基于三維激光點(diǎn)云的建筑物建模

黃恒++張靈鳳++馮鋒

摘 要介紹了Cyra2500三維激光掃描儀的基本工作原理，并以某建筑物為研究對(duì)象，闡述了Cyra2500三維掃描數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理和空間云數(shù)據(jù)在AutoCAD中的建模方法。

【關(guān)鍵詞】三維激光 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 建筑物建模

三維激光掃描可以高效獲取高精度空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)?？苫邳c(diǎn)云數(shù)據(jù)快速而且客觀的建立實(shí)景可量測(cè)模型，這是軟件手工建模方法所無法實(shí)現(xiàn)的。

本文闡述了Cyrax2500三維激光掃描的基本原理和操作方法，并以某建筑為例研究基于其獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模方法。

1 基本原理

Cyrax2500內(nèi)部有兩個(gè)與旋轉(zhuǎn)軸異面且互相垂直的反光鏡和一個(gè)激光器。激光器發(fā)射的窄束激光脈沖在反光鏡作用下，沿縱向和橫向依次掃過被測(cè)區(qū)域。激光脈沖被物體漫反射后，一部分能量被三維激光掃描儀接收。測(cè)量每個(gè)激光脈沖從發(fā)出到返回儀器所經(jīng)過的時(shí)間，可以計(jì)算出儀器和物體間的距離S。

與此同時(shí)，測(cè)量每個(gè)激光脈沖與儀器固有坐標(biāo)系Z軸的夾角為α，與Y軸的夾角為β，可以由公式（1）算出被測(cè)物體表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)?？梢愿鶕?jù)掃描點(diǎn)的激光反射強(qiáng)度，給反射點(diǎn)匹配顏色。儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)如圖1所示。

2 點(diǎn)云獲取

2.1 數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)掃描對(duì)象的實(shí)際情況確定測(cè)站數(shù)、測(cè)站位置和控制標(biāo)靶的數(shù)量和位置。連接掃描儀和計(jì)算機(jī)。用Cyclone軟件創(chuàng)建工程并為目標(biāo)拍照。照片上選擇目標(biāo)區(qū)域，設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行掃描。依次完成各站掃描，最后對(duì)靶標(biāo)進(jìn)行精確掃描。

2.2 場(chǎng)景建模

包含點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云拼接、統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)、三維建模、紋理映射五個(gè)步驟。

（1）點(diǎn)云去噪：去除噪聲點(diǎn)、精簡冗余數(shù)據(jù)。

（2）點(diǎn)云拼接：一個(gè)測(cè)站的掃描只能得到物體的一個(gè)側(cè)面。將從不同視角進(jìn)行掃描得到的多個(gè)空間點(diǎn)云進(jìn)行拼接。

（3）統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)：測(cè)定控制點(diǎn)的坐標(biāo)，處理掃描數(shù)據(jù)時(shí)，各測(cè)站都需要轉(zhuǎn)換到控制點(diǎn)所在的坐標(biāo)系中。

（4）三維建模：將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD中，參照特征點(diǎn)和點(diǎn)云數(shù)據(jù)繪制線框圖，將建筑物的細(xì)部模型化。

（5）紋理映射：為得到更好的可視化效果，可以對(duì)建立的模型添加色彩，完成紋理映射。

3 應(yīng)用舉例

3.1 數(shù)據(jù)獲取

以某四層建筑物為掃描實(shí)例。在距離建筑物30m前后左右方向設(shè)站，進(jìn)行10次分景分區(qū)掃描，掃描點(diǎn)間距為2mm。各景用目標(biāo)球銜接，重疊度控制在50%。建筑物點(diǎn)云如圖2所示。

3.2 場(chǎng)景建模

進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，拼接數(shù)據(jù)、統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)、去噪。然后進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、文件分塊、CAD加載數(shù)據(jù)、編輯形成線框圖。

渲染時(shí)，利用高像素?cái)?shù)碼相機(jī)從各個(gè)角度拍攝實(shí)物的數(shù)碼相片。用繪圖工具提取材質(zhì)，在材質(zhì)對(duì)話框中新建材質(zhì)，將相應(yīng)的材質(zhì)指定給實(shí)體模型，再對(duì)實(shí)體進(jìn)行渲染。建筑物的渲染結(jié)果見圖3。

4 結(jié)論

文本基于三維激光掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和數(shù)碼相機(jī)獲取的近景影像實(shí)現(xiàn)了建筑物的三維建模。模型具有實(shí)景效果，且可量測(cè)。

后續(xù)研究可以考慮基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)獲取建筑物頂面數(shù)據(jù)，進(jìn)行激光點(diǎn)云、傾斜攝影測(cè)量、近景攝影測(cè)量的聯(lián)合建模。

參考文獻(xiàn)

[1]范海英，楊倫等.Cyra三維激光掃描系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究[J].礦山測(cè)量，2004（03）.

[2]楊新林，馮冠輝，錢建國.三維激光掃描儀點(diǎn)云數(shù)據(jù)在AutoCAD中的處理方法研究[J].山西建筑，2008（22）.

[3]張國輝.基于三維激光掃描儀的地形變化監(jiān)測(cè)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006（06）.

[4]徠卡CYRA Cyrax2500用戶手冊(cè).

[5]徠卡CYRA Cyclone用戶手冊(cè).

作者簡介

黃恒（1987-），男，遼寧省錦州市人。在讀碩士研究生。助教。研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)工程、3S技術(shù)原理與應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)。

作者單位

1.寧夏大學(xué)信息工程學(xué)院 寧夏回族自治區(qū)銀川市 750021

2.中國礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院礦業(yè)工程系 寧夏回族自治區(qū)銀川市 750021