基于地基激光雷達(dá)的建筑物三維建模

王丹陽　劉遠(yuǎn)忠　陳俊濤

摘要：三維模型是物體的三維多邊形表示，在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用于醫(yī)療、影視、建筑、地球科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的三維建模方式更多的是利用常用的建模軟件來實(shí)現(xiàn)模型重建，存在建模效率低，建模效果不穩(wěn)定等不足。由此催生了三維激光掃描技術(shù)，它能高效率、大面積、均勻的快速獲取對(duì)象的表面空間三維信息，將其保存在所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)之中。通過激光雷達(dá)獲取海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，從而更加高效的實(shí)現(xiàn)建筑物三維模型的構(gòu)建。文章闡述了地面激光雷達(dá)的工作原理，以及如何基于獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過cyclone->geomagic->sketchup的技術(shù)路線完成對(duì)點(diǎn)云的預(yù)處理，建筑物的模型重建等工作。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三維建模；特征提取

激光雷達(dá)是采用激光器作為輻射源的雷達(dá)，是將激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的新一代測(cè)繪工具。激光雷達(dá)利用其激光測(cè)距的原理，通過激光器的高速掃描，記錄被待測(cè)物表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)等相關(guān)信息，從而快速高效地實(shí)現(xiàn)待測(cè)物的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)正是由于其在建模工作上的高效性，因而在道路交通管理、文物保護(hù)、建筑規(guī)劃，和室內(nèi)裝潢設(shè)計(jì)等方面占據(jù)了越來越重要的席位。根據(jù)所搭載平臺(tái)的不通，激光雷達(dá)又分為機(jī)載激光雷達(dá)和地基激光雷達(dá)。其外型如圖1所示。

本文所論述的就是地基激光雷達(dá)在數(shù)字化城市的應(yīng)用。本文采用Leicascanstationc10激光雷達(dá)對(duì)校園的建筑物進(jìn)行模型的構(gòu)建。

一、激光雷達(dá)的建模原理

（一）激光雷達(dá)的原理

激光雷達(dá)是一種集成了多種高新技術(shù)的新型測(cè)繪儀器，具有以下優(yōu)勢(shì)：非接觸式；精度高（毫米級(jí)/亞毫米級(jí)）；速度快（可達(dá)120萬點(diǎn)/秒）；密度大（點(diǎn)間距可達(dá)毫米級(jí)）；數(shù)據(jù)采集方式靈活，同時(shí)對(duì)環(huán)境光線、溫度都要求較低。

激光雷達(dá)通過測(cè)定激光在空氣中傳播的時(shí)間來得到與待測(cè)物上某點(diǎn)的距離。根據(jù)其對(duì)時(shí)間的測(cè)定方法的不同，激光的雷達(dá)測(cè)距原理可分為：脈沖法測(cè)距——直接測(cè)時(shí)、相位法測(cè)距——間接測(cè)時(shí)。脈沖法測(cè)距是利用雷達(dá)發(fā)出光脈沖（或電脈沖），經(jīng)物體表面反射后回到雷達(dá)，測(cè)定發(fā)送和接收脈沖的時(shí)間差△t；相位法測(cè)距是通過激光射出時(shí)和經(jīng)反射后接收時(shí)二者的相位差，從而間接地測(cè)定時(shí)間差△t。激光雷達(dá)通過時(shí)間差算被測(cè)距離S，其公式如下：

（二）技術(shù)參數(shù)

本次課題采用的是學(xué)院提供的地基激光雷達(dá)LeicaScanStationC10，測(cè)距方式為脈沖式測(cè)距，其主要的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

