溶洞点云数据配准与滤波处理技术研究

论文摘要

随着空间信息采集技术的高速发展,二维测绘成果已经远远不能满足发展的要求,人们逐渐转向了三维测量技术的研究。地面三维激光扫描技术（Terrestrial Laser Scanning,TLS）是对空间信息采集上的又一项重大突破,它是一种非接触性的测量方式,具有高效性、高精度等特点,并在地形测量、文物保护、变形监测、数字城市、地质灾害的治理等方面得到了广泛的应用。随着空间数据信息的采集方式的改变,外业测量技术得到了快速的发展,而采集到的点云数据的处理技术发展相对缓慢,迫切需要一套快速、精确自动化程度高的数据处理方法来推动三维激光扫描技术发展,使这项技术更加广泛的运用到生产生活中。本文以云南喀斯特地貌中的地下溶洞点云数据为基础,基于地面三维激光扫描技术以及点云数据处理技术的发展现状,对点云数据预处理阶段的配准、滤波、曲面拟合三个主要的技术环节进行研究。首先,基于对地面三维激光扫描技术的原理、应用领域以及扫描仪器设备等知识体系学习,基于对研究对象溶洞的点云数据采集,根据点云数据配准原理,分别组织了基于特征点,基于特征点及特征面结合,以及基于ICP迭代自动配准的三种不同的点云数据配准技术进行实验研究,并通过对三种配准技术方法运用的精度及其优缺点进行对比分析,获得面向溶洞点云数据匹配处理核心技术的应用实证认识,结果得出:总体上,三种不同配准模式下的匹配结果均方根误差（Root Meam Square,RMS）值的精度均都能达到毫米级,但具体就三种配准技术方法应用相比较而言,ICP迭代自动配准方法的精度相对更高,并且工作量相对较小,更推荐应用于溶洞点云数据的配准处理。其次在针对溶洞形态建模的点云数据滤波处理技术方法研究方面,论文研究基于对目前主流的点云滤波去噪方法的学习对比,针对实验区溶洞点云特性,提出了采用区域增长加密三角网的滤波方法应用到溶洞点云数据的滤波处理中,结合Visual Studio2012软件平台,对测区的点云数据进行区域格网的划分,提取每个格网中最低的点作为初始地面点,通过设定的阈值实现点云数据的区域增长。利用I-Site Studio软件平台,开展了面向溶洞的点云数据滤波处理实验研究,结果得出:当区域增长到第三次时该算法已经把噪声点以及部分地物点滤除,并且很好的保留了地形的几何特征;相比其他的滤波方法,该方法比较适用于地形地貌比较复杂的点云数据的滤波,也能够为后期点云数据的曲面构建提供较好的数据基础。最后,针对面向溶洞点云数据进行曲面拟合技术,为了确保数据信息的完整性,把溶洞点云数据大致分为两个部分,分别基于两种不同的软件平台进行曲面的构建,一种是基于I-Site Studio软件平台的地形数据的曲面构建,另一种是基于Geomagic Studio软件平台内部地物数据的曲面构建,最后进行模型数据的整合,得到一个高精度完整的三维模型。实验结果表明:I-Site Studio软件在地形数据曲面构建时比较适用,对曲面拟合要求较高时,采用Geomagic Studio软件平台进行曲面拟合,两种曲面拟合方式的结合可以得到一个精度较高的模型数据,针对不同的曲面拟合对象采用不同的数据拟合方式更加适用于溶洞点云数据的一个模型构建。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究的背景及意义
•     1.1.1 研究的背景
•     1.1.2 研究的意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 三维激光技术的研究进展
•     1.2.2 点云数据处理的研究进展
•     1.2.3 应用领域展望
•   1.3 论文研究内容与结构组织
•     1.3.1 论文研究内容
•     1.3.2 论文的结构组织
•   1.4 技术路线
•   1.5 本章小结
• 第2章 喀斯特溶洞的点云数据采集
•   2.1 研究技术应用基础理论:地面三维激光扫描系统技术
•     2.1.1 测距原理
•     2.1.2 技术优势
•     2.1.3 数据特点
•   2.2 溶洞点云数据采集仪器条件
•     2.2.1 I-Site8200SR地面三维激光扫描仪
•     2.2.2 扫描仪精度检校实验
•   2.3 实验区及扫描测绘对象
•     2.3.1 实验区概况
•     2.3.2 扫描测绘溶洞对象
•   2.4 面向溶洞的点云数据采集方案
•     2.4.1 扫描前期准备工作
•     2.4.2 溶洞点云数据扫描
•   2.5 本章小结
• 第3章 面向溶洞的多站点云数据配准技术应用研究
•   3.1 面向溶洞多站点云数据的配准框架
•   3.2 基于同名点对的溶洞点云数据配准技术实验
•     3.2.1 基于同名点对点云数据的配准方法概述
•     3.2.2 同名点对获取
•     3.2.3 基于同名点对数据配准实验
•   3.3 基于同名点-面结合的溶洞点云数据配准技术实验
•     3.3.1 基于同名点-面结合的点云数据的配准方法概述
•     3.3.2 同名面的获取
•     3.3.3 基于同名点-面结合的数据配准实验
•   3.4 基于ICP算法的溶洞点云数据配准技术实验
•     3.4.1 基于ICP算法点云数据的配准方法概述
•     3.4.2 点云数据ICP算法配准实验
•   3.5 三种不同配准技术下的溶洞点云配准精度对比分析
•   3.6 本章小结
• 第4章 面向溶洞的点云数据滤波去噪技术应用研究
•   4.1 溶洞点云数据的噪声分析及处理
•     4.1.1 产生噪声的原因
•     4.1.2 不同类型噪声的处理
•   4.2 散乱点云数据的滤波去噪及对比
•     4.2.1 移动窗口的滤波
•     4.2.2 迭代最小二乘滤波
•     4.2.3 基于坡度变化的滤波算法
•     4.2.4 基于三角网逐步加密的滤波算法
•     4.2.5 几种滤波算法的对比
•   4.3 溶洞点云数据的区域三角网逐步加密滤波实验与分析
•     4.3.1 原始点云数据的粗差剔除
•     4.3.2 初始地面点的提取
•     4.3.3 不规则三角网的建立
•     4.3.4 实验分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 面向溶洞的点云数据曲面拟合技术应用研究
•   5.1 基于I-Site Studio软件地形数据的三维重建
•     5.1.1 点云数据分离
•     5.1.2 三角网的建立
•     5.1.3 复杂曲面的拟合
•   5.2 基于Geomagic Studio地物数据的重建
•     5.2.1 点阶段
•     5.2.2 多边形阶段
•     5.2.3 曲面重建阶段
•   5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 结论
•   6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 研究生期间发表论文
• 附录 B 点云数据滤波部分算法

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 高莎

导师: 袁希平,吕杰

关键词: 溶洞,三维激光,点云配准,点云滤波,曲面构建

来源: 昆明理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 自然地理学和测绘学,自然地理学和测绘学,计算机软件及计算机应用

单位: 昆明理工大学

分类号: P208;P204

DOI: 10.27200/d.cnki.gkmlu.2019.001725

总页数: 103

文件大小: 6507K

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