三維激光掃描技術(shù)在建筑物重建中的應(yīng)用

張亞

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測(cè)繪工程系，陜西 渭南 714000)

三維激光掃描技術(shù)(又被稱之為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”)突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)物體表面進(jìn)行無(wú)接觸掃描，把真實(shí)世界的信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)據(jù)信息的測(cè)量方法。由于其在測(cè)量中能應(yīng)用于各種物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，且速度快、精度高、計(jì)算準(zhǔn)確，近年來(lái)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。

本文使用徠卡 ScanStation2三維激光掃描儀、尼康DTM352全站儀以及富士相機(jī)獲取數(shù)據(jù)信息。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息，探討了點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和三維建模等技術(shù)，提出了建筑物三維模型重建的方法。

1 實(shí)施方案

基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物重建技術(shù)主要是對(duì)三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列后續(xù)的處理完成的。本文首先對(duì)三維激光掃描儀的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成的建筑物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型;其次，進(jìn)行建筑物表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和預(yù)處理，主要包括數(shù)據(jù)的拼接、點(diǎn)云濾波;再次，對(duì)符合要求的點(diǎn)云進(jìn)行擬合、建模;最后，對(duì)建筑物進(jìn)行紋理渲染，獲得建筑物逼真的三維模型。

2 數(shù)據(jù)采集

針對(duì)建筑物表面的數(shù)據(jù)采集有多種方法，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)本文通過(guò)三維激光掃描儀獲取了大量的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，同時(shí)借助數(shù)碼相機(jī)獲取建筑物表面的紋理數(shù)據(jù)。具體方法如下:

原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集是通過(guò)三維激光掃描儀獲取，首先把掃描儀架設(shè)在掃描區(qū)域中的控制點(diǎn)上完成掃描儀的定向，然后在Cyclone軟件中設(shè)置掃描過(guò)程中的參數(shù)，包括分辨率、掃描的范圍和距離等，由掃描儀自動(dòng)進(jìn)行掃描，獲取建筑物表面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

紋理數(shù)據(jù)采集主要使用的數(shù)碼相機(jī)采集。建筑物表面紋理的采集要選擇變形較小的區(qū)域拍攝，要盡量避免建筑物前樹(shù)木、車輛等其他物體的遮擋，同時(shí)要在光線充足且反光最小的角度拍攝。

3 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)三維激光掃描儀獲取的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常大，且有噪聲數(shù)據(jù)存在。根據(jù)建模要求需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，才能得到后續(xù)建模過(guò)程中需要的數(shù)據(jù)。

3.1 數(shù)據(jù)去噪

數(shù)據(jù)在獲取的過(guò)程中由于受外部環(huán)境和儀器本身等多種因素的影響，常常會(huì)產(chǎn)生一些噪聲點(diǎn)，這些噪聲點(diǎn)非常容易使模型在重建過(guò)程中產(chǎn)生誤差，所以在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中必須剔除這些噪聲點(diǎn)。對(duì)于一些比較明顯的噪聲點(diǎn)(比如移動(dòng)中的車輛、路上行人及樹(shù)木等對(duì)被掃描目標(biāo)的遮掩或阻擋導(dǎo)致的外界因素使我們最終獲取的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)中包含不穩(wěn)定點(diǎn)或錯(cuò)誤點(diǎn))一般常采用肉眼判定然后直接刪除。對(duì)于那些不明顯的和由于儀器本身原因產(chǎn)生的噪聲根據(jù)激光掃描回波信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)辨別，如果回波信號(hào)的強(qiáng)度小于閾值時(shí)，則距離信號(hào)值判為無(wú)效，利用中值濾波，剔除其中的奇異點(diǎn)，然后利用曲面擬合剔除前面的遮擋物。點(diǎn)云去噪根據(jù)情況的不同做相應(yīng)的處理，主要通過(guò)手動(dòng)和軟件相結(jié)合的方式，達(dá)到對(duì)噪聲點(diǎn)去除的目的(見(jiàn)圖1)。

圖1 去噪前后的建筑物點(diǎn)云模型對(duì)比

3.2 數(shù)據(jù)拼接

對(duì)于多視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接采用基于控制點(diǎn)的拼接方式，這樣可以提高拼接精度。多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)在基于控制點(diǎn)坐標(biāo)形式拼接的時(shí)候把控制點(diǎn)坐標(biāo)以約束條件的形式添加進(jìn)去，這樣可以直接把掃描到的多個(gè)測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際需要的工程坐標(biāo)系。本文方案是通過(guò)全站儀得到精度較高控制點(diǎn)，使得基于多視點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度也相對(duì)較高，數(shù)據(jù)拼接誤差一般都在2-4mm之間(見(jiàn)圖2)。

