地面激光点云处理与精细重构理论与方法 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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黄明，马朝帅，杨芳，张勇 著

图书标签:

• 地面激光点云
• 点云处理
• 三维重构
• 精细建模
• 遥感
• 测绘
• GIS
• 空间数据
• 计算机视觉
• 算法

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030497475

版次：1

商品编码：12122262

包装：平装

开本：16开

出版时间：2016-11-01

用纸：胶版纸

页数：188

字数：237000

正文语种：中文

内容简介

　　《地面激光点云处理与精细重构理论与方法》针对地面三维激光在高精度空间数据处理及大规模三维激光散乱点云的高精度建模的理论与关键技术，系统阐述了三维激光点云的获取与处理方法，提出了基于点云特征向量的配准、多站点云数据融合的核心算法；提出了一种顾及三维拓扑关系一致性的高精度三维建模的CSG-BREP数据模型及建模方法；研究了大数据空间三维实体GPU可编程计算及流数据的高速渲染的关键技术，最后给出了研究成果在古建筑与现代建筑及特殊复杂几何形状精细重建的工程应用。
　　《地面激光点云处理与精细重构理论与方法》可作为测绘、三维地理信息系统、计算机图形学领域的研究开发人员的参考书，还可供建筑遗产数字化保护的工程技术人员及相关专业的教师、研究生阅读。

内页插图

目录

前言

第1章 绪论
1．1 研究意义
1．2 研究现状
1．2．1 点云配准
1．2．2 点云构建三维拓扑模型
1．2．3 可视化
1．3 存在的问题
1．4 主要研究内容

第2章 点云数据预处理
2．1 点云数据异常值过滤
2．1．1 人工交互去噪方法
2．1．2 点云局部自动去噪
2．2 点云数据精简过滤
2．2．1 可移动网格划分算法流程
2．2．2 可移动网格划分算法具体实现过程
2．3 本章小结

第3章 点云配准
3．1 点云自动初始配准
3．1．1 点特征描述子
3．1．2 点云自动初始配准的具体实现
3．2 点云自动精细配准
3．2．1 点云重叠区域计算
3．2．2 ICP配准算法
3．3 点云配准并行加速算法
3．3．1 并行加速方案的选择
3．3．2 点云初始配准并行加速的实现
3．3．3 点云精细配准并行加速的实现
3．4 配准算法实验
3．4．1 实验环境配置
3．4．2 实验数据
3．4．3 点云配准效果
3．5 本章小结

第4章 点云三维几何精细建模
4．1 CSG-BREP拓扑模型定义
4．1．1 现有拓扑模型的分析
4．1．2 CSG-BREP拓扑模型内拓扑定义
4．1．3 CSG-BREP拓扑模型外拓扑定义
4．2 CSG-BREP拓扑模型构建
4．2．1 模型构建算法
4．2．2 拓扑重构算法
4．3 CSG-BREP拓扑模型查询分析
4．3．1 拓扑元素的查询算法
4．3．2 查询子级拓扑元素算法
4．3．3 查询父级拓扑元素算法
4．4 本章小结

第5章 高精度模型纹理重建
5．1 纹理重建分析
5．2 高精纹理重建模型解算
5．2．1 误差方程及初始值的确定
5．2．2 角度及摄站到物方距离的精确值
5．2．3 外方位元素解算
5．3 高精度纹理重建精度分析
5．3．1 实验数据
5．3．2 算法实验对比
5．3．3 实验分析
5．4 本章小结

第6章 三维交互可视化
6．1 可视化渲染管线
6．2 GPu基本几何体的渲染
6．2．1 光照
6．2．2 梯形体的涫染
6．2．3 球和圆柱的渲染
6．3 点云模型的渲染
6．3．1 点云模型渲染的流程
6．3．2 点云模型GPU渲染
6．4 精细三维空间数据的交互拾取
6．4．1 点云拾取
6．4．2 三角网的拾取
6．4．3 几何实体的拾取
6．5 本章小结

第7章 系统实现
7．1 系统架构
7．2 系统总体设计
7．2．1 点云处理及重建流程
7．2．2 功能模块设计
7．2．3 数据管理设计
7．3 系统界面及功能
7．3．1 总体界面
7．3．2 核心功能
7．4 本章小结

第8章 工程应用
8．1 古建筑数字化保护中的应用
8．1．1 外业测绘
8．1．2 模型数据成果
8．1．3 三维场景
8．1．4 修缮变化检测
8．1．5 古建筑剖面图
8．2 现代建筑点云建模应用
8．2．1 数据源
8．2．2 建模过程
8．3 后母戊鼎精细建模
8．3．1 建模工艺流程
8．3．2 模型应用
8．4 本章小结

