CN113284172B - 一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置 - Google Patents

一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置，采集方法包括步骤：S1、控制三维数据采集装置进入到考古现场中；S2、通过红外摄像装置对行进路径进行观察；S3、采集考古现场的激光点云数据；S4、粗配准；S5、精配准；S6、去噪处理；S7、精简处理；S8、结合点云特征进行三维建模；S9、完成三维数据采集。三维数据采集装置包括安装壳体、多功能环境检测装置、数据采集机构、行进驱动机构、辅助支撑机构和行进转向机构。本发明的有益效果是：本发明提出的针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，与小体积、机动性强的三维数据采集装置相匹配，能够更加方便的完成复杂地形的考古数据采集工作。

Description

一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置
技术领域
本发明涉及信息技术领域，具体涉及一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置。
背景技术
中国作为世界文明古国之一，很早就有学者注意到进行古代遗迹考察和古代遗物研究的重要价值。以田野调查发掘为基础的近代考古学，在中国兴起较迟，19世纪末到20世纪30年代，一些帝国主义国家派遣的探险家、考察队，曾潜入中国边疆地区进行活动；20世纪20年代后期，中国学术机关开始进行周口店、殷墟等遗址的发掘，标志着中国考古学的诞生；建国以后，调查发掘遍及全国各个地区，逐步建立起完备的中国考古学体系。
在考古工作过程中，常需要使用激光三维设备进行文物遗产三维数字记录，目前在对文物或遗址进行三维数字记录时，其处理方法较为繁琐，数据处理效率较低，且影响后续三维仿真建模的精度；除此之外，在考古过程中，常会遇到一些人工无法到达的复杂地面环境，或者某些考古现场，空间较为狭小，考古人员无法进入或者无法在内进行正常活动，从而无法顺利进行文物数字记录工作，同时某些砂土木器石刻等文物对人类呼吸及其敏感，人类使用常规设备对其进行数据采集可能会对文物造成不可逆转的损害；鉴于上述原因，有必要提出了一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置。
发明内容
本发明的目的是针对现有考古现场三维数据采集记录的操作较为繁琐，数字记录效率较低等问题，以及针对人工无法或者不便进入的复杂地形，文物、遗址数据采集和数字记录工作难度较大的问题，提供一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法及装置。
这种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，包括以下步骤：
S1、将可移动的三维数据采集装置移动到考古人员不易或者不便到达进行勘察记录工作的复杂地面环境入口处，通过地面控制装置控制三维数据采集装置进入到考古现场中；
S2、通过三维数据采集装置的红外摄像装置对行进路径进行观察，控制三维数据采集装置移动至考古现场中适当位置；
S3、利用三维数据采集装置的三维激光扫描仪，结合LiDAR系统，采集考古现场的激光点云数据；
S4、三维数据采集装置将步骤S3中所得激光点云数据传输至地面控制端，按照特征点对其进行粗配准，将相邻站点云数据粗配准到一起；
S5、数据经过粗配准后，再采用ICP算法通过点对进行反复迭代精配准，然后输出同一基准配准后的点云数据；
S6、对步骤S5中输出的数据进行去噪处理，采用K-D树搜索最近领域点进行去躁，同时对难以区分的噪声点采用人机交互形式进行去噪；
S7、采用等密度法和包围网格法对步骤S6中所得数据进行精简处理；
S8、通过步骤S7中精简后的数据分析得出所勘探位置的点云特征，结合点云特征，采用多分辨率三维重建方法进行三维建模；