為了能準(zhǔn)確地表達(dá)多個(gè)點(diǎn)的空間關(guān)系，我們還需要每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，即在以激光雷達(dá)為原點(diǎn)的三維坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。其它的球坐標(biāo)——三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式如圖2所示，其中θ是掃描方向與水平面的夾角，α是點(diǎn)p（x，y，z）在水平面上的投影點(diǎn)Q與坐標(biāo)系下x軸正半軸之間所形成的夾角。

x=S cosθcosαy=S cosθsinαz=s sinθ（2）

（三）技術(shù)路線

本文將操作步驟分為數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的預(yù)處理以及建筑物模型的構(gòu)建。數(shù)據(jù)采集工具為地基激光雷達(dá)，目標(biāo)建筑物為學(xué)校的眾創(chuàng)中心3號(hào)樓。為了快速有效地進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，選擇正確合理的方式，將激光雷達(dá)在各站點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合是關(guān)鍵。常用的配準(zhǔn)方法有：標(biāo)靶法配準(zhǔn)以及導(dǎo)線法配準(zhǔn)。導(dǎo)線法配準(zhǔn)，是利用全站儀，得到各掃描站點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而達(dá)到最終的配準(zhǔn)效果；標(biāo)靶法配準(zhǔn)，是在目標(biāo)建筑物上貼好事先準(zhǔn)備的標(biāo)靶紙，使得兩站點(diǎn)之間能夠同時(shí)掃到相同的標(biāo)靶，從而利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的配準(zhǔn)。

通過對(duì)這兩種配準(zhǔn)方法的比較分析，得出：相較于導(dǎo)線法，標(biāo)靶法有著更簡(jiǎn)便的操作，以及通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的更小的誤差，更加適合本次的課題。為了提高配準(zhǔn)的精度，在兩個(gè)掃描站點(diǎn)之間要至少設(shè)置3個(gè)標(biāo)靶，并確保兩站點(diǎn)均能清晰地掃描到這些標(biāo)靶。在激光掃描完成之后，以這3個(gè)標(biāo)靶為配準(zhǔn)點(diǎn)，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化配準(zhǔn)，從而得到完整的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

二、操作步驟

（一）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集，在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描的同時(shí)，也要考慮后續(xù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)問題。為了有效和快速的構(gòu)建三維模型，選取高效的掃描方式和配準(zhǔn)方法是較為重要的。根據(jù)對(duì)建筑模型精確程度要求的不同，可選取不同的掃描精度，選取合適的精度的可降低掃描的時(shí)間、人力成本以及數(shù)據(jù)處理難度。

由于本文選取的校園建筑物小而規(guī)整，總體形狀類似于一個(gè)長方體，因此我們選擇采取手動(dòng)建模的方式，即采取標(biāo)靶法對(duì)其進(jìn)行掃描。我們將每個(gè)墻面貼上事先做好標(biāo)號(hào)的標(biāo)靶紙，將其排列成三角狀，如圖3所示。本實(shí)驗(yàn)一共使用了12個(gè)標(biāo)靶。

掃描路線的確定：因目標(biāo)建筑物較為規(guī)整，只需獲取外部數(shù)據(jù)，便在建筑物的四個(gè)對(duì)角處設(shè)立A，B，C，D四個(gè)掃描站點(diǎn)，如圖4所示。

掃描完成后，找到點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的每個(gè)標(biāo)靶，取其中心點(diǎn)，并將這些標(biāo)靶紙依次命名為事先選定的標(biāo)號(hào)，注意，同一個(gè)標(biāo)靶紙出現(xiàn)在不同站點(diǎn)的掃描結(jié)果中時(shí)，對(duì)其的命名應(yīng)該是一致的，這樣方便之后進(jìn)行的計(jì)算機(jī)自動(dòng)配準(zhǔn)工作。按上述操作步驟，依次在A、D、C、B站點(diǎn)進(jìn)行掃描，從而最終完成數(shù)據(jù)采集工作，以及同名點(diǎn)（標(biāo)靶點(diǎn)）的采集工作。

（二）數(shù)據(jù)的預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理步驟為數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、建模區(qū)域的粗提取以及數(shù)據(jù)的去噪聲處理。所利用的軟件為徠卡公司所研發(fā)的cyclone點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件。

1. 數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。經(jīng)過數(shù)據(jù)的采集之后，得到了在四個(gè)站點(diǎn)掃描到的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在需要將四個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)融合，從而得到完整的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將站點(diǎn)A與站點(diǎn)B的同名點(diǎn)導(dǎo)入cyclone軟件，利用該軟件自帶的算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩站點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。之后再利用相同的方法配將剩余的站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，之后，便得到了目標(biāo)建筑物的完整三維點(diǎn)云。

