SLAM室内三维重建技术综述

随着智慧城市、文物保护、室内导航、虚拟现实等对室内精细化三维模型的需求越来越多,室内三维重建成为了研究热点。最近SLAM作为高效的室内三维重建技术得到了广泛关注与快速发展,并被成功应用于各种移动测图平台,如移动背包、推车、微型无人机等。该文首先对SLAM发展现状及关键技术进行整体回顾,然后对基于不同移动平台及深度相机SLAM室内三维重建系统进行深入分析和比较,最后讨论SLAM技术在室内三维重建中存在的问题及发展趋势。     

基于点云和高清影像数据的文化遗产多分辨率三维重建

以不同类型的文化遗产为研究对象,提出了基于点云和高清影像数据的文化遗产多分辨率三维重建方法。该方法首先阐述了基于三维点云和高清影像数据的文化遗产三维重建的流程,然后提出了一种基于地理位置的不同分辨率遗址文物模型融合与展示方法。本文将该方法用于世界文化遗产——唐崖土司城遗址的虚拟展示,按照文物虚拟化方法精细重建了石人、石马、牌坊等文物模型,并且实现了文物模型和遗址模型的融合展示。     

基于激光扫描数据的文物精细三维模型构建方法研究

三维激光扫描技术能够准确、无接触地获取地物表面的三维数据,使得复杂目标三维数字化重建成为可能。本文以大型佛像为例,研究文物精细三维模型构建方法,实现了大型复杂文物真三维重建,建立了文物数字档案,为文物保护、修复提供了科学依据。     

时间序列SAR图像不可移动文物水域淹没监测

全球气候变化引起的极端降雨、洪涝灾害是导致不可移动文物受损的重要破坏因素。合成孔径雷达SAR（Synthetic Aperture Radar）具有全天时、全天候、大范围周期性对地观测的优势,是大区域水体监测的重要手段,对不可移动文物水域淹没及风险监测具有重要意义。本文利用时间序列SAR图像提出基于残差U-Net的不可移动文物水域淹没及风险监测框架。首先,基于双峰阈值分割法结合专家知识辅助进行水体样本生成,提高样本制作效率;其次,引入残差模块建立U型卷积网络,综合残差结构及U-Net的特点,缓解梯度更新时的弥散、消失等现象,通过卷积层之间累加和跳跃链接,保留多尺度的地物特征信息,以实现水体快速、高精度的语义分割;最后通过将结果与不可移动文物点位进行空间叠加分析,实现对不可移动文物水淹状况的监测。选取鄱阳湖及南昌市昌邑北垱遗址作为试验研究对象。获取了21景覆盖鄱阳湖区域不同时相Sentinel-1 SAR图像,并结合Sentinel-2光学图像进行结果分析与评价。实验结果表明：本文方法在鄱阳湖试验区对水体提取总精度优于95%,相较于FCN（Fully Convolutional Networks）与U-Net方法具有更好的精度。利用不同时相SAR图像获得时间序列水体分布范围变化图,与昌邑北垱遗址点位进行空间叠加分析,得到不可移动文物水域淹没长时间序列监测结果。实验结果表明本文提出的方法可以有效提取水体范围,对不可移动文物水域淹没及风险监测可以提供有力支撑。     

三维扫描古栈道本体图绘制

针对三维激光扫描技术在古文物本体图制作中的问题,根据点云数据进行本体图的基本思想,提出了一种新的基于三维模型的古文物本体图制作方法。采用均匀分布原则对三维模型与点云数据进行特征信息提取,较好地保留了特征信息;并利用仿射变换将栅格影像分别与基于点云数据与三维模型的特征矢量进行匹配,制作古文物本体图。分析对比数据表明,基于点云的方法匹配精度较基于三维模型的方法稍高,但两者精度均能达到cm级。基于三维模型的本体图制作方法操作直观且制作过程中的误差传递较前者小,是一种在快速的前提下仍能较好保持精度的古文物本体图制作方法,拓展并丰富了有关古文物本体图测绘技术的应用。     

移动设备上三维地理场景可视化研究

基于OpenSceneGraph设计并实现了一个运行于iOS平台上的三维地理场景展示系统。本文重点讨论了移动设备上大型地理场景可视化面临的主要问题和相关解决方法。通过边坍塌模型简化算法生成场景对象不同细节程度的三维模型。使用场景树管理和组织数据。利用场景裁剪、动态调度、LOD等技术,降低场景渲染对硬件资源的占用。通过构建局部坐标系有效地解决了浮点数精度引起的模型抖动问题。     