S9、重复步骤S1-S8，对其他考古现场中其他位置的三维数据进行采集；完成采集后，控制三维数据采集装置驶回出发点，结束三维数据采集工作。
作为优选：所述步骤S3中利用三维激光扫描仪所获取的点云数据坐标为独立坐标系，三维激光扫描仪所在位置的扫描中心为坐标原点，X坐标为横坐标，Y坐标在横向扫描面上且与X轴垂直，Z坐标在竖直方向上，其扫描点D计算公式如下：
Figure 337218DEST_PATH_IMAGE001
Figure 578843DEST_PATH_IMAGE002
其中，c为激光在大气中的传播速度，
Figure 791650DEST_PATH_IMAGE003
为激光到测量目标点的往返时间，A为横 向扫描角度观测值，B为纵向扫描角度观测值。
作为优选：所述步骤S5中的ICP算法通过点对进行反复迭代配准，使得对应点对逐渐逼近，使得目标函数收敛；剔除错误点后，对源点云P中点集｛Pi｝和目标点云Q中对应点集｛Qi｝，利用四元数法计算转换矩阵，将转换矩阵应用于源点云，实现一次转换。
作为优选：所述步骤S6中采用K-D树搜索最近领域点进行去噪，具体为：在K-D树中 搜索点Pi的最近领域，通过深度优先检索，从根开始，直到找到叶节点Pj为止；同时记录访问 路径，首先计算Pi和Pj之间的欧氏距离
Figure 622071DEST_PATH_IMAGE004
，Pi的三维空间坐标为
Figure 957238DEST_PATH_IMAGE005
，Pj的三维 空间坐标为
Figure 686159DEST_PATH_IMAGE006
，其计算公式为：
Figure 702657DEST_PATH_IMAGE007
通过查询记录的路径，如果点Pz与Pi之间的距离小于Dist，则当前点是最邻近点，并更新最短距离Dist；设dpz是Pz与当前分类的曲面之间的距离，判断Dist和dpz之间的关系；如果Dist＞dpz，则在其他子空间中有一个更邻近点Pi，这时转动父节点树的另一个子节点，通过深度搜索来查找最邻近点；否则，继续往回搜索，父节点的另一个子节点将不考虑，直到全部路径搜索结束，则搜索完成，得到最邻近点；
采用相同的方法找到Pi的K个最邻近点，构成K个最邻近点Nbhd（Pi），计算出Pi与每个点的领域之间的平均距离Dmean（Pi），其计算公式为：
Figure 889050DEST_PATH_IMAGE008
如果平均距离超过设定的阈值
Figure 660697DEST_PATH_IMAGE009
，则判断该点为噪声点，相反为保留的目标点。
作为优选：所述步骤S7中的精简处理，其处理方法为：
首先建立一个子方格，并在子方格内计算Pi到方格中心的距离di，设o（x0，y0，z0）为一个方格的中心点，wi（xi，yi，zi）和wj（xj，yj，zj）是其对角线上的两个定点，那么得出：
Figure 549018DEST_PATH_IMAGE010
即
Figure 431524DEST_PATH_IMAGE011
，方格内任意一点
Figure 970958DEST_PATH_IMAGE012
到o点 的距离di如下式：
Figure 913507DEST_PATH_IMAGE014
然后求得di，保留di=dmin的点，删除方格内其他的点，然后遍历所有点云，实现点云精简。
这种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法中应用的三维数据采集装置，包括安装壳体、多功能环境检测装置、数据采集机构、行进驱动机构、辅助支撑机构和行进转向机构；所述安装壳体内部固定安装有LiDAR系统、动力电源、控制器以及信号传输装置；所述安装壳体上表面前端固定连接有多功能环境检测装置，所述多功能环境检测装置内部集成安装有空气质量检测模块，所述安装壳体上表面后部固定安装有数据采集机构；所述安装壳体的底面前端安装有行进驱动机构，所述安装壳体的底面后端安装有行进转向机构，所述行进转向机构的两侧安装有辅助支撑机构。