圖2 基于控制點(diǎn)三維坐標(biāo)的多視點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

3.3 紋理數(shù)據(jù)

在紋理數(shù)據(jù)采集的時(shí)候所拍攝的照片不可能都是正視拍攝，所以照片不可避免的出現(xiàn)變形，這樣就需要對(duì)采集的照片進(jìn)行變形糾正處理。由于所用到的紋理數(shù)據(jù)大部分都是規(guī)則形狀的，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)選中所要編輯的部分，利用Photoshop中的變換工具，通過(guò)拉伸、切割等就可以將照片恢復(fù)到其規(guī)則形狀。

紋理數(shù)據(jù)的大小對(duì)三維模型數(shù)據(jù)量有著直接的影響，所以在不影響貼圖真實(shí)性的情況下調(diào)整紋理的大小，矩形貼圖的長(zhǎng)寬必須是2的偶次冪，這樣有利于軟件對(duì)紋理數(shù)據(jù)的處理，在Photoshop中我們需要將紋理數(shù)據(jù)的大小調(diào)整為2的偶次冪，根據(jù)貼圖的大小來(lái)調(diào)整紋理的大小，過(guò)大的話會(huì)影響處理的速度，過(guò)小的話在紋理映射的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)拉扯的情況而使貼圖扭曲變形。

4 三維模型重建

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型重建可以分為以下兩種方法:一種是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維表面模型的重建，主要是通過(guò)構(gòu)造網(wǎng)格也就是三角面片來(lái)逼近掃描物體的表面;一種是幾何模型的重建，常見(jiàn)的是輪廓模型或斷面輪廓。重建的重要的前提就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接匹配和濾波完成，對(duì)于三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面模型的重建，就是將統(tǒng)一坐標(biāo)系里的點(diǎn)云數(shù)據(jù)快速的生成三角面片，三角面片的間隔由用戶自己設(shè)定，間隔小生成的面片就越多，所以此時(shí)就應(yīng)該根據(jù)計(jì)算機(jī)所能處理數(shù)據(jù)的能力來(lái)設(shè)定間隔，生成的三角面片是把重復(fù)的部分變?yōu)閱螌雍鸵粋€(gè)完整的模型。［2］對(duì)于幾何模型的重建，主要是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用幾何體比如點(diǎn)、線、面體等對(duì)物體進(jìn)行擬合，如對(duì)房屋輪廓、管道、馬路等進(jìn)行幾何擬合。由于本次點(diǎn)云數(shù)據(jù)量龐大，通過(guò)構(gòu)造三角面片進(jìn)行重建的效率較低，幾何模型重建的方法相比較而言比較適用于建筑物的輪廓重建，所以本次重建模型就是利用幾何模型重建的方法根據(jù)相應(yīng)軟件進(jìn)行建模。

4.1 坐標(biāo)系調(diào)整

調(diào)整坐標(biāo)系使x、y軸和房屋的中心軸平行，這樣可以建立房屋一半的模型，利用復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、粘貼完成其余對(duì)稱部分的建模，減少工作量。另外這種情況下也可以很好的使用參考面，提高建模的效率。

4.2 數(shù)據(jù)切割

點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)數(shù)據(jù)包含點(diǎn)自身的三維數(shù)據(jù)信息，但是每個(gè)點(diǎn)之間彼此孤立，沒(méi)有明確對(duì)應(yīng)的信息。大多數(shù)點(diǎn)云分割的方法均用點(diǎn)云的一致性法矢或三角網(wǎng)格來(lái)實(shí)現(xiàn)高階微分計(jì)算或點(diǎn)云鄰域遍歷，或者通過(guò)使用諸如多叉樹(shù)等復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或者選擇耗時(shí)的迭代過(guò)程。這些方法都離不開(kāi)計(jì)算大量點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系，計(jì)算量大，分割效率低。［3］本文通過(guò)基于圖像(反射面強(qiáng)度信息)的方法，根據(jù)每個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的強(qiáng)度信息，從這些強(qiáng)度信息中分割出感興趣的且強(qiáng)度信息一致的目標(biāo)物體區(qū)域，將繁瑣的點(diǎn)云分割變?yōu)楹?jiǎn)單的圖像處理，避免了大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間的拓?fù)溆?jì)算。

