地面三维激光雷达数据处理理论及应用研究

本课题旨在系统全面地研究地面三维激光雷达数据处理理论，力求突破地面三维扫描激光雷达三维测量与重建的智能化快速处理关键技术，并研制具有我国自主知识产权的地面激光雷达数据处理软件平台。主要成果有： （1）提出了地面三维激光雷达点云智能重建中海量数据管理、高精度配准、特征提取与面向对象智能化目标分类、典型目标快速重建等方法，数据量达到TB级，配准精度优于0.2光斑，分类准确率优于96%； （2）研究了地面三维激光扫描雷达点云的定量化误差模型，并设计了一套较为完整的地面三维激光雷达的检校技术规范以及激光点云质量评价方法； （3）研究了移动地面三维激光雷达扫描测量系统中的系统构成、多传感器集成与标定以及多源数据融合等关键技术，设计和开发了车载三维激光扫描和全景成像移动测量系统，经用户评价，各项技术指标优于国外同类产品； （4）设计开发了三维点云综合数据处理软件City Scene以及点云空洞修补系统CRP软件系统，为地面三维激光雷达扫描测量的工程化提供了技术支撑，获软件著作权登记2项，并在相关科研或生产单位的合作中取得了广泛认可。三维点云综合数据处理软件City Scene已经成功应用于宁波市测绘设计研究院等单位的城市道路竣工、建筑竣工、三维建模及城市部件采集等城市测绘工程生产中，生产效率提高2-3倍以上。 项目成果已经成功应用于“测绘基准和空间信息快速获取关键技术及其在灾害应急测绘中的应用”，“汶川震区精密高程基准确定关键技术及在应急测绘中的应用”，“高精度三维工程环境构建理论、方法及公路勘察设计成套技术”以及“多源激光扫描数据在公路勘察设计中的集成技术研究及产业化应用”等相关项目中，获国家科技进步二等奖2项、省部级科技进步一等奖、二等奖各1项。项目成果促进了我国地面三维激光雷达的工程化应用。 本项目已发表或投稿论文9篇，其中已录用EI论文4 篇，培养博士研究生5名，硕士研究生4名。 综上，项目成果达到了预期的研究目标。 2100433B

星载、机载、地面激光雷达已经成为对地观测数据获取体系的重要组成部分。近些年，地面三维激光雷达发展迅速，但是地面三维激光雷达数据处理理论及应用研究则相对严重滞后，缺乏完整的理论体系，特别是没有国产地面激光雷达数据处理软件系统、相应的专业应用软件更少，严重制约了地面激光雷达在多个领域的工程化广泛应用。针对高精度地面三维空间信息获取与应用的普遍需求，本课题旨在系统地研究地面三维激光雷达数据处理理论，突破地面扫描激光雷达三维测量与重建的智能化快速处理关键技术，研究地面三维激光雷达点云的不确定性问题，研制我国自主知识产权的地面激光雷达数据处理软件平台，本课题成果将为促进地面三维激光雷达的国产化进程与工程应用奠定坚实基础。

三维建模在文化遗产数字化保护、智慧城市建设与管理、建筑全生命周期管理、大型复杂钢结构建筑物建造、大型工业产品的生产等行业中的需求越来越迫切，激光雷达和摄影测量是有效的三维数据获取手段，但单独使用均存在不可避免的缺陷。激光雷达与摄影测量三维重建的目的在于将二者有机结合，取长补短，实现复杂场景和对象的精细三维重建。

《地面激光雷达与摄影测量三维重建》系统介绍激光雷达点云获取、摄影测量影像匹配及二者配准融合的基本原理与方法，进一步介绍点云分割、几何建模与纹理建模的一般方法及三维重建软件的基本功能，最后给出典型的工程应用实例。

《地面激光雷达与摄影测量三维重建》可作为工程测量、摄影测量、三维地理信息系统相关专业的本科教材，也可作为计算机图形学领域的研究开发人员、建筑遗产数字化保护的工程技术人员、相关专业教师和研究生的参考用书。

第1章 绪论

1．1 激光雷达测量的概念

1．2 摄影测量的概念

1．3 多源数据三维重建

1．4 激光雷达与摄影测量三维重建的比较

1．5 地面激光雷达与摄影测量三维重建的应用领域

思考题

第2章 激光雷达点云

2．1 地面激光雷达测量系统

2．2 地面激光雷达测量数据获取

2．3 点云去噪

2．4 点云平滑

2．5 激光雷达测量数据

思考题

第3章 摄影测量

3．1 影像获取

3．2 影像匹配

3．3 影像点云

3．4 摄影数据

思考题

第4章 三维点云配准

4．1 激光点云配准的概念

4．2 基于几何特征配准

4．3 迭代最近点配准

4．4 多站整体配准

4．5 激光雷达点云自动配准

4．6 影像点云与激光点云配准

思考题

第5章 点云融合与分割

5．1 点云去冗

5．2 点云抽稀

5．3 点云简化

5．4 点云分割

思考题

第6章 几何重建

6．1 几何重建的概念

6．2 基本体素

6．3 旋转体

6．4 不规则三角网

6．5 结构实体几何

6．6 深度图像

思考题

第7章 纹理重建

7．1 影像定向

7．2 点云纹理

7．3 基于深度图像的纹理映射

7．4 纹理接边

7．5 纹理镶嵌

思考题

第8章 激光雷达与摄影测量三维重建软件

8．1 软件总体构架

8．2 总体功能设计

8．3 数据管理与可视化

8．4 软件界面设计

思考题

第9章 工程应用

9．1 国家体育场安装数字化测量与三维建模

9．2 天津西站站房工程三维建模

9．3 故宫古建筑三维重建

9．4 后母戊鼎精细三维重建

思考题

参考文献2100433B

同时，结合实例分别对地面三维激光扫描系统和机载LIDAR系统从数据获取到处理以及最后的模型建立的操作方法进行了阐述，并说明了地面三维激光扫描系统和机载LIDAR系统的应用领域。另外，对常用的两种数据处理软件进行了介绍，并分厂商对目前常用的地面三维激光扫描仪器进行介绍和对比分析。