作为优选：所述数据采集机构包括电动伸缩杆、电动旋转杆和采集单元，所述电动伸缩杆底端固定连接在安装壳体上表面，所述电动伸缩杆的顶端固定连接有安装板，所述安装板上部固定安装有电动旋转杆，所述电动旋转杆的顶端固定有采集单元，所述采集单元包括高清红外摄像装置和三维激光扫描仪，所述采集单元的顶面上还固定连接有辅助照明灯。
作为优选：所述行进驱动机构和行进转向机构均包括固定架、转动轴、行进轮、支撑架、连接板、第一连接耳、第二连接耳和第一减震器；所述固定架中间位置转动连接有转动轴，所述转动轴上固定连接有行进轮；所述固定架上转动连接有支撑架，所述支撑架的顶端固定连接有连接板，所述支撑架顶端侧壁上固定连接有第一连接耳，所述固定架上固定连接有第二连接耳，所述第一连接耳和第二连接耳之间活动连接有第一减震器。
作为优选：所述行进驱动机构的两个固定架之间设置有双轴伺服电机，所述双轴伺服电机上固定连接有固定杆，所述固定杆远离双轴伺服电机一端固定连接在固定架侧壁上，所述双轴伺服电机的输出轴与固定架上的转动轴固定连接；所述行进转向机构的连接板上固定连接有转向柱，所述转向柱上端转动连接在安装壳体的底面，所述连接板上还固定连接有扇形延伸板，所述扇形延伸板上设置有弧形贯穿槽，所述弧形贯穿槽内壁上固定连接有齿块，所述行进转向机构还包括转向电机，所述转向电机上端固定连接在安装壳体的底面，所述转向电机的输出轴上固定连接有传动轴，所述传动轴底端固定连接有转向齿轮，所述转向齿轮与弧形贯穿槽内的齿块啮合连接。
作为优选：所述辅助支撑机构包括支撑弯杆和连接块，所述连接块固定连接在安装壳体的底面上，所述支撑弯杆顶端转动连接在连接块上，所述支撑弯杆的底端转动安装有辅助支撑轮，所述支撑弯杆上还设置第二减震器，所述第二减震器的两端分别转动连接在安装壳体底面和支撑弯杆上。
本发明的有益效果是：
1）本发明提出的针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，与小体积、机动性强的三维数据采集装置相匹配，能够更加方便的完成复杂地形的考古数据采集工作；且本方法中，通过三维激光扫描仪完成文物或遗址的点云数据采集工作，经由粗配准、细配准和去噪处理后，再采用等密度法和包围网格法对数据进行精简化，然后再采用多分辨率三维重建方法进行三维建模；通过上述方法，在保证三维数据采集和建模的精度的同时，大大简化了三维数据采集的操作流程，优化了数据处理方式，有效解决了现有考古现场三维数据采集记录的操作较为繁琐，数字记录效率较低的问题。
2）本发明提出的针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置，在前端采用双轮式的行进驱动机构，在后端采用单轮式的行进转向机构，在保证机动性和通过性的同时，进一步提高了装置本体的灵活性，能够更好的保证其在复杂地形中行进；除此之外，本发明还在行进转向机构两侧安装了辅助支撑机构，更好的保证了装置本体的稳定性，同时行进驱动机构、行进转向机构和辅助支撑机构均进行了创新性的抗震设计，更好的保证了装置本体行进时的稳定性和抗震性；利用上述设计，有效解决了针对人工无法或者不便进入的复杂地形，文物、遗址数据采集和数字记录工作难度较大的问题。
附图说明
图1为针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置的结构示意图；
图2为针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置的爆炸结构示意图；
图3为针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置的行进驱动机构的结构示意图；
图4为针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置的行进转向机构的结构示意图；
图5为针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置的辅助支撑机构的结构示意图；
图6为针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法的示意图。
