利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物室內(nèi)外一體建模方法研究

楊 林，盛業(yè)華，王 波

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210023)

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物室內(nèi)外一體建模方法研究

楊 林，盛業(yè)華，王 波

(南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210023)

面向建筑物室內(nèi)外一體精細(xì)建模，探討基于三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程中三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、拼接、配準(zhǔn)、特征提取及三維模型構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)針對室內(nèi)外一體建模目標(biāo)下點(diǎn)云外業(yè)和內(nèi)業(yè)的具體處理方法，并結(jié)合具體實(shí)例，驗(yàn)證了技術(shù)方案的可行性和有效性。

三維激光掃描；建筑物；室內(nèi)外；建模

一、引 言

數(shù)字城市是近年來的研究熱點(diǎn)。精確重建的建筑三維模型在建筑方法研究、安全監(jiān)控、建筑物修復(fù)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面具有極其重要的意義。隨著地面三維激光掃描系統(tǒng)軟硬件的不斷完善，將地面三維激光掃描系統(tǒng)應(yīng)用于建筑物三維重建方面受到極大關(guān)注，特別是在激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪、激光點(diǎn)云與數(shù)字影像的配準(zhǔn)、離散激光點(diǎn)云的構(gòu)網(wǎng)、三維模型的紋理映射等方面。目前已有研究多是對建筑物外表面進(jìn)行建模[1-2]，而缺少對建筑完整信息的表達(dá)。本文以南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院行遠(yuǎn)樓的室內(nèi)外一體建模為例，探討三維激光掃描技術(shù)在復(fù)雜建筑物三維重建中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)的三維建模、空間量測和分析等功能。

二、三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描系統(tǒng)是一套由掃描儀硬件、CCD影像采集系統(tǒng)(可選項(xiàng)，用于獲取地物紋理影像數(shù)據(jù))和軟件部分等組成的系統(tǒng)，其中最主要的組成部分是三維激光掃描儀，軟件部分包括系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件等。除此之外，三維激光掃描系統(tǒng)還可配備GPS定位系統(tǒng)、全站儀等常規(guī)測繪儀器，為后續(xù)進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)拼接提供支持。根據(jù)掃描的空間位置或系統(tǒng)運(yùn)行平臺(tái)不同[3]，可分為機(jī)載激光掃描系統(tǒng)、地面激光掃描系統(tǒng)和便攜式激光掃描系統(tǒng)。面向建筑物三維重建主要是采用地面激光掃描系統(tǒng)。

三維激光掃描儀是三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集設(shè)備，主要包括激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應(yīng)聚焦控制單元、光機(jī)點(diǎn)自動(dòng)傳感轉(zhuǎn)置等[4]。三維激光掃描儀內(nèi)部主要通過兩個(gè)同步反射鏡快速有序地旋轉(zhuǎn)，一個(gè)水平360°旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)垂直180°旋轉(zhuǎn)，兩者相互配合將激光脈沖發(fā)射器發(fā)出的激光脈沖依次掃過被測物體表面，并測量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到接收的時(shí)間差(或相位差)來計(jì)算距離，掃描控制系統(tǒng)控制和測量每個(gè)激光脈沖的水平角度與垂直角度，根據(jù)空間三角函數(shù)原理計(jì)算出激光點(diǎn)在被測場景中的三維坐標(biāo)信息。

以地面三維激光掃描系統(tǒng)為例，其工作原理是：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面反射后，幾乎沿相同的路徑反向傳回到接收器，系統(tǒng)根據(jù)往返時(shí)間差或相位差計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)與掃描儀掃描中心的距離S，控制器同時(shí)測量出每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集幾何示意圖

根據(jù)式(1)可獲得反射點(diǎn)P的坐標(biāo)

三、室內(nèi)外一體建模方法

1.數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集包括根據(jù)掃描對象和周圍環(huán)境進(jìn)行設(shè)站，站間標(biāo)靶的安置，采集參數(shù)的設(shè)置，如掃描區(qū)間(角度范圍)、分辨率，以及外業(yè)數(shù)據(jù)的掃描等。

