基于激光掃描技術(shù)的室內(nèi)外三維場(chǎng)景構(gòu)建方法

靳亞杰，吳文壇

(河北省測(cè)繪資料檔案館，河北 石家莊 050031)

1 引 言

隨著健身房、寫字樓、商場(chǎng)等集中化的大規(guī)?；顒?dòng)場(chǎng)所的建立，足不出戶的現(xiàn)象日益普遍，基于二維地圖的室內(nèi)外導(dǎo)航與定位服務(wù)已不能完全滿足社會(huì)各行業(yè)各領(lǐng)域的需求，人們不再滿足于單方面的位置信息，更關(guān)心所處位置具體環(huán)境做出更佳的選擇[1]。例如消防隊(duì)員在陌生的商場(chǎng)救援時(shí)，不僅迫切地想確定著火的位置，更需要了解救援途中消防通道的建筑結(jié)構(gòu)、走哪條路線能更快到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)等情況，這就對(duì)具備導(dǎo)航定位功能的可量測(cè)室內(nèi)外一體化高精度三維場(chǎng)景地圖的制作提出了更高的要求。

室內(nèi)定位技術(shù)的方法有多種，包括藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)、熱紅外、偽衛(wèi)星、地磁等[2]，許多研究機(jī)構(gòu)、公司和大學(xué)利用這些技術(shù)開展了大量的研究工作，并開發(fā)了相應(yīng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，然而這些工作都是基于二維地圖展開的，并且存在抗干擾性差、依賴環(huán)境、前期投資成本高等問題[3]，難以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。在三維場(chǎng)景構(gòu)建方面，林選妙[4]和趙春林[5]盡管利用360°全景技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了可視化、可交互性的漓江流域生態(tài)旅游資源展示系統(tǒng)與三維變電站，但這些電子地圖沒有將位置信息引入系統(tǒng)中，未能從真正意義上實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的導(dǎo)航定位功能。

本文以河北野三坡服務(wù)區(qū)主樓為例，探討性提出一種面向室內(nèi)外定位的三維場(chǎng)景構(gòu)建方法。首先對(duì)具有真實(shí)地理坐標(biāo)的室內(nèi)外一體化三維場(chǎng)景點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集與處理方法進(jìn)行介紹，其次通過得到的厘米級(jí)的點(diǎn)云信息，利用3DMax軟件進(jìn)行點(diǎn)云的精細(xì)建模；最后融合現(xiàn)有DOM、DEM數(shù)據(jù)，制作室內(nèi)外一體化三維地形場(chǎng)景地圖，并通過Skyline軟件對(duì)其進(jìn)行還原展示，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)景到模型的等比例同位置的仿真還原。

2 三維場(chǎng)景的數(shù)據(jù)采集與處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

河北野三坡服務(wù)區(qū)的數(shù)據(jù)采集主要包括三個(gè)方面：①主樓室內(nèi)外的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，②主樓室內(nèi)外控制點(diǎn)的坐標(biāo)，③主樓室內(nèi)外紋理特征。

(1)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

采用Z+F 5010x地面式三維激光掃描儀對(duì)野三坡服務(wù)區(qū)主樓一二層室內(nèi)外、樓梯、走廊進(jìn)行了三維掃描，共經(jīng)歷一天半時(shí)間，架設(shè)40站，鋪設(shè)粘貼標(biāo)靶紙70多張，采用標(biāo)靶球6個(gè)。在采集過程中，掃描儀的采集質(zhì)量設(shè)成Normal，分辨率設(shè)成High，測(cè)站位置距離外墻不超過 20 m并且保證掃描儀的發(fā)射激光與標(biāo)靶紙的入射夾角小于45°。標(biāo)靶紙和標(biāo)靶球的布設(shè)需滿足不在同一直線同一高度上。

(2)坐標(biāo)控制網(wǎng)建立與測(cè)量

坐標(biāo)控制網(wǎng)的建立與測(cè)量是整個(gè)三維地圖的基準(zhǔn)，控制點(diǎn)主要用于后期點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將測(cè)站坐標(biāo)系下的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到真實(shí)地理坐標(biāo)系(CGCS2000)。本次控制點(diǎn)選擇兼顧GNSS一般選點(diǎn)要求和后期室內(nèi)點(diǎn)云精度驗(yàn)證的全站儀觀測(cè)通視要求，共選取5個(gè)GNSS控制點(diǎn)(如圖1所示)，參照C級(jí)GNSS觀測(cè)要求進(jìn)行邊連式同步觀測(cè)，并與河北CORS周邊基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合解算，經(jīng)高斯投影后得到控制點(diǎn)在CGCS2000坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)和高程。點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)在控制點(diǎn)上粘貼標(biāo)靶紙并進(jìn)行掃描，獲取控制點(diǎn)在掃描坐標(biāo)系下的相對(duì)坐標(biāo)，需要注意標(biāo)靶紙的十字中心和控制點(diǎn)的中心絕對(duì)吻合，如圖2所示。