附图标记说明： 1、安装壳体；2、多功能环境检测装置；3、数据采集机构；301、电动伸缩杆；302、安装板；303、电动旋转杆；304、采集单元；305、辅助照明灯；4、行进驱动机构；401、固定架；402、转动轴；403、行进轮；404、支撑架；405、连接板；406、第一连接耳；407、第二连接耳；408、第一减震器；409、双轴伺服电机；410、固定杆；5、辅助支撑机构；501、支撑弯杆；502、连接块；503、辅助支撑轮；504、第二减震器；6、行进转向机构；601、转向柱；602、扇形延伸板；603、弧形贯穿槽；604、齿块；605、转向电机；606、传动轴；607、转向齿轮。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，包括以下步骤：
S1、将可移动的三维数据采集装置移动到考古人员不易或者不便到达进行勘察记录工作的复杂地面环境入口处，通过地面控制装置控制三维数据采集装置进入到考古现场中。其中地面控制装置是用于接收信息、控制三维数据采集装置工作所使用的固定终端或移动终端，可以是手机、遥控器或者笔记本电脑等终端设备。
S2、操作人员通过三维数据采集装置上安装的红外摄像装置对行进路径进行观察，控制三维数据采集装置移动至考古现场中适当位置。
S3、利用三维数据采集装置上的三维激光扫描仪，结合LiDAR系统，采集考古现场的激光点云数据。其中LiDAR是一种集激光、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的系统，用于获得点云数据并生成精确的数字化三维模型，这三种技术的结合，可以在一致绝对测量点位的情况下获取周围的三维实景。
S4、三维数据采集装置将步骤S3中所得激光点云数据传输至地面控制端，按照特征点对其进行粗配准，将相邻站点云数据粗配准到一起。
S5、数据经过粗配准后，再采用ICP算法通过点对进行反复迭代精配准，然后输出同一基准配准后的点云数据，其中“基准”可以理解为“精确的基础标准”。
S6、对步骤S5中输出的数据进行去噪处理，根据噪声点的特点选择合适的去噪方式，可采用K-D树搜索最近领域点进行去躁，同时对难以区分的噪声点采用人机交互形式进行去噪。
S7、采用等密度法和包围网格法对步骤S6中所得数据进行精简处理。
S8、通过步骤S7中精简后的数据分析得出所勘探位置的点云特征，结合点云特征，采用多分辨率三维重建方法进行三维建模。
S9、重复步骤S1-S8，对其他考古现场中其他位置的三维数据进行采集；完成采集后，控制三维数据采集装置驶回出发点，结束三维数据采集工作。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供一种更具体的针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，具体为：
所述步骤S3中利用三维激光扫描仪所获取的点云数据坐标为独立坐标系，三维激光扫描仪所在位置的扫描中心为坐标原点，X坐标为横坐标，Y坐标在横向扫描面上且与X轴垂直，Z坐标在竖直方向上，其扫描点D计算公式如下：
Figure 289124DEST_PATH_IMAGE001
Figure 395227DEST_PATH_IMAGE002
其中，c为激光在大气中的传播速度，
Figure 867797DEST_PATH_IMAGE003
为激光到测量目标点的往返时间，A为横 向扫描角度观测值（即水平方向上扫描角度），B为纵向扫描角度观测值（即竖直方向上扫描 角度）。
所述步骤S5中提到的ICP算法通过点对进行反复迭代配准，使得对应点对逐渐逼近，使得目标函数收敛；剔除错误点后，对源点云P中点集｛Pi｝（i表示第i次迭代，i＞0）和目标点云Q中对应点集｛Qi｝，利用四元数法计算转换矩阵，将转换矩阵应用于源点云，实现一次转换。
所述步骤S6中采用K-D树搜索最近领域点进行去噪，具体为：在K-D树中搜索点Pi （Pi就是点集｛Pi｝中的一个点）的最近领域，通过深度优先检索，从根开始，直到找到叶节点 Pj为止；同时记录访问路径，首先计算Pi和Pj之间的欧氏距离