参考文献

前言/序言

　　20世纪中后期，三维激光扫描技术伴随着光学、电子学的不断发展，使激光雷达测量技术在全球范围内得到飞速发展。它作为一种快速实景复制技术，是测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革新，较传统单点测量技术手段与方法，具有高效率、高精度及全景化测量等技术优势。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。
　　近年来，地面三维激光扫描技术不断突破，应用领域日益拓宽，在地形测绘、城市管理、灾害监测、遗产保护等方面发挥着越来越重要的作用，并形成了巨大的产业。三维激光点云数据量也在呈指数级倍增，如何高效地处理基于大数据特征的点云数据处理、快速构建精细三维模型及三维逼真展示一直是目前国内外研究的焦点。本书重点旨在点云数据预处理、三维精细建模与可视化方面，开展理论与关键技术的研究，为提高三维激光扫描技术的应用提供理论指导与工程应用技术参考。
　　全书共分8章，内容包括：
　　第1章绪论，阐述了研究的意义，当前地面三维激光点云处理、数据配准、三维精细建模、可视化等方面的研究现状及存在的问题。
　　第2章点云数据预处理，主要研究了点云数据异常值过滤和点云数据精简过滤，提出了一种高效的可移动网格划分的点云精简过滤算法。
　　第3章点云配准，引入点特征描述子，采用点特征快速直方图作为点云初始配准所采用的特征描述子，从算法准确度和效率角度改进采样一致性初始配准算法；充分利用初始配准的重叠区，提出一种基于点云重叠区域的改进ICP算法：针对大数据，进而提出基于OpenMP并行加速和OpenCL并行加速算法。
　　第4章点云三维几何精细建模，提出了一种顾及拓扑一致性的CSG-BREP三维数据模型。从拓扑元素、拓扑结构、拓扑位置、拓扑方向、拓扑状态、拓扑子级6个方面定义了CSG-BREP模型；给出了从点云拟合基本体素的方法及CSG布尔算子的实现；通过模型，研究了针对模型的查询和访问算法。
　　第5章高精度模型纹理重建，提出了一种角锥体法的摄影测量纹理重建算法，较好地解决了适用于大倾角影像的方位元素解算，获得了高精度的纹理重建。
　　第6章三维交互可视化，针对大数据点云、CSG-BREP及TIN模型可视化问题，介绍了基于DirectX 11的渲染管线，论述了基于GPU可编程性的并行计算，快速渲染绘制与交互拾取的技术方法。

