三维激光扫描测量技术正以日新月异的发展态势成为三维空间信息获取的一种无可替代的方式。发展至今,三维激光扫描测量技术产生了适用于不同测量目标场景的多种平台类型,主要包括近景式、地面式和移动式等,其相应的点云数据处理也成为同行业和跨领域争相研究的热点问题。“盲扫”散乱点云除去三维点坐标之外不包含其它的计算机可直接识别的信息,需要通过数据处理从中描述出感兴趣的特征,其中线特征的提取是一个重要的方面。针对三维点云数据线特征提取的相关系统性研究虽然较少,但也己取得了一定进展。但是,由于三维激光扫描测量技术获取的点云具有海量性、散乱性、类型的多样性、精度的差异性及数据的非完整性等特点,现有关于三维点云线特征提取的相关算法仍存在一定问题,主要有:(1)计算效率较低;(2)适应性不强;(3)自动化处理能力较低;(4)对处理结果未进行有效的错误控制和精度评定。因此,研究高处理效率、高自动化程度、高自适应性和高可靠性的点云线特征提取方法对于三维激光扫描点云相关应用技术的发展与推广具有重要的意义。本文首先将点云的线特征定义为内结构线段、外边界线段、纹理线段以及几何直线等四种结构类型,这四种类型线结构之间相互互补,致力于完整展示被测场景中可能存在的直线特征。本文各章节分别针对不同类型线结构的提取方法展开研究,并结合应用对线结构的语义描述能力进行验证,主要内容如下:1.作为边缘线段提取的基础,首先提出了一种自适应的点云体素化剖分与体素分层生长的平面分割方法。针对现有平面分割方法存在效率低、效果差、参数设置复杂或自动化程度低等问题,该方法采用体素信息统计的方式进行相关阈值参数的自动选定,主要包括体素剖分终止条件以及基于体素生长的共面条件的确定等,从而实现自适应于点云密度和厚度分布的八叉树体素剖分,进而依据分层统计的阈值参数采用基于体素的生长替代基于点的生长进行平面分割。实验结果表明,此方法可以较好地自适应于不同平台采集的、不同分布密度和不同数据质量的三维激光扫描点云,并且可以高效地得到较为精细的点云平面分割结果。2.针对位于平面交线区域的内结构线段,提出了一种基于体素生长的点云内结构线段高效提取方法。该方法针对现有内结构线段提取方法存在的效率低下或准确程度不足等问题,以体素为单位进行邻域判断和区域生长,实现对内结构线段分布区域的筛选与分割,进而实现对内结构线段的提取并进行精度评定。实验结果表明,该方法可以准确且高效地得到较为理想的内结构线段提取结果。3.为了获取更为全面的边缘线段,提出了一种基于点云图像化投影的边缘线段精细提取方法。针对现有较为普遍采用的基于点操作的平面边缘点提取方法存在的低效性问题,该方法采用将平面点云降维为二维图像的方式,避免基于点的邻域检索,提高边缘提取的效率;在投影分辨率的选用上依据平面体素集的局部平均点间隔实现对平面点云整体平均点间隔的准确统计,从而实现对投影图像边缘细节的保持,针对点云分布疏密差异较大易导致的线段提取错误,采用结构元素阶数依局部点密度动态设定的数学形态学运算对投影图像进行缝隙修补;在三维边缘线段的提取上,为避免盲目聚类,采用将图像逆投影线段作为参考线段的方式对边缘点集进行聚类,为减弱边缘噪声的影响,提出基于选权迭代抗差最小二乘的三维直线拟合方法实现对边缘线段的抗差提取;为对提取结果进行质量控制,提出一系列边缘线段的优化方法实现对边缘线段的模型化。实验结果表明,该方法具有较高的执行效率、较优的处理结果以及高度的自动化处理能力,适用于对大场景三维点云的高效处理,对三维点云完整边缘线段的提取具有重要的推动作用,并且其结果具有较高的后期应用价值。4.为了更为充分地获取被测场景中视觉可见的线段,提出了一种基于映射影像的点云纹理线段提取方法。针对现有基于映射影像线段提取方法存在的低可靠性等问题,该方法首先从对数据采集硬件设备安置参数的标定方面着手,致力于实现对纹理线段提取结果的质量保证,然后在纹理线段的提取上采用对纹理线段依附于支持点集进行三维拟合的方式,并依据归一化分割理论解决提取结果中存在的错误问题,实现对纹理线段提取的质量控制。实验结果表明,该方法可以有效实现对三维纹理线段提取的质量保证和质量控制,适用于包含大量前后景交叠区域且远近疏密分布不均衡的场景。5.作为视觉可见线结构提取方法的补充,提出了一种针对回转形体点云的旋转轴线自动提取方法。针对现有相关方法存在的结果不够客观、可靠性不高或适应性欠缺等问题,该方法首先提出一种参考平面自动选取的新思路,实现旋转轴线初值的获取,进而依据使旋转轴线与点云法矢的异面距离平方之和达到最小的目标函数计算初值的改正量,并通过迭代使旋转轴线的提取收敛到可靠结果。实验结果表明,该方法可以在无需人工参与的条件下达到具有高准确度和精密度的旋转轴线提取结果,为回转形体点云旋转轴线的提取提供了一种新的高可靠性解决方案。本博士课题依托于国家自然科学基金的项目支撑,致力于对多种平台获取的不同类型的三维激光扫描点云数据进行自动化处理,具体上针对不同线结构类型的提取进行系统性的研究,为三维激光扫描点云数据线特征提取的相关研究起到了重要的推动作用。