Figure 918929DEST_PATH_IMAGE004
，Pi的三维空间坐标为
Figure 844160DEST_PATH_IMAGE005
，Pj的三维空间坐标为
Figure 255419DEST_PATH_IMAGE006
，其计算公式为：
Figure 316916DEST_PATH_IMAGE007
通过查询记录的路径，如果点Pz与Pi之间的距离小于Dist，则当前点是最邻近点，并更新最短距离Dist。假设dpz是Pz与当前分类的曲面之间的距离，判断Dist和dpz之间的关系。如果Dist＞dpz，则说明在其他子空间中有一个更邻近点Pi，这时需要转动父节点树的另一个子节点，通过深度搜索来查找最邻近点；否则，继续往回搜索，父节点的另一个子节点将不考虑，直到全部路径搜索结束，则搜索完成，得到最邻近节点；
采用相同的方法可以找到最近点Pi的K个最邻近点，构成K个最邻近点Nbhd（Pi），计算出该点与每个点的领域之间的平均距离Dmean（Pi），其计算公式为：
Figure 538950DEST_PATH_IMAGE008
如果平均距离超过设定的阈值
Figure 951476DEST_PATH_IMAGE009
，则判断该点为噪声点，相反为保留的目标点。
所述步骤S7中的精简处理，其具体处理方法为：
首先建立一个子方格，并在子方格内计算Pi到方格中心的距离di，假设o（x0，y0，z0）为一个方格的中心点，wi（xi，yi，zi）和wj（xj，yj，zj）是其对角线上的两个定点，那么可以得出：
Figure 667891DEST_PATH_IMAGE010
即
Figure 849473DEST_PATH_IMAGE011
，方格内任意一点
Figure 976829DEST_PATH_IMAGE012
到o点 的距离di如下式所示：
Figure 876652DEST_PATH_IMAGE015
然后可以求得di，保留di=dmin的点（dmin为最小距离），删除方格内其他的点，然后遍历所有点云，实现点云精简。
本发明的针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，与小体积、机动性强的三维数据采集装置相匹配，能够更好的适应复杂地形条件下的考古工作，简化了三维数据采集流程，优化了数据的处理方式，能够更为高效、出色的完成文物、遗址的数据采集工作，更加方便的完成复杂地形的考古数据采集工作；且本方法中，通过三维激光扫描仪完成文物或遗址的点云数据采集工作，经由粗配准、细配准和去噪处理后，再采用等密度法和包围网格法对数据进行精简化，然后再采用多分辨率三维重建方法进行三维建模；通过上述方法，在保证三维数据采集和建模的精度的同时，大大简化了三维数据采集的操作流程，优化了数据处理方式，有效解决了现有考古现场三维数据采集记录的操作较为繁琐，数字记录效率较低的问题。
实施例三
本申请实施例三提供一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置，包括安装壳体1、多功能环境检测装置2、数据采集机构3、行进驱动机构4、辅助支撑机构5和行进转向机构6；所述安装壳体1内部固定安装有LiDAR系统、动力电源、控制器以及信号传输装置；所述安装壳体1上表面前端固定连接有多功能环境检测装置2，所述多功能环境检测装置2内部集成安装有空气质量检测模块，能够对考古现场空气质量、温湿度、有害物质含量或氧气浓度等空气质量信息进行检测；所述安装壳体1上表面后部固定安装有数据采集机构3，实现装置本体的三维数据采集功能；所述安装壳体1的底面前端安装有行进驱动机构4，所述安装壳体1的底面后端安装有行进转向机构6，所述行进转向机构6的两侧安装有辅助支撑机构5。
实施例四
在实施例三的基础上，本申请实施例四提供一种更具体的针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置，具体结构如下：