對于室內(nèi)外一體建模的數(shù)據(jù)采集，特別要注意3個(gè)問題：①由于室內(nèi)環(huán)境下掃描距離較近，室內(nèi)部分掃描參數(shù)需要重新配置，相對室外掃描分辨率可設(shè)置低一些；②由于室內(nèi)視線近，很容易產(chǎn)生死角和盲區(qū)，因此要多設(shè)測站；③站間距離較近，因此對用于配準(zhǔn)的標(biāo)靶點(diǎn)的放置提出了更高的要求，因?yàn)闃?biāo)靶到測站的距離及標(biāo)靶間的空間分布都有一定的限制條件，此時(shí)可選用腳架作為標(biāo)靶的載體，靈活選點(diǎn)。

(2)數(shù)據(jù)濾波

上述過程采集得到的往往是包含地形、建筑物和其他地物數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)，這時(shí)需要進(jìn)行預(yù)處理，得到比較純粹的建筑物數(shù)據(jù)。此過程主要是進(jìn)行去噪濾波，即針對掃描現(xiàn)場的復(fù)雜性，去除遮擋和非建模對象掃描點(diǎn)等噪聲點(diǎn)，如地面部分、樹木、行人等。處理的方法有兩種：①對于明顯的大量噪聲點(diǎn)(如地形點(diǎn))，可通過已有的點(diǎn)云處理軟件交互完成；②對于原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤點(diǎn)和含有粗差的點(diǎn)，可通過編程實(shí)現(xiàn)剔除，包括根據(jù)激光掃描回波信號(hào)強(qiáng)度辨別，利用中值濾波、曲面擬合等方法處理，同時(shí)可提高數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化程度。

(3)點(diǎn)云與影像匹配

眾所周知，影像具有特征連續(xù)、光譜紋理信息豐富等特性，基于影像進(jìn)行特征提取有極大的優(yōu)勢，但是影像精度相比三維點(diǎn)云較差。因此，進(jìn)行點(diǎn)云與影像的匹配，實(shí)現(xiàn)三維點(diǎn)云與二維影像的空間映射，為后續(xù)利用影像特征輔助點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和精細(xì)建模提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

度量可以是因人而異的，度量單位就是把不同個(gè)體的度量方法標(biāo)準(zhǔn)化，是為了對度量的結(jié)果進(jìn)行傳播和交流的需要．因此，度量單位的制定必須能夠表達(dá)度量的本質(zhì)，方法科學(xué)、表達(dá)準(zhǔn)確、相對穩(wěn)定，能夠得到人們的廣泛共識(shí)．

要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云與影像的空間映射，首先需要確定影像上像素坐標(biāo)與三維點(diǎn)云的對應(yīng)關(guān)系，即需要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。在影像數(shù)據(jù)中，每個(gè)像素點(diǎn)空間位置的對應(yīng)關(guān)系由相機(jī)成像幾何模型參數(shù)決定。以最簡單的針孔模型為例，需要對相機(jī)成像過程中涉及的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，包括世界坐標(biāo)系到相機(jī)坐標(biāo)系、相機(jī)坐標(biāo)系到圖像坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系到像素坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過這3次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，才能將地理空間中的三維數(shù)據(jù)投影到二維平面中[5]。此類研究較多，本文此處不再贅述。

2.數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

掃描儀通過獲取表征目標(biāo)實(shí)體表面特征的密集點(diǎn)云的空間三維坐標(biāo)，為地面對象尤其是建筑物的高精度表面測繪和建模創(chuàng)造了條件。復(fù)雜地面對象表面易于產(chǎn)生掃描線遮擋，導(dǎo)致無法通過一次設(shè)站獲取完整覆蓋掃描對象表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此必須在環(huán)繞掃描對象一周的不同位置設(shè)站，采用多測站、多視角掃描方式，對掃描對象不同部位分別掃描，獲得該對象各個(gè)部位的分塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過分塊數(shù)據(jù)配準(zhǔn)才能獲得完整的掃描對象。

