基于三維激光掃描技術(shù)的建筑精細(xì)模型制作

范香香

摘要：三維激光測(cè)量技術(shù)是如今發(fā)展速度非常快的一項(xiàng)新興產(chǎn)業(yè)，可謂“繼GPS技術(shù)之后的又一項(xiàng)具有影響力的創(chuàng)新技術(shù)”。采用該技術(shù)可直接對(duì)實(shí)體進(jìn)行空間幾何數(shù)據(jù)信息的獲取，以自身高效率、高精度、無接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)在建筑工程各個(gè)環(huán)節(jié)中起著不可忽視的作用。在建筑精細(xì)模型制作中也是如此，因此本文從三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)入手，著重分析三維激光掃描技術(shù)在建筑精細(xì)模型制作中的應(yīng)用，希望可以借此給相關(guān)的研究提供一定的參考意見。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描；建筑物模型；制作

1 三維激光掃描技術(shù)的特點(diǎn)

三維激光掃描技術(shù)，具有精度高、速度快、分辨率高、非接觸式、兼容性好等優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為“測(cè)繪領(lǐng)域繼GPS技術(shù)之后的又一次技術(shù)革命”。通過與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)，如全站儀、近景攝影測(cè)量、航空攝影測(cè)量等類比分析，主要有以下特點(diǎn)：

（1）非接觸式。三維激光打3描技術(shù)采用非接觸式高速激光測(cè)量方式，不需反射棱鏡，直接對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行3描，采集目標(biāo)體表面點(diǎn)的維坐標(biāo)信息。在目標(biāo)危險(xiǎn)、環(huán)境惡劣、人員無法到達(dá)的情況下，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)無法完成，此時(shí)三維激光掃描技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）數(shù)字化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)。三維激光1描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號(hào)，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示，而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機(jī)，GPS配合使用，拓寬其應(yīng)用范圍，具有較好的擴(kuò)展性。

（3）高分辨率。三維激光3描技術(shù)可以進(jìn)行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達(dá)到高分辨率的目的。

（4）應(yīng)用廣泛、適應(yīng)性強(qiáng)。由于其良好的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)使用條件要求不高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，適合野外測(cè)量，故在工程建設(shè)各領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

2 建筑中采用三維激光掃描技術(shù)的問題與優(yōu)越性

2.1存在的問題

三維激光掃描技術(shù)雖然作為測(cè)繪行業(yè)的前沿技術(shù)，但是在國內(nèi)的應(yīng)用和研究還是處于初級(jí)階段，所以還存在的諸多的問題：

（1）三維激光測(cè)量技術(shù)在建筑工程中應(yīng)用的先例不多，未能更有力的推動(dòng)該技術(shù)應(yīng)用于建筑行業(yè)。

（2）三維激光掃描儀屬于高精密測(cè)量?jī)x器，故價(jià)格相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)繪儀器會(huì)更高，建筑工程領(lǐng)域難以脫離固有的工作模式，告別應(yīng)用價(jià)格更低的傳統(tǒng)測(cè)繪儀器。能被建筑工程行業(yè)所接受的相位式掃描儀價(jià)格大多數(shù)在50萬以上，雖國產(chǎn)價(jià)格普遍較低，但儀器性能方面還未達(dá)到工程要求的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）建筑工程測(cè)量運(yùn)用新的測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，需要投入大量資金與人才方面的培養(yǎng)，大多數(shù)都是抱著一種觀望的態(tài)度。培養(yǎng)一個(gè)技術(shù)人員，從購置掃描儀到硬件操作學(xué)習(xí)再到軟件操作學(xué)習(xí)，還考驗(yàn)著技術(shù)人員能否充分利用技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的工程項(xiàng)目中。

2.2建筑中采用三維激光掃描技術(shù)的問題與優(yōu)越性

（1）從技術(shù)規(guī)范上分析，隨著三維激光測(cè)量技術(shù)在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用，技術(shù)規(guī)程方面的標(biāo)準(zhǔn)也是一直受很多學(xué)者和專家的探討與關(guān)注，工程上應(yīng)用的技術(shù)規(guī)程已經(jīng)有了一個(gè)具體標(biāo)準(zhǔn)。2015年，北京市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院依據(jù)GB/T 1.1-2009起草了地面三維激光掃描作業(yè)技術(shù)規(guī)程。

（2）從精度方面分析，三維激光掃描儀軟硬件的改進(jìn)完善使得掃描儀的精度更高，作業(yè)效率也隨之變高，成果更具有可靠性。三維激光測(cè)量技術(shù)高精度、高效率、全方位、無接觸測(cè)量等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)足以應(yīng)用于精細(xì)的建筑工程中各個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)量。

（3）從未來發(fā)展上分析，數(shù)據(jù)處理軟件功能集成化口益完善，工程項(xiàng)目中數(shù)據(jù)處理的工作量也隨之減小不少，精度方面也更加的精密。隨著三維激光測(cè)量技術(shù)的普及，武漢大學(xué)、上海同濟(jì)大學(xué)、廈門大學(xué)、廈門理工學(xué)院等各個(gè)高校對(duì)于新技術(shù)的接受，促進(jìn)了相關(guān)技術(shù)人才方面的培育。