所述数据采集机构3包括电动伸缩杆301、电动旋转杆303和采集单元304，所述电动伸缩杆301底端固定连接在安装壳体1上表面，所述电动伸缩杆301的顶端固定连接有安装板302，所述安装板302上部固定安装有电动旋转杆303，所述电动旋转杆303的顶端固定有采集单元304，所述采集单元304包括高清红外摄像装置和三维激光扫描仪，所述采集单元304的顶面上还固定连接有辅助照明灯305。
所述行进驱动机构4和行进转向机构6均包括固定架401、转动轴402、行进轮403、支撑架404、连接板405、第一连接耳406、第二连接耳407和第一减震器408；所述固定架401中间位置转动连接有转动轴402，所述转动轴402上固定连接有行进轮403；所述固定架401上转动连接有支撑架404，所述支撑架404的顶端固定连接有连接板405，所述支撑架404顶端侧壁上固定连接有第一连接耳406，所述固定架401上固定连接有第二连接耳407，所述第一连接耳406和第二连接耳407之间活动连接有第一减震器408。
所述行进驱动机构4的两个固定架401之间设置有双轴伺服电机409，所述双轴伺服电机409上固定连接有固定杆410，所述固定杆410远离双轴伺服电机409一端固定连接在固定架401侧壁上，所述双轴伺服电机409的输出轴与固定架401上的转动轴402固定连接。
所述行进转向机构6的连接板405上固定连接有转向柱601，所述转向柱601上端转动连接在安装壳体1的底面，所述连接板405上还固定连接有扇形延伸板602，所述扇形延伸板602上设置有弧形贯穿槽603，所述弧形贯穿槽603内壁上固定连接有齿块604；所述行进转向机构6还包括转向电机605，所述转向电机605上端固定连接在安装壳体1的底面，所述转向电机605的输出轴上固定连接有传动轴606，所述传动轴606底端固定连接有转向齿轮607，所述转向齿轮607与弧形贯穿槽603内的齿块604啮合连接。
所述辅助支撑机构5包括支撑弯杆501和连接块502，所述连接块502固定连接在安装壳体1的底面上，所述支撑弯杆501顶端转动连接在连接块502上，所述支撑弯杆501的底端转动安装有辅助支撑轮503，所述支撑弯杆501上还设置第二减震器504，所述第二减震器504的两端分别转动连接在安装壳体1底面和支撑弯杆501上。
本发明的针对复杂地形考古工作的三维数据采集装置，在装置的顶面上安装有多功能环境检测装置2和数据采集机构3，其中多功能环境检测装置2能够对考古现场空气质量、温湿度、有害物质含量或氧气浓度等空气质量信息进行检测，而数据采集机构3主要用于实现装置本体的三维数据采集功能；本发明提出的三维数据采集装置，优化了装置的驱动和转向方式，更加便捷、灵活，也更有利于完成复杂地形下的数据采集和记录工作；在装置的底部安装有行进驱动机构4和行进转向机构6，行进驱动机构4和行进转向机构6均进行了创新性的抗震设计，行进驱动机构4和行进转向机构6的减震器通过第一连接耳406和第二连接耳407分别固定连接在支撑架404和固定架401上，转动轴402转动连接在固定架401的中心位置处，而支撑架404和第二连接耳407位于转动轴402的两侧，使用过程中，固定架401在水平方向上呈倾斜状态，且固定架401可以绕转动轴402进行一定程度的转动，相较于市面上常见的直接垂直或者倾斜安装减震器的方式，本发明提出的设计可以起到更好的减震效果，通过对于行驶过程中一些小的震动也可以起到更好的过滤效果，更进一步的保证装置本体在进行三维数据采集时的稳定性，除此之外，本发明的行进转向机构6设置在装置本体的后部，采用独立转向轮的设计，保证了装置本体行进时转向的灵活性，使用过程中，通过转向电机605和传动轴606带动齿轮转动，齿轮与扇形延伸板602上的齿块604啮合连接，进而可以带动行进转向机构6进行转向工作；采用上述设计，在保证机动性和通过性的同时，进一步提高了装置本体的灵活性，能够更好的保证其在复杂地形中行进；更进一步的，本发明还在行进转向机构6两侧安装了辅助支撑机构5，更好的保证了装置本体的稳定性，同时行进驱动机构4、行进转向机构6和辅助支撑机构5均进行了创新性的抗震设计，更好的保证了装置本体行进时的稳定性和抗震性；综上所述，利用上述设计，有效解决了针对人工无法或者不便进入的复杂地形，文物、遗址数据采集和数字记录工作难度较大的问题。

