基于激光雷達(dá)與傾斜攝影的三維建模技術(shù)探析

孫時(shí)鐘

摘要：在經(jīng)濟(jì)生活的飛速發(fā)展下，科學(xué)技術(shù)正在逐步向現(xiàn)代化發(fā)展，并被賦予了更多的生活元素，與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。在建工業(yè)，人們開始逐漸對(duì)三維數(shù)字城市的建設(shè)關(guān)注度日益增多，無形中給單位建模技術(shù)人員帶來了莫大的壓力。但隨著激光雷達(dá)與傾斜攝影技術(shù)的融入，使得三維建模技術(shù)有了突破性的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：激光雷達(dá);傾斜攝影;三維建模技術(shù);探究與分析

隨著數(shù)字化城市、智慧化都市的發(fā)展，使得人們對(duì)城市建設(shè)中的地表及地質(zhì)信息有了更高層次的需求。傳統(tǒng)意義上平面數(shù)字地圖的繪制和三維城市建模的呈現(xiàn)已經(jīng)很難適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。傳統(tǒng)方式下的三維建模技術(shù)，以簡(jiǎn)便易于操作等特征在長(zhǎng)期的發(fā)展中占據(jù)主導(dǎo)地位，但對(duì)于人工操作而言，技術(shù)工人的工作強(qiáng)度大，成效低，準(zhǔn)確度也稍顯遜色，極難適應(yīng)當(dāng)下快節(jié)奏的城市建設(shè)趨勢(shì)，因此需要對(duì)三維建模技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

1? ? 三維建模技術(shù)的概述及現(xiàn)狀分析

1.1 概述

三維建模是對(duì)物體的立體多邊形呈現(xiàn)，一般情況下是用電子計(jì)算機(jī)或是視頻設(shè)備，將物體的虛擬映像在顯示器上呈現(xiàn)，使其更形象準(zhǔn)確地展現(xiàn)在信息使用者的面前。自然界上存在的任何物體都可以用三維建模的形式呈現(xiàn)。實(shí)物的三維模型通常有專業(yè)的建模工具和軟件，將數(shù)據(jù)、網(wǎng)格、紋理進(jìn)行歸集，并生成立體的圖像信息，如圖1所示。三維建?？梢圆捎檬止せ蛴?jì)算數(shù)據(jù)推演出來，雖然其在電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中是虛擬的存在，但是在紙上的呈現(xiàn)就定義為三維模型，目前，三維建模普遍用于各行各業(yè)中涉及到三維圖形的領(lǐng)域。

三維建模在各領(lǐng)域的應(yīng)用包括：醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的器官的模型、CT核磁，影視行業(yè)的電影、電視的制作，游戲娛樂行業(yè)的游戲人物、場(chǎng)景設(shè)置，科學(xué)領(lǐng)域的化學(xué)合成物的模型，建工業(yè)建筑物的圖紙、工程設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)備整體架構(gòu)，還有地球科學(xué)的三維地質(zhì)模型，詳見表1。

三維模型本身是不具有實(shí)體表現(xiàn)的，是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)，讓其以線條勾勒出立體層次，再通過細(xì)節(jié)渲染，明暗調(diào)節(jié)，以立體圖像的方式呈現(xiàn)。在三維模型上會(huì)通過紋理進(jìn)行具體的描繪，將紋理在三維模型上的呈現(xiàn)成為映射，實(shí)際中的紋理是圖像的一種表現(xiàn)方式，通過紋理的描繪使模型的構(gòu)建顯得更加逼真，并且會(huì)將原物體上的數(shù)據(jù)及信息按比例進(jìn)行縮小，使得三維建模對(duì)原物體盡可能做到高精度還原。還會(huì)通過曲面法線結(jié)構(gòu)，進(jìn)行局部提亮，使其形成明暗變化，同時(shí)，在曲面上加上凹凸的紋理映射，提升三維模型的立體渲染。在三維建模時(shí)，通常會(huì)以視頻動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)，并通過成百上千次的修改和調(diào)整，使模型的呈現(xiàn)更加精準(zhǔn)，實(shí)用性、參考性價(jià)值更高。