3 三維激光掃描技術(shù)在建筑精細(xì)模型制作中的應(yīng)用

3.1古建筑的三維建模過程

在建筑物建模的時(shí)候，建筑物內(nèi)部、屋頂、屋檐的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的，則建筑物可以被切割成不同的部分進(jìn)行建模。所以，復(fù)雜建筑物的三維建?？梢詮木植康秸w進(jìn)行簡(jiǎn)化，不僅可以減少建模的難度，同時(shí)可以通過小塊顯示增加仿真效率。第一步，提取出該建筑的前、側(cè)部分的二維輪廓線，并利用實(shí)體拉伸來確定墻的規(guī)則實(shí)體模型；第二步，利用線劃圖提取出屋頂?shù)牟灰?guī)則曲線模型，構(gòu)建出實(shí)體模型中的一半，另一半則使用鏡像功能進(jìn)行建模；第三步，利用特征曲面與特征線來構(gòu)建建筑物內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)，再使用掃描、旋轉(zhuǎn)、平移等功能建立模型；最后，利用三角網(wǎng)模型的精度損失少、能有效還原原始物樣的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)建筑物邊沿的雕塑進(jìn)行擬合、構(gòu)建。

3.2二維線劃圖制作及建筑面積統(tǒng)計(jì)

在軟件中通過勾勒具有建筑形狀的點(diǎn)云信息，能夠獲得建筑輪廓圖，即目標(biāo)建筑物的二維線劃圖信息。采用具有的分層切片技術(shù)對(duì)二維線劃圖的軟件，第一步是給定會(huì)址建筑的UCS坐標(biāo)，與此同時(shí)，需要利用軟件給定X， Y，Z三個(gè)方向。第二步即對(duì)點(diǎn)云模型的正、側(cè)、俯視圖進(jìn)行切片，然后使用軟件對(duì)各個(gè)視圖的點(diǎn)云模型進(jìn)行勾勒。由于在對(duì)噪點(diǎn)的去除過程中，會(huì)在目標(biāo)建筑物上遺留下點(diǎn)云信息的空洞，這會(huì)影響后期的建筑模型構(gòu)建。則要利用軟件的分層切片技術(shù)對(duì)有空洞的點(diǎn)云信息部分進(jìn)行曲線擬合，同時(shí)勾勒出其空洞部分對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)及曲線，從而使得空洞部分點(diǎn)云得到補(bǔ)全，使其不影響建筑物的完整性。當(dāng)遇到建筑物的部分位置及其復(fù)雜時(shí)，所勾勒的線劃圖并不能完整的表述其結(jié)構(gòu)形態(tài)，便要使用現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片進(jìn)行輔助分析獲取。

3.3三維實(shí)體建模及紋理映射

通過對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行勾畫得到完整的線劃圖后，接下來便是利用軟件進(jìn)行建筑物的實(shí)體三維建模?？山Y(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型，從局部到整體，使用拉伸命令對(duì)輪廓線進(jìn)行真實(shí)體模型的拉伸。再結(jié)合點(diǎn)云位置與實(shí)體處理模塊，從而勾勒出與目標(biāo)建筑物相一致的模型，最后再導(dǎo)出以O(shè)BJ、FBX等通用格式為主的真三維模型，為最后使用3DMAX軟件進(jìn)行紋理渲染做準(zhǔn)備。而對(duì)于一些掃描儀不能掃描到的死角，則利用現(xiàn)場(chǎng)拍攝的照片進(jìn)行信息采集，亦或是參考此建筑的建筑風(fēng)格。對(duì)真三維模型進(jìn)行紋理貼圖，想要進(jìn)行真實(shí)完美的紋理貼圖，外業(yè)照片的拍攝是至關(guān)重要的。則對(duì)于外業(yè)的拍攝，首先需要一部像素高的相機(jī)，同時(shí)需要注意照片紋理拍攝的位置及角度、以及拍照的各種因素的調(diào)整等。進(jìn)而，照片的采集需要全面且完整，對(duì)于同一特征的紋理信息的拍攝需要盡可能的在短時(shí)間內(nèi)完成，保存相同的相機(jī)參數(shù)，是保證紋理的完整性及同時(shí)性的有效方法之一。對(duì)于紋理的采集，不僅需要紋理信息的完整性，同時(shí)需要在盡量采集足夠多的細(xì)節(jié)下，采集那些只有少量雜物的紋理。再者，紋理拍攝時(shí)需要正視，在不能正視拍照的時(shí)候，則應(yīng)多方位的進(jìn)行拍攝，以獲取更多的細(xì)節(jié)。如果拍攝的紋理扭轉(zhuǎn)過大，則需要使用Photoshop等軟件對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)正，使其有正視圖的效果。最后，對(duì)屋頂、墻壁、地板等較大面積的紋理進(jìn)行信息拍攝時(shí)，要注意拍照的面積不能過小，同時(shí)對(duì)于各種紋理需要進(jìn)行編號(hào)，利于后期的紋理貼圖處理。

將得到的紋數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理軟件處理過后，即可進(jìn)行三維實(shí)體模型的紋理貼圖。紋理貼圖是增加三維模型真實(shí)感的重要過程，是三維場(chǎng)景構(gòu)建的核心環(huán)節(jié)之一。其主要步驟包括：把真三維模型導(dǎo)入3DMAX中，將其變成能編輯的多邊形，再將對(duì)應(yīng)的處理過的照片拖入到要貼圖面的材質(zhì)編輯器中，再依據(jù)屬性欄進(jìn)行屬性偏好設(shè)置，使其更貼近真實(shí)建筑物。

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（作者單位：蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）