圖1 控制點(diǎn)分布圖

圖2 標(biāo)靶與控制點(diǎn)重合觀測(cè)示意圖

(3)紋理拍照

用數(shù)碼相機(jī)對(duì)建筑物的內(nèi)外墻、地板、屋頂、樓梯、水泥地等處局部細(xì)節(jié)和整體外觀進(jìn)行拍照，并分別編號(hào)加以區(qū)分，保存在不同的文件夾下供后期精細(xì)建模使用，命名格式舉例為“1#樓-外墻-貼磚”。拍照時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的天氣狀況對(duì)相機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整保證照片與實(shí)物的色差基本為0。

2.2 數(shù)據(jù)處理

利用隨機(jī)軟件Z+F LaserControl對(duì)外業(yè)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、去噪、著色和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接是將不同視角下的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)形成整體點(diǎn)云，完整表現(xiàn)主樓的空間形狀，各站間采用公共特征點(diǎn)和標(biāo)靶紙/球作為拼接的已知條件，計(jì)算拼接精度，通過查看拼接報(bào)告(如圖3所示)來檢查配準(zhǔn)是否合理。

三維激光掃描獲得的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地存在許多冗余點(diǎn)和噪聲點(diǎn)[6]。噪聲來源多種多樣，比如超出掃描設(shè)定范圍的孤立點(diǎn)；不屬于建筑物本身的冗余點(diǎn)；玻璃鏡面反射光束造成的混雜點(diǎn)；掃描過程中物體隨掃描鏡頭移動(dòng)造成的漂移點(diǎn)等。

利用隨機(jī)軟件的蒙版和過濾工具對(duì)上述噪聲進(jìn)行剔除后生成的是黑白相間的點(diǎn)云(如圖4所示)，不能真實(shí)地反映建筑物的色彩信息，不利于后期的屬性添加，應(yīng)對(duì)黑白點(diǎn)云進(jìn)行一鍵式著色處理得到帶有RGB和反射強(qiáng)度信息的彩色點(diǎn)云(如圖5所示)。同時(shí)將2.1.2中控制點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入軟件，通過拼接模塊將彩色點(diǎn)云從測(cè)站相對(duì)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到真實(shí)地理坐標(biāo)系，得到在CGCS2000坐標(biāo)系下的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(.las格式)。在隨機(jī)軟件中，還可根據(jù)實(shí)際需要將數(shù)據(jù)以不同格式(如pts、asc、ply)、不同比例進(jìn)行抽樣輸出供其他平臺(tái)使用。

圖3 點(diǎn)云拼接報(bào)告

圖4 主樓未染色前點(diǎn)云側(cè)視圖

圖5 著色后的主樓點(diǎn)云俯視圖

3 基于點(diǎn)云的3DMax精細(xì)建模

河北野三坡服務(wù)區(qū)主樓的三維實(shí)體模型重建在3ds Max 2015軟件中進(jìn)行，以點(diǎn)云為參考對(duì)建筑樓進(jìn)行幾何體的分區(qū)單體構(gòu)建，創(chuàng)建平面多邊形并賦予紋理和貼圖，然后將建好的單體模型分區(qū)組合成塊，渲染優(yōu)化后輸出。

3.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

將處理后的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)(.las格式)導(dǎo)入Autodesk Recap 2016軟件，加載完畢后框選所需建模的區(qū)域并裁剪，以.rcs格式導(dǎo)出。在3ds Max 2015軟件中通過“創(chuàng)建幾何面板”-“點(diǎn)云對(duì)像”-“PointCloud”模塊將.rcs格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入。

3.2 參照點(diǎn)云建模

參照點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建三維模型就是將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輪廓結(jié)構(gòu)、位置、大小等信息作為三維底圖進(jìn)行立體空間上的臨摹，達(dá)到模型與實(shí)物在大小、位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等屬性上的高度一致，在任一視圖任意分辨率下放大查看模型都能和點(diǎn)云完全重合[7](如圖6樓頂墻角所示)，從而避免了后期的尺寸對(duì)比，位置偏移分析等工作，從真正意義上實(shí)現(xiàn)了實(shí)物到模型的完美復(fù)制。

