测量是信息获取的手段,是机械科学和先进制造不可或缺的重要组成部分。由于激光具有单色性、相干性好、方向性强和光速飞行等特点,同时激光扫描过程迅速,使得激光扫描技术利用深度信息实现三维重建与测量比传统方法更加精确和方便,在大尺寸物体在线快速扫描等工业测量和定位领域具有非常广泛的应用。然而,如何在不增加系统大的硬件基础上,提高大尺寸三维重建与测量系统的测量精度以及数据处理速度,成为大尺寸三维重建与测量系统研究的一个亟待解决的新课题。本文就针对以上存在的问题,基于LMS291-S05二维扫描激光雷达设计了一个三维重建与测量系统。通过搭建激光雷达的运动平台,实现LMS291-S05二维扫描激光雷达对被测物体的三维扫描。建立了激光雷达与PC电脑之间的测量数据传输接口。并对搭建的系统进行了详细的误差分析,给出了系统误差和随机误差对测量结果的影响,并推导出了消除系统误差的补偿公式。采用并改进了二维中值滤波的方法,对海量数据做了预处理,探讨了在多视角情况下,结合不同视角激光雷达采集的被测物体的三维坐标信息配准方法,提出采用三角网格重构的方法,重构被测物体的表面轮廓并通过数据融合得到完整的被测物体的模型。论文创新研究内容和取得成果主要如下:1.在分析三维扫描原理的基础上,提出了以二维扫描激光雷达为核心,结合伺服电机和运动控制卡等硬件,实现三维扫描的系统方案,保证系统实现相同功能的情况下,相对于三维扫描激光雷达,降低了系统整体成本,为系统在工程应用奠定了基础。2.通过理论分析和实验研究,详细分析与推导了所开发系统的误差传递数学模型,分析了系统主要误差影响因素:结构安装的角度误差、中心距离误差,以及激光雷达测量距离误差,推导得到了误差传递公式。给出了系统误差和随机误差对测量结果带来的影响。提出了以最小二乘法来求解系统误差的理论方法和软件数据补偿来提高测量精度的技术途径;分析了系统X、Y、Z各个方向随机误差随测距误差及电机仰角定位误差的变化与影响规律。3.借鉴了图像中值滤波的思想,结合了极值滤波算法,采用二维中值滤波,对系统采集的原始数据进行了预处理,实现了测量数据良好的去噪滤波效果。通过软件模拟与实验,表明数据处理速度及滤波效果均得到明显的提升。实验研究已经获得初步成功,设计的基于激光雷达的三维重构与测量系统能够对物体实现快速扫描、数字化重构和测量。部分研究成果已经在外高桥码头自动化无人堆场的集卡激光定位系统中得到应用。