地面三維激光數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是地面三維激光技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，配準(zhǔn)的精度直接影響到后期成果的精度。數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是把不同視點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系下，使之成為一個(gè)整體。每一個(gè)視點(diǎn)的數(shù)據(jù)都有一個(gè)獨(dú)立的測站坐標(biāo)系，通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣和原點(diǎn)的三維平移可找出兩個(gè)測站坐標(biāo)系的關(guān)系，繼而實(shí)現(xiàn)測站間的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)?，F(xiàn)有的地面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)方法大致分為基于特征的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和迭代數(shù)據(jù)配準(zhǔn)[6]，前者通常是通過設(shè)置多對控制點(diǎn)標(biāo)靶作為特征，或在兩視點(diǎn)數(shù)據(jù)之間選取明顯的共同特征作為配準(zhǔn)特征，如同名可視平面或同名直線進(jìn)行配準(zhǔn)；后者是通過計(jì)算兩相鄰測站初始點(diǎn)集的最近距離點(diǎn)對(至少3對初始同名點(diǎn))實(shí)現(xiàn)測站間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過迭代計(jì)算得到兩視點(diǎn)配準(zhǔn)的最佳矩陣。目前利用特征配準(zhǔn)的方法，特別是利用控制點(diǎn)配準(zhǔn)的方法，其數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度較好、方便可靠，但需要前期外業(yè)布控。由于特征不足、特征不夠清晰也會(huì)造成配準(zhǔn)失敗，因此，需要多種配準(zhǔn)方法配合使用，甚至要對現(xiàn)有的配準(zhǔn)方法加以改進(jìn)才能使配準(zhǔn)效果達(dá)到最好，如基于測量平差理論的自動(dòng)拼接方法[7-8]。

3.室內(nèi)外一體建模

模型是對實(shí)體對象的抽象表示，對建筑物進(jìn)行三維建模，才能對其進(jìn)行三維真實(shí)表達(dá)，進(jìn)而才可能在計(jì)算機(jī)中對建筑物進(jìn)行仿真、模擬和分析。

(1)模型的選擇與表達(dá)

根據(jù)三維模型表示的方式不同，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建有兩種方法：一種是三維表面模型重建，主要是構(gòu)造網(wǎng)格(三角形網(wǎng)格等)逼近物體表面；另一種是幾何模型重建，常見于CAD中的輪廓模型。前者構(gòu)網(wǎng)方法簡單，適用于地形數(shù)據(jù)建模，但對于點(diǎn)云這樣的大數(shù)據(jù)量不適用；后者先把點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型，然后提取實(shí)體模型的輪廓線或特征線，生成CAD等模型，適用于建筑物等較規(guī)則實(shí)體對象的建模。面向圖形表示的幾何模型又分為點(diǎn)模型、線模型、面模型和體模型4類[9]。

(2)特征提取

基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物建模的特征提取可基于點(diǎn)云和影像的融合來進(jìn)行。圖2是對應(yīng)的技術(shù)路線圖。基于點(diǎn)云的特征提取方法有基于激光回波信號(hào)強(qiáng)度、曲率、梯度、距離等[10]?；谟跋裉卣魈崛〉姆椒ㄑ芯枯^多，目前常用的特征提取算法如離散余弦變換、小波變換、Gabor濾波器組、共生矩陣、灰度直方圖等[11]，本文不再贅述。

圖2 基于點(diǎn)云與影像融合的特征提取技術(shù)路線圖

在分別獲取點(diǎn)云和影像特征的基礎(chǔ)上，利用點(diǎn)云和影像間的空間映射模型，將二維影像特征投影到三維空間，并作為初始特征，輔助點(diǎn)云進(jìn)行更精細(xì)的特征優(yōu)化。

實(shí)際特征提取的過程中，由于點(diǎn)云分辨率的空間分異性、材質(zhì)的反射差異、影像拍攝角度、光照陰影、建筑物表面非幾何特征(如裝飾線條)的干擾，非地物目標(biāo)的遮擋等原因，導(dǎo)致初步特征提取的結(jié)果往往不能滿足建模的要求，需要進(jìn)行特征處理，如細(xì)節(jié)修補(bǔ)、錯(cuò)誤特征的刪除等。最后，確定特征單元的鄰接關(guān)系，以確定建筑物表面總的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為后續(xù)的物理建模提供基礎(chǔ)。

(3)室內(nèi)外一體建模

在不同的幾何模型表達(dá)方法中，線框模型方法原理簡單，應(yīng)用比較廣泛。線框是相鄰表面或物體外形的交線，通過找出點(diǎn)云中共面的點(diǎn)，然后把這些點(diǎn)擬合成面，最后利用相鄰的面拓展相交，即可求出面與面的交線，構(gòu)造出物體的三維線框模型；或提取點(diǎn)云中位于輪廓線上的掃描點(diǎn)，然后把這些點(diǎn)擬合成輪廓線，構(gòu)造出物體的輪廓線框模型。這種方法適合用于建筑物中平面較多的情況，能快速地?cái)M合出恰當(dāng)?shù)钠矫妗?/p>

