获取研究目标的三维坐标数据和数码照片的方式快速获取各种大型的、复杂的、不规则、标准或非标准等大型实体或实景等目标的三维立体信息，直接将这些三维数据完整地采集到电脑中，进而快速重构出目标的三维模型及线、面、体、空间等各种数据，再现客观事物真实的形态特性。该技术为快速获取空间数据提供了有效手段，是继GPS技术以后的又一项测绘技术新突破。

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，称为点云数据。这些三维激光点云数据还可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)，即所谓的逆向工程应用。所有采集的三维点云数据及三维建模数据都可以通过标准接口格式转换给各种正向工程软件直接使用。

目前空间模型的表达一般用面体，包括平面和曲面，平面的表达用的最多的是平面三角形，因为空间中任意三个点都可以决定一个平面；曲面的表达一般用基于控制点的NURBS曲面，此曲面以一定量的控制点来控制整个曲面的形状。由三角形组成的三角网应用非常广泛，它可用于表达物体表面细致的凹凸形状，进行光照反射的分析，纹理映射，以及空间信息的获取；而曲面的应用也很有效，它可建立光滑自然的曲面造型，更趋于真实。因此两者在建立三维模型时都非常有用。

所谓建模，就是利用真实物体的几何特性，利用点、线、面或图像将其在计算机上显示出来，并达到与真实物体相似的感观效果。

1.2、研究现状

三维激光扫描技术是上世纪九十年代中期开始出现的一项高新技术，特别是地面三维激光扫描仪的出现，为三维数据获取提供了新的手段。它利用高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据。可以快速、大量的采集空间点位信息，为快速建立物体的三维模型提供了一种全新的技术手段。三维激光扫描仪可以快速获得被测对象表面每个采样点空间立体坐标，得到被测对象的采样点(离散点)集合，也即“点云”(Point Cloud)。

1.2.1、国外现状

由于三维模型的应用方向十分广泛，从其问世以来，国外已经有很多专家、学者进行这方面的研究、尝试，并取得了一些成果，所以从点云数据建立模型的研究工作得到了不断的完善和发展。

1994年，Hoppe提出了从无结构的点云数据精确地实现分段光滑曲面的自动重建的方法。该方法分为初始曲面的估计、格网优化和分段光滑曲面的优化三个阶段。

Tames Varady等人针对工业领域的逆向工程技术，总结了逆向工程的工作步骤，概括了数据获取和模型重建的一些重要算法，提出了几何模型特征、相关表面特性表达，简单表面和自由表面的分割和曲面拟合，多视点影像的组合以及生成连续精度的B．rep(Boundary Representation)模型的方法。

1998年Marco Viceconti等人应用CT扫描三维影像数据建立人体骨骼的NURBS实体模型，建立的CAD模型精度比_维数据建立的模型精度高很多。

QingJin Peng和Martin Lofius阐述了从二维视觉信息晕建三维模型的过程。

美国Stanford大学计算机系的图形学实验室与意大利政府合作，针对著名艺术家米开朗基罗的“大卫”等十几个大型雕塑作品进行的数字化米开朗基罗计划，在文物扫描、三维模型建立、大规模模型的绘制等方面积累了一定的研究成果。

2000年Ruzica Maksimovic等人在医学领域中研究了用于CT治疗的一种基于等值线模型的影像数据分割和三维模型建立的算法。

自2002年以来，每年的欧洲计算机图学年会(Euro Graphics)都有一个专门的PBG(Point Based Graphics：基于点的图形学)研讨会，基于点的图形学引起了众多研究学者的研究兴趣。PBG概念出现后，基于点的绘制技术成为点云模型的标准渲染技术。点云模型渲染技术目前无论是从渲染的速度抑或渲染的效果上来看，均已发展地较为完善。

1.2.2、国内现状

目前在国内，就硬件技术而言，浙江大学、天津大学等一些科研院校己经对三角法三维激光扫描技术进行了较为全面的研究。由于基于TOF测距技术的三维激光扫描技术是目前最先进的高新集成技术之一，国内对这方面的硬件研究尚未见发表。在数据处理方面，国内只有极少数研究学者对三维激光扫描数据的处理方面作了理论与方法研究，其研究内容的层次还远达不到实用阶段。因此可以认为，目前在国内，几乎没有一套自行开发的三维激光扫描技术的数据处理软件。在三维激光扫描数据处理上的研究正处于初步发展的阶段，需要对三维激光技术的硬件与数据处理加以系统地研究。

但是，近几年，国内也不断有专家学者将三维激光扫描技术应用于实践，并取得了一定的科研和实践成果。

2001年3月，清华大学土木系和徕卡测量系统公司的技术人员采用Cyra三维激光扫描系统对清华大学校内的建筑物二校门进行了三维激光扫描，并基于生成的点云数据建立了二校门的三维模型。

北京建筑工程学院与故宫博物院合作，采用三维激光测绘技术，采集太和殿的完整点云数据，用逆向工程的方法建成了太和殿的三维模型。

2006年12月6日至11日，北京建设数字科技有限责任公司利用徕卡测量系统HDS3000型三维激光扫描系统高精度地采集乐山大佛的表面数据，并利用该系统附带的数据处理软件建立精确的乐山大佛三维立体模型，即“数字乐山大佛”。