Claims (3)

1.一种针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将可移动的三维数据采集装置移动到考古人员不易或者不便到达进行勘察记录工作的复杂地面环境入口处，通过地面控制装置控制三维数据采集装置进入到考古现场中；
S2、通过三维数据采集装置的红外摄像装置对行进路径进行观察，控制三维数据采集装置移动至考古现场中适当位置；
S3、利用三维数据采集装置的三维激光扫描仪，结合LiDAR系统，采集考古现场的激光点云数据；
S4、三维数据采集装置将步骤S3中所得激光点云数据传输至地面控制端，按照特征点对其进行粗配准，将相邻站点云数据粗配准到一起；
S5、数据经过粗配准后，再采用ICP算法通过点对进行反复迭代精配准，然后输出同一基准配准后的点云数据；ICP算法通过点对进行反复迭代配准，使得对应点对逐渐逼近，使得目标函数收敛；剔除错误点后，对源点云P中点集｛Pi｝和目标点云Q中对应点集｛Qi｝，利用四元数法计算转换矩阵，将转换矩阵应用于源点云，实现一次转换；
S6、对步骤S5中输出的数据进行去噪处理，采用K-D树搜索最近领域点进行去躁，同时 对难以区分的噪声点采用人机交互形式进行去噪；采用K-D树搜索最近领域点进行去噪，具 体为：在K-D树中搜索点Pi的最近领域，通过深度优先检索，从根开始，直到找到叶节点Pj为 止；同时记录访问路径，首先计算Pi和Pj之间的欧氏距离
Figure 239697DEST_PATH_IMAGE001
，Pi的三维空间坐标为
Figure 937263DEST_PATH_IMAGE002
，Pj的三维空间坐标为
Figure 44896DEST_PATH_IMAGE003
，其计算公式为：
Figure 971264DEST_PATH_IMAGE004
通过查询记录的路径，如果点Pz与Pi之间的距离小于Dist，则当前点是最邻近点，并更新最短距离Dist；设dpz是Pz与当前分类的曲面之间的距离，判断Dist和dpz之间的关系；如果Dist＞dpz，则在其他子空间中有一个更邻近点Pi，这时转动父节点树的另一个子节点，通过深度搜索来查找最邻近点；否则，继续往回搜索，父节点的另一个子节点将不考虑，直到全部路径搜索结束，则搜索完成，得到最邻近点；
采用相同的方法找到Pi的K个最邻近点，构成K个最邻近点Nbhd（Pi），计算出Pi与每个点的领域之间的平均距离Dmean（Pi），其计算公式为：
Figure 801948DEST_PATH_IMAGE005
如果平均距离超过设定的阈值
Figure 155569DEST_PATH_IMAGE006
，则判断该点为噪声点，相反为保留的目标点；
S7、采用等密度法和包围网格法对步骤S6中所得数据进行精简处理；精简处理，其处理方法为：
首先建立一个子方格，并在子方格内计算Pi到方格中心的距离di，设o（x0，y0，z0）为一个方格的中心点，wi（xi，yi，zi）和wj（xj，yj，zj）是其对角线上的两个定点，那么得出：
Figure 953761DEST_PATH_IMAGE007
即
Figure 683819DEST_PATH_IMAGE008
，方格内任意一点
Figure 133124DEST_PATH_IMAGE009
到o点的距 离di如下式：
Figure 657646DEST_PATH_IMAGE011
然后求得di，保留di=dmin的点，删除方格内其他的点，然后遍历所有点云，实现点云精简；
S8、通过步骤S7中精简后的数据分析得出所勘探位置的点云特征，结合点云特征，采用多分辨率三维重建方法进行三维建模；
S9、重复步骤S1-S8，对其他考古现场中其他位置的三维数据进行采集；完成采集后，控制三维数据采集装置驶回出发点，结束三维数据采集工作。
2.根据权利要求1所述的针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法，其特征在于：所述步骤S3中利用三维激光扫描仪所获取的点云数据坐标为独立坐标系，三维激光扫描仪所在位置的扫描中心为坐标原点，X坐标为横坐标，Y坐标在横向扫描面上且与X轴垂直，Z坐标在竖直方向上，其扫描点D计算公式如下：