消费型倾斜无人机在城镇三维重建方面的应用

本文探究单镜头多旋翼消费型无人机进行城区局部区域三维重建的方法。首先,介绍影像匹配、区域网联合平差以及多视密集匹配等倾斜无人机数据三维重建中的关键技术;然后,利用地面飞行控制系统与倾斜无人机结合采集多视影像数据,结合少量的人工干预,采用Context Capture软件快速构建建筑物三维模型;最后,对构建的三维模型进行精度分析,结果满足精度要求,提高了三维建模的效率,为城镇局部重点区域三维重建提供新的思路。     

小型文物摄影测量三维建模主体对象识别

通过拍照进行三维建模的摄影测量技术是文物数字化的重要手段,然而,在摄影测量文物三维重建过程中,文物所在的场景背景也同时参与计算和建模,需要设法删除,以获得文物单体模型。针对上述问题,本文提出一种小型文物三维模型主体对象识别方法,能够自动删除文物摄影测量三维模型的背景数据。该方法分别利用深度学习网络Mask R-CNN和改进为自动获得初值的One Cut进行文物图像前景内容识别,再融合两种方法的识别结果进行文物图像主体对象分割,最后以二维图像分割结果为依据,逐三角形识别三维模型主体对象,并运用多视角约束法优化识别精度。实验表明,本文方法能够获得小型文物单体化三维模型,无需人工干预且精度较高。     

基于三维激光扫描的古建筑文物三维数字化保护研究——以四川乐山文庙大成殿为例

三维激光扫描以其数据获取的速度快、精度高、无接触等优势,为古建筑文物的数字化保护提供了一个有效途径。本文以四川乐山文庙大成殿为例,用地面和手持式三维激光扫描仪开展点云数据获取,构建了文物三维数字化档案,进而开展三维重建和信息提取,对研究技术路线、数据采集、数据处理、三维模型构建相关技术和方法进行了详细阐述。     

基于倾斜摄影三维重建技术的真正射影像制作研究

探讨了一种基于倾斜摄影三维重建技术的真正射影像生产方法;阐述了实景三维生产、数字表面模型提取与编辑、三维重建、垂直投影获取真正射影像的技术流程,并对制作的真正射影像精度和效果进行了分析.结果表明,该技术路线可行,制作的真正射影像精度符合规范要求,纹理结构完整一致,视觉效果良好.     

秦蜀古道三维扫描测量精度分析

数据测量是秦蜀古道遗存调查中一个重要的环节,测量数据的精度是后续实物复原的关键,决定着后续数字化模型的精度及还原栈道遗存的关键。本文基于Leica P40三维激光扫描技术,在采集后的点云数据及建立的模型数据上分别量测栈道基本几何信息,比对分析数据误差,指出模型数据量测数据精度高于点云数据量测精度,且测量结果满足传统文物的测量精度,可以对人员无法到达区域的文物本体数据进行数据量测,为文物保护研究提供支撑。     

基于点云数据的不规则文物三维重建——以经幢为例

海量点云数据可以较好地构建文物的三维建模,针对文物复杂的表面结构,传统的算法很难达到精细建模,为了解决复杂模型表面的空间三角网构网问题,本文结合空间三角形的法向量构建三角网,以空间三角网表面的曲率为约束条件,构建物体表面的空间三角网,然后对构建的空间三角网进行精细建模。以昆明市文物——经幢为例进行三维重建试验,结果表明,新方法适合室内文物的三维建模,可以达到较好的效果。     

基于三维激光扫描的文物保护管理系统的建立

三维激光扫描技术是一种全自动高精度立体扫描技术,给测绘数据获取方法、服务能力和水平、数据处理方法等带来空前的技术革命。利用三维扫描技术建立二、三维一体的文物时空信息云平台,然后与文物保护管理系统相挂接,形成一个集时空数据与智能管理为一体的综合平台,不仅可以解决传统方式所带来的问题,还可以进行科学的分析与处理,充分了解人类历史发展的轨迹、演变规律和历史内涵。     