2. 建模區(qū)域的初提取。雖然激光雷達(dá)在水平方向上可以設(shè)置掃描角度，但是為了使點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加完整，我們需要將掃描區(qū)域設(shè)置得更大，這樣會(huì)掃描到建筑物周圍的地物。因此需要通過軟件刪除與該建筑物不相關(guān)的地物，只留下建筑物本身的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3. 去噪。盡管我們已經(jīng)粗略地提取了興趣區(qū)，但是仍會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的噪聲點(diǎn)殘留在建筑物周圍沒有去除。此外，空氣中的懸浮顆粒也會(huì)在一定程度下反射激光雷達(dá)發(fā)射的激光，從而在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中留下痕跡，因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的去除噪聲點(diǎn)的處理工作。利用cyclone提供的去噪工具進(jìn)行手動(dòng)去噪，從而最終得到更為純凈的建筑物數(shù)據(jù)。圖5為預(yù)處理完成后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

（三）建筑物模型的構(gòu)建

1. 數(shù)據(jù)再處理

與通常的柵格影像數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)不同，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是以坐標(biāo)形式記錄的離散分布的不規(guī)則點(diǎn)數(shù)據(jù)。因此，要用模型的形式表示建筑物的表面分布，就需要將離散的點(diǎn)連續(xù)化。因此還需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理。利用Geomagic軟件，將得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過特定算法轉(zhuǎn)換為三角網(wǎng)數(shù)據(jù)。將三角網(wǎng)進(jìn)行平整化處理之后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)對(duì)稀疏，在確保建筑物輪廓線清晰的同時(shí)縮小數(shù)據(jù)的規(guī)模。數(shù)據(jù)規(guī)模過大會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量過大，而在硬件性能有限的情況下，會(huì)使建模軟件運(yùn)行卡頓，增加建模的復(fù)雜度，從而影響建模的效率。

通過以上的處理后，得到了數(shù)據(jù)量小、噪聲少、數(shù)據(jù)格式符合的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。接下來要進(jìn)行的就是最終模型的構(gòu)建。

將Geomagic處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入SketchUp2018中，如圖6所示。將模型進(jìn)行平滑操作處理后的效果如圖7所示。

2. 特征線提取

點(diǎn)云的特征線是指在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中能夠反映出物體邊界特征的點(diǎn)所連接成的線，特征線是點(diǎn)云中表現(xiàn)物體形狀最重要的幾何特征。我們利用TSE插件，將建筑物的特征線提取出，再使用傳統(tǒng)建模方法在SketchUp中進(jìn)行建模。大大提升了從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取建筑物特征信息的效率，也解決了因數(shù)據(jù)量大，電腦配置不足而導(dǎo)致建?；蜻\(yùn)行速度低下的問題。

3. 模型的構(gòu)建和渲染

本模型的構(gòu)建在SketchUp2018中完成?；讷@得的特征線，利用軟件的推拉，復(fù)制，路徑跟隨等工具，對(duì)建筑物的墻體，大門、窗體以及其它幾何體進(jìn)行比例為1：1的三維建模工作。為了使模型更為逼真，生成更加真實(shí)貼切的三維模型效果圖。我們還可一利用激光雷達(dá)的攝像技術(shù)所拍得的照片對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖，使用V-Ray等插件對(duì)模型進(jìn)行渲染。圖8即為模型渲染完成的效果。

三、結(jié)論

本文以建立學(xué)校建筑物的三維模型為目的，通過激光雷達(dá)掃描技術(shù)較好地完成了預(yù)定的目標(biāo)，相較于全站儀的單點(diǎn)測(cè)量方式，三維激光掃描的建筑物建模技術(shù)能大大的減少建模人員的工作量，顯著提高建筑物建模的效率和模型的精確度。目前市場(chǎng)上針對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的軟件雖多，但存在各軟件之間格式不兼容，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)提供的功能較少，針對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)模較大時(shí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)算效率低下，軟件可操作性弱、沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)等問題。仍需繼續(xù)發(fā)展。

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（作者單位：電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院）