摘 要

本课题主要研究三维激光扫描系统在对控制标靶进行精密扫描后，通过计算标靶的中心坐标，再利用点云数据进行平面拟合，完成点云配准的过程。最早研究出来的激光扫描手段和现在已知的单点测量方式不同，它不能够测量指定点的精确坐标，可以获得的只是目标表面的部分三维坐标点位。针对这一问题，人们研究出了标靶技术以应用于三维激光扫描中的点云拼接、坐标系转换等过程，同时通过在扫描时提取平面标靶的中心坐标，可以提高三维测量的精度。在扫描过程中三维激光扫描仪可以自动寻找目标标靶，再经过处理软件的精确扫描，点云数据的精度就能得到大幅度的提升。

关键词：三维激光扫描 点云数据 平面标靶 中心定位

3D Laser Scanning Plane Target Fitting and Center Location

Abstract

This project focuses on the three-dimensional laser scanning system after the precise scanning of the control target, by calculating the target's center coordinates, and then use the point cloud data for plane fitting to complete the point cloud registration process. The earliest studied laser scanning method is different from the now-known single-point measurement method. It cannot measure the exact coordinates of a specified point, and only part of the three-dimensional coordinates of the target surface can be obtained. To solve this problem, people have researched target technology to apply the process of point cloud splicing and coordinate system conversion in 3D laser scanning. At the same time, by extracting the center coordinates of the plane target during scanning, the accuracy of 3D measurement can be improved. In the scanning process, the three-dimensional laser scanner can automatically find the target target, and then accurately scan the processing software, and the accuracy of the point cloud data can be greatly improved.

Key words : 3 - D laser scanning ; point cloud data ;planar target;center location

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2研究现状 1

1.3 研究目的 2

1.4 课题内容 2

第二章 地面三维激光扫描系统 3

2.1组成 3

2.2原理 3

2.3 主要参数 5

2.3.1 精度 5

2.3.2 视角范围 5

2.3.3 稳定度 6

2.3.4 测量速度 6

2.3.5 最大扫描距离 6

第三章 点云配准 7

3.1点云数据 7

3.2点云数据的提取原理和方法 8

3.2.1 重心类方法 8

3.2.2 几何类方法 9

3.3点云数据分割与拟合算法 9

3.4配准原理 10

3.4.1点云配准定义 10

3.4.2点云配准作用 10

3.4.3点云配准算法 10

第四章 标靶 14

4.1平面标靶 14

4.2 标靶的作用 14

4.2.1 点云拼接 14

4.2.2 定义坐标系 15

4.3标靶识别 16

4.3.1近距离扫描标靶中心坐标的计算 16

4.3.2 不同扫描距离上标靶中心坐标的计算 17

4.3.3标靶中心识别方法 17

第五章 平面拟合 20

5.1拟合原理 20

5.2拟合方法 20

5.2.1最小二乘曲线拟合法 20

5.2.2 使用SVD分解 20

5.2.3 RANSAC算法 21

5.3拟合程序 22

5.3.1最小二乘法 22

5.3.2 SVD算法 23

5.3.3 RANSAC算法 24

结语 27

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

本课题主要研究的技术是三维激光扫描技术，这项不同于传统测量技术的新型测绘技术出现于二十世纪末期。它主要指的是在地面上使用激光装置对目标物体进行扫描，然后实时快速地获取到目标表面的三维坐标的过程。它作为一种精度极高的测量手段，常在中等距离、长距离的地面三维激光扫描过程中使用到，仪器的单点定位精度通常都在±2 mm～±25 mm之间。

在此基础上人们为了能够获取所测物体真实的三维模型，通常都需要得到物体表面的真实数据，然而，因为受限于测量仪器和测量环境，目标物体表面完整真实测量数据的获取通常需要经历许多次重复测量才可以完成。这些测量数据即称之为点云，也就是使用了各种三维激光扫描仪对目标采集得到的密集数据，其中同时记录了目标表面特定离散点上的各种物理参量^[1]。

最先出现的三维激光扫描系统和现今已知的传统意义上的单点测量系统（如全站仪测量、GPS测量）并不一样，这时候的激光扫描技术仅仅能够得到被扫描对象表面上成千上万个目标点的三维坐标，却不能够针对某一个指定目标点进行测量工作并同时获取其精确坐标。经过多年来测绘人员的不断努力，研究人员发现通过使用特定材料、特殊形状的标靶能够解决在地面激光扫描中遇到的这一问题^[2]。在三维激光系统进行扫描时，它可以在被规定的搜索范围内自行寻找目标标靶，若同时以高密度频率对点进行精确扫描的话，还可以使用处理软件对标靶中心点的坐标实行自动提取，这样做能有利于点云拼接提高精度。

根据这一研究背景，本课题着重研究标靶拟合及中心定位，这对于现阶段的三维激光技术研究来说是非常有意义的。

1.2研究现状

由于现今城市的现代化程度正在不断提高，仪器也越发得精密化，在大范围内城市三维模型的重新建造、数字高程模型的即刻获取、局部地区地理信息内容的实时获取等方面对于测绘技术的总体要求越来越高，而在这些方面，三维激光扫描技术和传统测绘技术相比较来说，有着极其强大的优势，这让它在成为摄影测量与遥感技术的重要补充的同时，又能在资源勘查、环境测查和城市现代化等方面都具有许多成功的应用实例，如管道的设计建造、断面的测量绘制、大型建筑的变形测量等。由于三维激光扫描测量装置的精度越来越高、速度越来越快、操作性越发简便、抗干扰能力也越来越强，最重要的是由于技术的提高你，设备的价格也不再高昂，所以在测绘领域三维激光扫描设备也越发地受到重视，与此同时三维激光扫描装置在三维建模方面的应用也在不断地扩展，已经渐渐变成取得空间实体三维模型的主要方法之一。