基于LiDAR技术的古建筑复杂曲面三维重建

随着信息技术和测绘科学的迅猛发展,传统的空间数据获取模式已经不能满足现在的信息化需求。三维激光扫描技术的出现,推动了现代化测绘技术的发展,其高精度、快速的非接触式扫描测绘方法改变了传统空间数据采集模式。古建筑文化遗产的三维数字化保护是目前社会的研究热点,利用三维激光扫描技术来重建古建筑独特复杂的表面模型,为古建筑数字化管理和修复提供数据参考是一个很有意义的事情。本文以利用地面三维激光扫描系统构建古建筑三维模型为研究对象,通过洞窟类实例对古建筑点云数据处理和NUBRS三维模型复杂曲面重建技术进行研究与探讨。     

依托航空模拟平台的激光雷达技术课程实践教学装备

为了能更好地理解激光雷达技术工作原理与三维信息采集全过程,规避现有激光雷达技术,尤其是机载激光雷达,在实践教学中受场地限制的不利条件,本文依托于中国矿业大学(北京)沙河校区的航空模拟平台,自主研发了一套基于单线激光雷达与行程测距仪集成的三维激光扫描装备,阐述了该装备集成的数学原理,设计了三维数据采集实践教学方法,并进行了三维数据采集的实践体验与数据质量评价。结果表明,该装备采集三维点云的精度优于99%,可为激光雷达技术的实践教学、创新训练及本科毕业设计等环节提供有效的硬件支撑,并可在仓储方量核算等工程应用方面进行推广。     

明代石碑高精度真实纹理三维建模应用

为了解决精细化文物三维测绘精细建模的难题,本文利用手持式高精度三维激光扫描技术对栅栏墓园内的利玛窦墓碑、汤若望墓碑、南怀仁墓碑进行了高精度真实纹理三维激光扫描建模的研究,保证了文物模型的精度、精细度和完整性。手持式高精度三维激光扫描技术结合了三角测量、激光测量、近景摄影测量、自定位等技术手段,实现了对具有一定体量的复杂纹理文物的精细化测绘。本文通过对三角测量技术和近景摄影测量技术的基础原理进行分析,将两者的特点相结合,摸索出一套针对精细纹理和复杂雕刻的文物三维扫描技术流程。通过对手持式激光扫描技术的研究,验证了该技术对文物测绘的可行性和可靠性,为中尺度体量文物测绘总结了一套全新的技术流程,为今后探索针对不同体量的文物三维测绘,以及多种测绘技术相融合奠定了基础。     

双目视觉三维点云重建的误差度量模型

从图像中快速提取并构建三维模型是GIS空间数据获取的重要途径之一,作为智慧城市建设的基础数据,如何度量和控制图像三维模型质量成为阻碍智慧城市发展的首要问题。本文以立体像对为数据源,在研究三维点云重建模型的基础上,结合矩阵微分理论和协方差传播律构建了双目视觉三维点云误差度量模型及量化表达方法,为图像三维建模质量控制和精度评估提供理论依据。     

基于控制点约束影像的密集匹配及其在考古发掘中的应用

针对大场景考古挖掘现场的三维重建情况,选取半全局匹配策略作为研究基础,设计了一种基于附加控制点约束的半全局匹配算法进行序列影像密集匹配。将稀疏匹配中的特征提取和匹配技术用于提取初始特征,并由这些初始特征转化的同名特征点,生成视差空间影像中的视差控制点,以此作为一种可靠的约束,提高其密集匹配的精度。同时,采用影像分块的策略,将原始大核线影像分成若干对小核线影像,进行密集匹配,以达到提高计算效率,改善计算结果的目的。实验证明,该方法可实现大面积考古挖掘现场的快速三维重建,并且能够在进行文物形态三维重建的同时获取挖掘现场文物分布的正射影像平面图,为准确记录挖掘现场文物分布位置及考古发掘、调查及遗址保护规划编制等提供科学依据。     

石窟寺三维数字化档案建设方法与技术探讨

文物是不可再生的文化资源,需采用现代科技手段对其进行数字化保护,延续人类历史文明。本文以彬县大佛寺石窟为例,在已有基础地理信息数据、三维激光扫描数据、立面影像数据的基础上,运用CAD建模技术、三维激光扫描技术、虚拟现实技术构建石窟寺三维立体模型,借助CityMaker软件对模型数据、基础地理信息数据及文档资料进行管理。在此基础上,采用基于GIS组件的二次开发方法,借助于CityMaker SDK组件进行三维数字化档案系统开发,探索石窟寺三维数字化档案的建设方法。结果表明,本文提出的方法实现了对石窟寺三维数字化档案的管理,客观详实地记录了石窟寺现状,为文物部门的管理工作提供了便利。