空间几何与现实世界测绘的桥梁：一本人文与科技交融的探索之旅 序言 我们置身于一个由几何形态构建的物质世界，而人类对这个世界的认知，很大程度上依赖于对空间几何的理解和描绘。从古老的测绘工具到现代的数字技术，人类一直在不断探索更精确、更深入地捕捉和呈现三维空间信息的方法。本书并非一本枯燥的技术手册，而是一次跨越时空、融合人文情怀与前沿科技的探索之旅，旨在揭示空间几何的奥秘，并将其与我们赖以生存的现实世界紧密相连。 第一章：维度之思——从二维到多维的哲学回响 在进入具体的测量与描绘技术之前，我们首先要回溯到“维度”这一根本性的哲学概念。本章将带领读者穿梭于古今中外的思想长河，探讨不同文明对于空间维度的理解。从古希腊哲学家对“点”、“线”、“面”的抽象思考，到现代数学中高维空间的理论构建，我们追溯维度概念的演变，理解其如何从纯粹的哲学思辨逐渐渗透到科学的各个领域。我们将审视古代地图绘制中的投影与变形，思考其背后对三维真实世界如何在二维平面上呈现的初步尝试。同时，本章也将引入一些跨学科的视角，例如艺术中的透视法如何通过几何原理模拟人的视觉感知，以及文学作品中对空间意象的描绘，以此来展现人类对空间认知的多元化和深度。我们并非要建立一套严谨的数学理论，而是要从更广阔的视角理解“空间”这一概念对于人类思维的影响，为后续的技术探讨奠定人文基础。 第二章：光影的低语——传统测量技术的精妙与局限 在数字时代来临之前，人类依靠精巧的仪器和严谨的观测来丈量大地，绘制地图。本章将聚焦于那些曾经是测量领域“基石”的传统技术。我们将深入了解经纬仪、全站仪等经典测量设备的构造与工作原理，体会工程师们在精度与可靠性方面的卓越追求。我们会详细探讨三角测量、导线测量等经典测量方法，理解它们在复杂地形中如何通过一系列精密的几何计算来确定点位。在此过程中，我们会穿插介绍历史上的重要测绘项目，例如古代帝国的疆域划分，近代地理大发现中的航海图绘制，以及那些为我们留下珍贵历史地貌记录的测绘队伍。然而，我们也必须认识到传统技术的局限性：繁重的人力投入、对环境的依赖性，以及在处理复杂、精细几何细节时的天然瓶颈。通过对比，我们将清晰地看到，尽管这些传统技术凝聚了人类的智慧，但它们在应对现代社会对三维信息日益增长的需求时，已显露出其不足。 第三章：编码的宇宙——数字图像与三维几何的早期融合 随着计算机科学的兴起，人类开始尝试用数字化的方式来表达和处理空间信息。本章将回顾数字图像处理技术的发展，以及早期将二维图像转化为三维几何概念的探索。我们将了解数字图像的基本原理，如像素、分辨率、颜色模型等，并探讨早期的图像识别与特征提取技术，例如边缘检测、角点检测等，这些技术是如何为从图像中提取几何信息奠定基础的。我们将重点介绍摄影测量学的早期发展，即如何利用不同视角的二维照片来重建三维场景。我们会讨论相机标定、对极几何、立体匹配等核心概念，并回顾一些早期成功的应用案例，例如航空摄影测量在地形测绘、城市规划中的应用。本章将强调，虽然这些早期技术在一定程度上实现了三维信息的获取，但它们仍然存在着对特征点依赖、纹理要求高、处理速度慢等挑战，为我们进一步探索更高效、更精细的几何捕捉方法留下了空间。 第四章：感知世界的利器——光学与声学传感器的发展演进 步入二十世纪末至今，科技的飞速发展为我们提供了前所未有的感知世界的工具。本章将聚焦于那些能够直接获取三维几何信息的传感器技术。我们将从光学传感器的角度出发，深入探讨激光雷达（LiDAR）技术的基本原理，包括其脉冲发射、时间测量、回波信号处理等环节。我们会详细介绍不同类型的激光雷达，如车载激光雷达、机载激光雷达、无人机载激光雷达等，分析它们各自的优势与应用场景。同时，我们将涉猎结构光、深度相机等光学三维测量技术，分析它们在室内环境、物体扫描等方面的独特贡献。此外，本章还将扩展到声学传感器，例如声呐技术，探讨其在水下地形测绘、水体结构探测等领域的应用。我们并非仅仅罗列技术参数，而是要理解每一种传感器技术背后所蕴含的物理原理，以及它们如何通过不同的方式“读取”现实世界的几何信息。 第五章：点云的低语——海量离散点元的组织与表征 当激光束扫描过真实世界，留下的并非连续的曲面，而是一个由无数离散点构成的“点云”。本章将致力于理解如何组织、管理和理解这些海量的点数据。我们将探讨点云数据的基本属性，如三维坐标、颜色、强度等，并分析点云数据量庞大所带来的存储与计算挑战。本章将介绍点云数据的预处理技术，例如噪声去除、点云滤波、降采样等，这些步骤对于后续的分析与处理至关重要。我们将深入探讨不同的点云表征方法，从最基础的无序点集，到通过体素化、八叉树等方法进行空间划分，再到一些更高级的局部特征描述符。我们还将讨论如何为点云数据赋予语义信息，实现从几何数据到具有实际意义的场景理解的飞跃。本章的重点在于理解点云作为一种全新的几何数据形式，如何被有效地管理和利用，成为连接原始扫描数据与精细模型之间的关键桥梁。 第六章：几何的重塑——从离散点到连续形态的数学转换 点云本身是离散的，而我们最终希望获得的是光滑、连续的三维模型。本章将聚焦于点云数据到三维几何模型的数学转换过程。我们将深入探讨各种曲面重建算法，包括基于 Delaunay 三角剖分、Alpha Shape、泊松重建等方法，理解它们在不同几何场景下的适用性与优缺点。我们将讨论如何从点云数据中提取几何特征，如法线、曲率等，这些信息对于准确的曲面拟合至关重要。本章还将涉及网格模型（Mesh）的生成与优化，包括三角网格、四边形网格等，以及如何对生成的网格进行平滑、简化、细分等操作，以达到所需的精细度与视觉效果。我们将分析在进行几何重塑时，如何平衡数据的保真度与模型的简洁性，从而生成既能准确反映原始几何信息，又便于后续应用的三维模型。 第七章：现实的镜像——三维模型在各领域的应用探索 经过严谨的处理与精细的重塑，最终获得的三维模型如同现实世界的数字镜像，能够被应用于广泛的领域。本章将展示三维模型强大的应用潜力。我们将探讨其在建筑与工程领域的应用，例如建筑信息模型（BIM）中的三维可视化、施工进度模拟、结构分析等。在文物保护与文化遗产领域，三维模型能够用于数字记录、虚拟修复、在线展示，让珍贵的历史信息得以长久保存与传播。在工业制造与产品设计中，三维模型是数字化设计、仿真测试、逆向工程的关键工具。在虚拟现实（VR）与增强现实（AR）领域，高精度三维模型是构建沉浸式体验的基础。此外，本章还将简要介绍三维模型在城市规划、游戏开发、电影特效、医疗成像等领域的应用，展现科技如何赋能不同行业，创造新的可能。 结语 从对“维度”的哲学思考，到对光影的智慧运用，再到如今对点云数据的精妙驾驭，人类在理解与描绘三维世界的道路上从未停歇。本书的目的并非提供一套包罗万象的技术秘籍，而是希望通过对这一系列探索过程的梳理与解读，引发读者对于空间几何、科技进步以及其与现实世界之间深刻联系的思考。我们相信，对几何本质的理解，以及对科技工具的灵活运用，将持续推动我们更深入、更精细地感知和改造我们所处的世界。未来的探索之路依然漫长，但我们已经站在了一个前所未有的高度，能够以更开放的视野，更智慧的手段，去拥抱一个更加立体、更加丰富的现实。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计相当吸引人，深邃的蓝色背景搭配闪烁的激光点，立刻勾勒出“点云”的意象，仿佛置身于一个由无数数据点构成的三维世界。我尤其欣赏它在排版上的用心，字体大小适中，行距也恰到好处，即使是密集的公式和理论推导，阅读起来也不会感到吃力。翻开书页，扑面而来的是一种严谨而又不失亲切的学术气息。虽然我目前的研究方向尚未完全触及点云处理的深层理论，但这本书提供的广阔视野让我对这个领域产生了浓厚的兴趣。它仿佛是一扇窗，让我窥见了背后复杂而精妙的算法世界，也激发了我进一步探索的欲望。我喜欢它在引入概念时，那种循序渐进的逻辑，不会一开始就抛出晦涩难懂的概念，而是从基础出发，逐步深入，让非专业读者也能感受到其中的魅力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计简洁大气，封面上“地面激光点云处理与精细重构”这几个字，就如同一个明确的指引，将我带入了这场关于三维数据的探索之旅。在我阅读的过程中，我惊喜地发现，作者在讲解一些概念时，常常会引用一些前沿的学术论文和实际工程项目，这让书中的内容显得尤为鲜活和具有时效性。例如，在讨论点云配准时，作者不仅深入剖析了ICP算法的变种，还巧妙地引入了基于特征匹配的配准方法，并提供了它们在不同精度要求下的应用场景分析。我个人认为，这种理论与实践相结合的编写方式，大大提升了这本书的实用价值，也让我对如何运用这些技术解决实际问题有了更清晰的思路。

