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随着网络技术,计算机高速发展,人们生活方式发生了空前的改变。时常能够听到,5G技术、VR技术、云计算等新鲜的词语,殊不知很多新技术是建立在三维立体可视化的基础上。如今,地下溶洞景观观赏、地质研究、开发利用、溶洞生态保存逐渐进入了我们视线,如何提高溶洞的旅游价值、审美体验、地质科研和生态保存等将成为溶洞研究的热点之一,为了使溶洞的存在更有意义,需要对溶洞全方位多层次的认识,以及多学科融合,如规划设计、艺术设计、计算机科学、数字艺术、环境及自然遗产保护及地学领域等相关学科,因此溶洞的三维立体模型成为必不可少的基础数据。近几年来测绘新技术技术不断更新,数据采集手段逐渐多元化。激光雷达扫描技术成为地下三维数据采集的重要设备之一。前期,跟随项目组参与了宜良九乡三角洞、文山坝美桃源洞、文山坝美汤那洞等几个岩溶洞穴项目的三维重建后发现,通常岩溶洞穴三维重建是采用统一规格大小的三角网或根据全部点云构建三角网来实现岩溶洞穴三维数字立体模型重建。此类重建方法存在消耗大量的时间、处理数据时占用电脑较大内存、重建结果无法区分精细部位与粗略部位、最终成果数据输出的结果文件太大,造成使用时需配置较高计算机才能使用重建后的成果等问题,因此本文提出采用多分辨率三维重建。试验区选取云南九乡三角洞部分数据,其洞内钟乳石资源丰富,发育良好,且保存完整具有一定代表性,是滇东南地区典型地下岩溶洞穴之一,发育于6亿年前的震旦纪,目前是我国占有面积最大,溶洞数量最多,洞内资源最丰富,具有很高的观赏价值,洞内钟乳石形状婀娜多姿,绚丽多彩,受到专家们一致好评,拥有“溶洞博物馆”的美誉。本文采用高精度的三维激光扫描技术,对溶洞进行三维立体扫描获取点云数据,通过数据分析,结合溶洞自身特点进行算法设计,仿真实验和利用更高精度的测绘数据与之比较进行分析,对云南九乡溶洞点云数据进行处理、分析、以及多分辨三维重建。主要探索岩溶洞穴的点云数据预处理方法与多分辨率三维重建的方法。其中包括:点云拼接、点云去噪、点云精简以及对云数据进行多分辨率三维重建的方法进行深入探讨,主要研究的成果如下:(1)数据预处理过程中,针对点云配准问题,首先采用特征点进行粗配准,使得相邻点云数据集中一体,然后利用ICP算法(Iterative Closest Point)通过点对进行反复迭代实现了点云精确配准;针对点云去除噪声点问题,首先找出了产生噪声点的主要原因,然后利用k-d树搜索找到领域点进行去噪,若有部分噪声点还是无法剔除的,则采用人机交互形式进行去噪;针对点云数据精简问题,本文采用了等密度法和包围盒网格精简法对分类后点云按照多分辨率建模精度要求进行精简;针对三维重建问题,本文探索了常用的三维建模方法,例如,针对规则曲面则采用NURBS曲面建模,对于规则物体表面则提取物体表面框架进行三维重建或提取对象表面特征点进行平面建模,对于城市建模,则采用区域生长三角网构建三维模型,针对复杂立体表面则采用多分辨率三维重建。(2)针对岩溶洞穴三维建模方法,首先,采用改进邻近点几何特征提取特征值,增加法向量角作为检测特征点一项依据;其次,用SPSO(Society Particle Swarm Optimization)优化算法与模糊C-均值(FCM)聚类算法实现点云分割。实验结果表明,该方法在岩溶洞穴三维点云上能够实现点云分割,为多分辨率三维重建提供基础数据。(3)根据岩溶洞穴特征线定义及岩溶洞穴点云的特殊性,按照实际需求,对溶洞进行多分辨率定义,并按照不同分辨率进行三维重建实验。首先明确岩溶洞穴多分辨率的定义以及精度分类,根据精度划分等级按照不同精度等级进行三维重建。从建模性能上将本文方法建模结果与普通建模方法进行对比分析,通过更高精度设备采集的数据对本文方法进行精度论证,以相对精度值与绝对精度值来说明本文方法建模精度是否满足相关要求。实验结果得出,本文方法能够实现点云高效、精确的三维重建。通过统计分析,结果显示,该方法三维重建性能与效率有显著提高,建模质量明显优于普通建模方式,具有较高的实际应用价值。(4)按照用途的需求,三维数字模型应为一个整体,便于使用及保存,因此,提出按照不同分辨率的三维模型进行拼接融合的方法,首先对三角网格数据进行格式转换便于加载到matlab平台上;其次,通过三角网空间几何关系遍历出两个相邻拼接网格边界,找出待拼接边界;然后,采用约束Delaunay三角网法进行连接并采用B样条插值使得过渡自然;最后,采用Laplacian原理进行平滑与消峰处理接边处使得表面光滑。实验表明,该方法不仅可以用于精细模型的拼接融合,也能应用于大型岩溶洞穴的拼接融合,对比已有软件人工拼接,该方法具有一定自动化,能够减少工作量并且可以保障拼接质量等优点,在实际工程应用中,具有较高的实用性。