圖6 樓頂模型與點(diǎn)云重合

以服務(wù)區(qū)的主樓為例，在透視圖中調(diào)節(jié)顯示框，隱藏其余部位點(diǎn)云，使主樓在左視圖中只顯示主樓的最底部，利用創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)基本體命令創(chuàng)建平面四邊形，頂視圖下調(diào)整四邊形頂點(diǎn)移動(dòng)到主樓相對(duì)應(yīng)的位置，重新切換到左視圖或其他視圖，上下豎直移動(dòng)四邊形與主樓底部完全重合，再利用修改器中的拉伸，擠出、優(yōu)化附加等命令再配合移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作完成主樓模型的幾何體構(gòu)建。

3.3 紋理賦予和貼圖

紋理貼圖就是將實(shí)物的材質(zhì)信息和建筑物內(nèi)外立面上的商標(biāo)logo、文字標(biāo)志等墻面信息賦給模型，使其在視覺效果接近實(shí)物[8]。由于實(shí)際建筑各墻表面上材質(zhì)信息不同，需在不同表面賦予對(duì)應(yīng)的紋理，因此有必要在建好的模型上進(jìn)行平面的分割和創(chuàng)建多邊形等操作。

在PhotoShop里對(duì)采集到的照片進(jìn)行色澤飽和度、亮度、角度的調(diào)整處理，選取視覺效果真實(shí)自然的照片，再利用3ds Max里uvw貼圖工具進(jìn)行細(xì)微地調(diào)節(jié)，使其更貼合實(shí)際，部分區(qū)域效果如圖7所示。

圖7 紋理貼圖后的室內(nèi)模型

3.4 場(chǎng)景優(yōu)化

賦予紋理貼圖后的模型盡管和實(shí)物已經(jīng)很接近，然而個(gè)別模型表面上會(huì)存在陰影，建好的室內(nèi)外模型還會(huì)存在亮度較暗，色澤度不夠飽滿，色彩不夠鮮艷等現(xiàn)象[9]。因此需要對(duì)上述模型進(jìn)行燈光處理、VRay渲染等，同時(shí)在室內(nèi)外添加適當(dāng)數(shù)量的攝影機(jī)并調(diào)整它們的位置，以求不同角度下的室內(nèi)外模型都能符合大眾的視覺習(xí)慣，如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的三維模型場(chǎng)景

4 基于Skyline的三維場(chǎng)景展示與發(fā)布

SkylineGlobe是世界上領(lǐng)先的三維地理信息處理平臺(tái)，支持多種格式數(shù)據(jù)(如max、fbx、obj、shp、dwg、dxf、dem、dom等)，也可以同時(shí)加載這些數(shù)據(jù)并融合成可交互式操作的三維地形場(chǎng)景文件，在平臺(tái)中我們可以仿人類第一視角身臨其境地瀏覽融合后的場(chǎng)景，還可以做路徑分析與規(guī)劃，讓場(chǎng)景自動(dòng)地從起始位置漫游到終點(diǎn)，中途可以暫停查看每一位置的詳細(xì)坐標(biāo)。

將已有野三坡服務(wù)區(qū)1∶10 000比例尺下的dom和dem數(shù)據(jù)導(dǎo)入Skyline中TerraBuilder模塊，生成MPT格式的三維地形場(chǎng)景文件，并將此文件與上述經(jīng)3DMax精細(xì)化處理后的三維模型文件(.max格式)一并導(dǎo)入TerraExplorer Pro，經(jīng)位置和角度進(jìn)行微調(diào)處理后得到綜合場(chǎng)景文件，打包生成fly格式的工程文件并發(fā)布[10]，如圖9所示。

圖9 融合后野三坡三維場(chǎng)景

5 結(jié) 語

本文以野三坡服務(wù)區(qū)主樓的室內(nèi)外場(chǎng)景構(gòu)建為例，詳細(xì)地介紹了三維激光掃描中需要采集和處理的內(nèi)容、3Dmax建模過程和Skyline平臺(tái)展示與發(fā)布的操作流程，得到了CGCS2000坐標(biāo)系下厘米級(jí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和三維模型，制作了野三坡服務(wù)區(qū)三維地形場(chǎng)景地圖，還原展示了融合后的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了從實(shí)景到模型的等比例同位置的仿真還原，滿足了從地下隧道到地上廣場(chǎng)、室外到室內(nèi)、一層到二層的高精度無縫導(dǎo)航定位的需求。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本方法構(gòu)建中小范圍的建筑場(chǎng)景，作業(yè)效率高，模型精細(xì)，建立的場(chǎng)景效果逼真，精度可達(dá)厘米級(jí)。在各作業(yè)環(huán)節(jié)中還可生成各種常用的數(shù)據(jù)格式，能夠與不同的三維地理信息平臺(tái)兼容，數(shù)據(jù)可利用率高，對(duì)相關(guān)生產(chǎn)單位的作業(yè)具有一定的借鑒意義。