4.3 分區(qū)建模

對(duì)于三維模型的重建，主要是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用幾何體比如點(diǎn)、線、面體等對(duì)物體進(jìn)行擬合，本文是利用的Cyclone軟件的建模功能。Cyclone軟件的一個(gè)強(qiáng)大的功能是利用點(diǎn)云去進(jìn)行精確計(jì)算，擬合出幾何體的形狀，通過(guò)這些幾何體來(lái)建模表現(xiàn)建筑物。本次建模是對(duì)建筑物的精細(xì)建模，在建模的過(guò)程中把切割出來(lái)的各個(gè)墻面、窗戶、臺(tái)階、房檐等分別進(jìn)行建模(見(jiàn)圖3)，分區(qū)建模是為了避免其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)的影響;通過(guò)上述處理擬合出各個(gè)面的基本形狀，但是還不足以反映建筑物的三維輪廓，還需進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行編輯，通過(guò)對(duì)各個(gè)面進(jìn)行延伸、裁剪，得到精確的建筑物三維模型(見(jiàn)圖4)。

4.4 紋理映射

把經(jīng)過(guò)前面步驟得到的三維模型，它已經(jīng)具有很好的幾何準(zhǔn)確性，但是我們?yōu)榱四軡M足可視化的需要，還原真實(shí)的三維建筑物，就需要對(duì)三維模型添加真實(shí)的紋理色彩。3ds MAX提供了一個(gè)強(qiáng)大的材質(zhì)制作平臺(tái)，依靠這個(gè)平臺(tái)可以制作出質(zhì)感高度逼真、形式千變?nèi)f化的材質(zhì)效果。首先是編輯建筑物的墻面，對(duì)墻面做切割處理，使墻面的形狀有利于后面的貼圖工作，然后把各個(gè)面歸類，如房頂、臺(tái)階、窗戶、墻面等。最后把處理好的紋理數(shù)據(jù)分別對(duì)房子的各個(gè)部分進(jìn)行紋理映射，使所建立的模型達(dá)到逼真的效果(見(jiàn)圖5)。

圖5 紋理映射后的三維模型

5 問(wèn)題與探討

三維激光掃描技術(shù)雖說(shuō)具有非接觸測(cè)量、數(shù)據(jù)采樣率高、高分辨率、高精度等特點(diǎn)，并且在三維重建中能很好的還原建筑物的真實(shí)面貌，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在很多問(wèn)題:

(1)在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平滑、去噪等方面的具體方法還需要進(jìn)一步研究。

(2)數(shù)據(jù)盲區(qū)的修補(bǔ)。在掃描過(guò)程中有些地方是沒(méi)有辦法掃描到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的，但是這部分區(qū)域數(shù)據(jù)的缺失對(duì)于后續(xù)的建模會(huì)帶來(lái)一定的影響。

(3)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)。高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能得到精確的三維模型，但是現(xiàn)在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的評(píng)價(jià)方面所做的工作非常有限，一般是基于點(diǎn)云應(yīng)用方面的研究，如果對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作出質(zhì)量評(píng)價(jià)，分析出點(diǎn)云質(zhì)量的好壞，確定采集點(diǎn)云的可利用性，對(duì)后續(xù)的研究有很大的幫助。

［1］朱光.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)探究及應(yīng)用［J］.模具工程，2009，(4):52-53.

［2］張新磊.基于地面型三維激光掃描系統(tǒng)的場(chǎng)景重建及相關(guān)應(yīng)用［D］.貴州大學(xué)碩士論文，2009，(3):38-40.

［3］劉進(jìn)，武仲科，周明全.點(diǎn)云模型分割及應(yīng)用技術(shù)綜述:［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2011.04，(4):21-24.

［4］徐源強(qiáng)，高井祥，王堅(jiān).三維激光掃描技術(shù)［J］.測(cè)繪信息與工程，2010，35(4):5-6.

［5］李鵬，張文兵，李靜.三維激光掃描測(cè)量技術(shù)［J］.科技信息，2009，(31):833-834.

［6］翟瑞芳，張劍清.基于激光掃描儀的點(diǎn)云模型的自動(dòng)拼接［J］.地理空間信息，2004，(6):37-39.

［7］王田磊，袁進(jìn)軍，王建鋒.三維激光掃描技術(shù)在建筑物三維建模可視化中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012，(9):44-47.

［8］宋宏.地面三維激光掃描測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用分析［J］.測(cè)繪技術(shù)裝備，2008，(2):40-43.

［9］張瑞菊，王晏民，李德仁.快速處理大數(shù)據(jù)量三維激光掃描數(shù)據(jù)的技術(shù)研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2006，(5):93-95.

［10］鄭德華，雷偉剛.地面三維激光影像掃描測(cè)量技術(shù)［J］.鐵路航測(cè)，2003，(2):26-28.