Figure 739872DEST_PATH_IMAGE012
Figure 758775DEST_PATH_IMAGE013
其中，c为激光在大气中的传播速度，
Figure 547739DEST_PATH_IMAGE014
为激光到测量目标点的往返时间，A为横向扫 描角度观测值，B为纵向扫描角度观测值。
3.一种如权利要求1所述的针对复杂地形考古工作的三维数据采集方法中应用的三维数据采集装置，其特征在于：包括安装壳体（1）、多功能环境检测装置（2）、数据采集机构（3）、行进驱动机构（4）、辅助支撑机构（5）和行进转向机构（6）；所述安装壳体（1）内部固定安装有LiDAR系统、动力电源、控制器以及信号传输装置；所述安装壳体（1）上表面前端固定连接有多功能环境检测装置（2），所述多功能环境检测装置（2）内部集成安装有空气质量检测模块，所述安装壳体（1）上表面后部固定安装有数据采集机构（3）；所述安装壳体（1）的底面前端安装有行进驱动机构（4），所述安装壳体（1）的底面后端安装有行进转向机构（6），所述行进转向机构（6）的两侧安装有辅助支撑机构（5）；
所述数据采集机构（3）包括电动伸缩杆（301）、电动旋转杆（303）和采集单元（304），所述电动伸缩杆（301）底端固定连接在安装壳体（1）上表面，所述电动伸缩杆（301）的顶端固定连接有安装板（302），所述安装板（302）上部固定安装有电动旋转杆（303），所述电动旋转杆（303）的顶端固定有采集单元（304），所述采集单元（304）包括高清红外摄像装置和三维激光扫描仪，所述采集单元（304）的顶面上还固定连接有辅助照明灯（305）；
所述行进驱动机构（4）和行进转向机构（6）均包括固定架（401）、转动轴（402）、行进轮（403）、支撑架（404）、连接板（405）、第一连接耳（406）、第二连接耳（407）和第一减震器（408）；所述固定架（401）中间位置转动连接有转动轴（402），所述转动轴（402）上固定连接有行进轮（403）；所述固定架（401）上转动连接有支撑架（404），所述支撑架（404）的顶端固定连接有连接板（405），所述支撑架（404）顶端侧壁上固定连接有第一连接耳（406），所述固定架（401）上固定连接有第二连接耳（407），所述第一连接耳（406）和第二连接耳（407）之间活动连接有第一减震器（408）；
所述行进驱动机构（4）的两个固定架（401）之间设置有双轴伺服电机（409），所述双轴伺服电机（409）上固定连接有固定杆（410），所述固定杆（410）远离双轴伺服电机（409）一端固定连接在固定架（401）侧壁上，所述双轴伺服电机（409）的输出轴与固定架（401）上的转动轴（402）固定连接；所述行进转向机构（6）的连接板（405）上固定连接有转向柱（601），所述转向柱（601）上端转动连接在安装壳体（1）的底面，所述连接板（405）上还固定连接有扇形延伸板（602），所述扇形延伸板（602）上设置有弧形贯穿槽（603），所述弧形贯穿槽（603）内壁上固定连接有齿块（604），所述行进转向机构（6）还包括转向电机（605），所述转向电机（605）上端固定连接在安装壳体（1）的底面，所述转向电机（605）的输出轴上固定连接有传动轴（606），所述传动轴（606）底端固定连接有转向齿轮（607），所述转向齿轮（607）与弧形贯穿槽（603）内的齿块（604）啮合连接；
所述辅助支撑机构（5）包括支撑弯杆（501）和连接块（502），所述连接块（502）固定连接在安装壳体（1）的底面上，所述支撑弯杆（501）顶端转动连接在连接块（502）上，所述支撑弯杆（501）的底端转动安装有辅助支撑轮（503），所述支撑弯杆（501）上还设置第二减震器（504），所述第二减震器（504）的两端分别转动连接在安装壳体（1）底面和支撑弯杆（501）上。
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