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。
更多科学出版社服务,请扫码获取。
20世纪中后期,三维激光扫描技术作为一种快速实景复制技术,是测绘领域继全球定位系统技术之后的又一次技术革新,它通过全景化的快速测量方法获取高分辨率、精细的地理空间对象表面的三维点云数据,为建立精细的三维实体模型提供了必备的数据基础。从应用领域来看,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对精细三维模型的需求越来越强烈,给测绘地理信息技术提出了新的挑战。
目前,激光雷达与摄影测量是最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。例如,激光点云边面特征信息明显,而边缘及角点信息不明显,摄影测量影像信息则正好相反。此外,三维激光扫描受作业环境的影响,不可避免地会出现扫描漏洞、数据疏密不一、精度不足等数据异常现象。本书将二者有机结合,取长补短,详细阐述激光雷达与摄影测量联合建模的原理与方法。
全书共分9章,内容如下:
第1章绪论,介绍激光雷达测量、摄影测量的概念、原理及数据成果特点,并进一步阐述从两类数据实现三维建模的异同。
第2章激光雷达点云,主要介绍激光雷达测量系统的组成及数据获取方式,在实际施测中控制网的布设及扫描方案的设计,以及点云噪声处理、平滑的基本实现方法。
第3章摄影测量,首先介绍摄影测量影像获取的方法,然后介绍影像匹配的算法,最后介绍从影像生成点云的方法。
第4章三维点云配准,从配准概念、原理入手,重点阐述基于几何特征配准、迭代最近点配准、多站整体配准及自动配准的原理与方法,最后介绍影像点云和激光点云两类点云配准的方法。
第5章点云融合与分割,主要介绍去冗、抽稀、简化的概念、原理与常见方法,以及基于特征提取的点云分割方法。
第6章几何重建,重点阐述几何重建的概念、规则几何体基本体素、从点云自动提取旋转体的方法、不规则体的三角网构建方法,以及结构实体几何模型的构造方法,最后介绍基于深度图像建模的方法。
第7章纹理重建,从摄影测量角度介绍影像定向、点云与影像纹理映射的方法,基于深度图像的纹理映射方法,以及多张影像纹理映射的接边与纹理镶嵌的处理方法。
第8章激光雷达与摄影测量三维重建软件,设计高内聚、低耦合的激光雷达与摄影测量三维重建系统,包括数据库管理、数据预处理、点云配准、三维几何重建和纹理重建及可视化平台、数据编辑、影像管理等。
第9章工程应用,介绍激光雷达与三维重建技术在古建筑与现代建筑等领域的工程应用。
另外,本书中的部分图片增加了二维码,学生只需扫一扫书中的二维码,即可浏览彩图,从而更直观地了解相关内容。
本书研究成果受以下项目资助:北京市教育委员会科技计划一般项目“三维精细CSG-Brep模型拓扑关系的研究”(2016子项目49);国家行业公益性科研专项“多源遥感数据精细三维全景建模技术与系统-LiDAR点云数据自动处理技术与多源数据联合精细建模关键技术研究”(项目编号:201512009);973项目“文化遗产数字化保护的理论与方法——复杂几何对象高精度数字化重建理论与方法”(项目编号:2012CB725300):国家测绘局科技司科技发展项目“基于深度图像二三维集成空间数据模型的研究”(项目编号:2013-CH19);北京市自然科学基金项目“古建筑精细化测绘关键技术研究”(项目编号:8142014);北京市教育委员会科技发展计划项目面上项目(项目编号:KM201510016016,KM201810016013);北京建筑大学科研基金(项目编号:KYJJ201724);北京市属高校基本科研业务费项目(项目编号:X18050)。
本书根据作者近年来主持或参与的科研项目所取得的研究成果编著而成,在完成这些科研项目的过程中,代表性建筑与古建筑数据库教育部工程中心、北京建筑大学测绘与城市空间信息学院遗产数字化研究所的许多老师和硕士研究生做出了贡献,值此专著出版之际,谨向他们表示衷心的感谢。
本书第1、2章由王晏民、王国利、张瑞菊、胡春梅联合撰写,第3、7章由胡春梅撰写,第4、9章由王国利撰写,第5、8章由黄明撰写,第6章由黄明、张瑞菊、郭明、危双丰联合撰写,全书由王晏民统稿。
由于地面三维激光技术的不断发展,而作者受理论知识和实践工程经验的限制,因此本书所涉及的理论与关键技术及核心算法难免会有不妥和不足之处,甚至理论的不完备在所难免,恳请专家学者批评指正。
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