值得注意的是，室內(nèi)建模部分由于近距離掃描，樓內(nèi)拐角較多，很容易出現(xiàn)部件掃描不全或完全漏掃的情況。解決方法一種是加密掃描站，另外一種是利用建筑部件空間結(jié)構(gòu)特征與空間關(guān)系進(jìn)行擬合，如可以通過兩相交平面空間延伸交會(huì)擬合漏掃的拐角，通過墻面夾角擬合被遮擋的其他墻面等。這種處理方法在一些通用的點(diǎn)云處理軟件中都有。

四、應(yīng)用實(shí)例

本研究中采用FARO Focus3D 120三維激光掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，其三維激光掃描儀精度較高，最高分辨率在10 m處點(diǎn)間距0.9 mm，25 m處達(dá)到2 mm，測速快、穩(wěn)定性好，掃描速度可達(dá)到近100萬點(diǎn)/s，完成全景(水平360°)的最高精度掃描只需要10 min左右，而且外形輕巧，操作方便。外接相機(jī)經(jīng)過高精度標(biāo)定，能夠滿足應(yīng)用要求。

本文以南京師范大學(xué)行遠(yuǎn)樓為例(如圖3所示)，進(jìn)行室內(nèi)外一體化建模試驗(yàn)。利用FARO三維掃描儀對該樓外立面、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及420會(huì)議室、421實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集、建模試驗(yàn)。共采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)18站(包括外圍9站，天井與室內(nèi)部分共9站)，測站空間分布如圖4所示，數(shù)據(jù)配準(zhǔn)后點(diǎn)云數(shù)據(jù)量接近3億。

圖3 原始影像

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集測站分布圖

配準(zhǔn)采用標(biāo)靶球?yàn)檫B接特征點(diǎn)，輔助以同名面特征進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。整個(gè)建筑配準(zhǔn)后的點(diǎn)云如圖5所示，其中從天井俯視的室內(nèi)細(xì)節(jié)如圖6所示。

本文采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)進(jìn)行三維建模。首先實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云和影像特征的提取與融合，對海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行抽稀，然后選擇線框模型進(jìn)行模型表達(dá)。利用PointCloud軟件和AutoCAD軟件平臺(tái)對模型進(jìn)行三維模型構(gòu)建和可視化的后處理工作。試驗(yàn)對行遠(yuǎn)樓每個(gè)樓層、窗戶等進(jìn)行精細(xì)建模，建模結(jié)果如圖7所示。

圖5 點(diǎn)云配準(zhǔn)圖

圖6 室內(nèi)(天井)點(diǎn)云俯視圖

圖7 地科院建模結(jié)果(無紋理)

五、結(jié)束語

基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物室內(nèi)外一體精細(xì)建模方法適合于大多數(shù)的城市建筑，簡單高效，可大量節(jié)省數(shù)據(jù)處理時(shí)間，為城市三維建模等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但是也存在兩個(gè)問題：①線框模型方法只適合于擬合平面，對于復(fù)雜不規(guī)則建筑曲面難以擬合，從而無法得到理想的效果，需要單獨(dú)處理；②點(diǎn)云數(shù)據(jù)量太大，普通PC機(jī)無法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如點(diǎn)云查看、刪減、拼接等，這些操作需在圖形工作站上完成，而且速度較慢，因此如何對點(diǎn)云建立索引結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在非工作站完成大量點(diǎn)云的操作建模，也是需要研究的問題。

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3D Reconstruction for Indoor-outdoor Architecture Based on 3D Laser Scanning

YANG Lin，SHENG Yehua，WANG Bo

P237

B

0494-0911(2014)07-0027-04

2013-03-22

國家自然科學(xué)基金(41101377)；江蘇省測繪科研項(xiàng)目(JSCHKY201111)

楊 林(1976—)，女，湖北武漢人，博士，副教授，從事數(shù)字?jǐn)z影測量和GIS方面的研究。

楊林，盛業(yè)華，王波.利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物室內(nèi)外一體建模方法研究[J].測繪通報(bào)，2014(7)：27-30.

10.13474/j. cnki.11-2246.2014.0218