评分☆☆☆☆☆

这本书的版式设计充分考虑到了读者的阅读体验，字迹清晰，排版疏朗，即使在较长的章节里，也不会让人感到疲劳。更令我印象深刻的是，作者在阐述复杂的算法时，总会辅以图示和流程图，将抽象的概念具象化，这对于理解和记忆非常有帮助。例如，在讲解表面重建的章节，作者不仅详细介绍了泊松重建、Delaunay三角剖分等经典算法，还用精美的三维模型图例展示了不同算法生成的表面效果，直观地展现了算法的优劣。这让我仿佛置身于一个三维模型的“生产车间”，亲眼见证着从离散点云到光滑曲面的神奇转变。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面虽然朴实，但透着一股沉稳的学术气质，正符合我对于一本深入研究点云处理技术的书籍的期待。我在阅读过程中，发现作者对于点云数据的误差分析和质量评估部分的处理尤为出色。他没有仅仅停留在理论层面，而是详细探讨了不同误差来源的特性，并提供了一系列量化评估指标。这一点对于任何从事精密测量和三维重建的工程师来说，都是至关重要的。我特别喜欢书中对不同数据采集设备产生的点云差异性的分析，以及如何通过数据融合技术来克服这些差异，实现更准确、更完整的重构。这部分内容让我受益匪浅，也为我今后的数据处理工作提供了重要的参考。

评分☆☆☆☆☆

这本书给我的第一印象是它的专业性和系统性。从第一章开始，作者就为我们构建了一个扎实的理论基础，详细介绍了点云的形成机理、数据特性以及基本的预处理方法。我尤其赞赏书中对噪声去除和数据分割等关键技术所做的详尽阐述。作者不仅给出了多种算法的原理分析，还结合实际应用案例，生动地解释了不同方法在面对复杂场景时的优势与劣势。这一点对于我们这些希望将理论付诸实践的研究人员来说，无疑是极其宝贵的。书中对于一些核心算法的数学推导也十分清晰，虽然需要一定的数学功底来理解，但作者的讲解方式使得推导过程不再是枯燥的符号堆砌，而是充满了逻辑的美感。