三維建模技術(shù)是通過網(wǎng)格和紋理的組合實(shí)現(xiàn)的，首先通過三維立體坐標(biāo)的繪制，激光的反射強(qiáng)度呈現(xiàn)和色彩調(diào)和形成云點(diǎn)，再由云點(diǎn)做成三維模型網(wǎng)格。這些網(wǎng)格通常情況下由多邊形、凹凸點(diǎn)構(gòu)成[1]。而三維模型的紋理是物體表面的真實(shí)模擬呈現(xiàn)，復(fù)制了原物體表面的紋路和整體質(zhì)感。三維模型的紋理還是物體表象上的彩色圖案表象，又稱紋理貼畫。對(duì)紋理重新進(jìn)行排列組合，并對(duì)其形成的圖像進(jìn)行加工調(diào)整，使得紋理在網(wǎng)格上映射出圖像，最終建成使用者所需的三維模型。

三維建模的方法主要包括：3D軟件建模，實(shí)際工作中的儀器設(shè)備測(cè)量建模，利用視頻、動(dòng)畫、圖像的制作來建模。

1.2 現(xiàn)狀分析

就目前我國(guó)三維建模的實(shí)際情況而言，按照建模技術(shù)模式和呈現(xiàn)方式可分為：仿建，半仿建以及實(shí)際測(cè)量建模。但最實(shí)用的是實(shí)地測(cè)量建模，其主要是用航測(cè)的方式實(shí)施的，但由于受航空拍攝角度的限制，其所收集獲得的數(shù)據(jù)信息并不全面，可以大致上獲得空間位置數(shù)據(jù)以及頂端紋理數(shù)據(jù)，而缺少側(cè)邊曲面數(shù)據(jù)。

影像數(shù)據(jù)本身就存在技術(shù)缺陷，受空間、時(shí)間和收集方法的因素限制，使得現(xiàn)階段的三維建模存在成本高，操作強(qiáng)度大，環(huán)節(jié)復(fù)雜，以及呈現(xiàn)效果未知等發(fā)展的限制因素，阻礙了三維建模技術(shù)的進(jìn)步和提升，對(duì)其影響巨大。

2? ? 激光雷達(dá)技術(shù)的分析

激光雷達(dá)技術(shù)設(shè)備是通過激光進(jìn)行掃描、定位的測(cè)量裝置，可以通過激光實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量與定位。激光雷達(dá)技術(shù)設(shè)備由激光發(fā)射器和接收器構(gòu)成，其工作原理是通過發(fā)射器發(fā)出激光，經(jīng)由物體表面發(fā)生折射，再被接收器接收。通過激光的折射原理和反射時(shí)長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，再通過激光發(fā)射器、接收器的高度，掃描的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)三維坐標(biāo)的精準(zhǔn)測(cè)算。

就激光雷達(dá)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際應(yīng)用，大中型的激光雷達(dá)設(shè)備類似于俯視視角的光學(xué)成像系統(tǒng)，通過同步的方式收集地表、物體表面的映像，激光云著色來實(shí)現(xiàn)更完美的視覺呈現(xiàn)。激光雷達(dá)技術(shù)以其顯著的優(yōu)勢(shì)，在三維建模領(lǐng)域已逐漸嶄露頭角。

激光雷達(dá)技術(shù)的特點(diǎn)：通過精確度高、密集度高的激光點(diǎn)和云端數(shù)據(jù)，能直接映射出物體的三維成像坐標(biāo)，省去了人工和機(jī)器測(cè)算的程序環(huán)節(jié)。該技術(shù)通過智能化或是與人工結(jié)合的方式，將人體映射到地表物體的點(diǎn)，進(jìn)行云端的采集和歸置，構(gòu)建云端圖像，智能化地提取三維數(shù)據(jù)。由于激光點(diǎn)和雷達(dá)在密度上、數(shù)量上的優(yōu)勢(shì)，提高了三維數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性和獲取速率[2]。再加上激光雷達(dá)設(shè)備的超強(qiáng)穿透力，可以測(cè)量植被覆蓋下的地表概況，根據(jù)這一特點(diǎn)，激光雷達(dá)技術(shù)往往也被應(yīng)用在地形的考量、工程的勘探甚至工程測(cè)量，這就意味著激光雷達(dá)技術(shù)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)程度，已達(dá)各行業(yè)的頂尖水平，并對(duì)其具有極高的指導(dǎo)性意義。

激光雷達(dá)技術(shù)獲取的緯度坐標(biāo)，完全達(dá)到高精度影像儀器的要求，使得數(shù)字正攝影像圖的量化生產(chǎn)成為可能，無需昂貴的專業(yè)數(shù)字處理平臺(tái)加持，亦可通過遙感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的批量生產(chǎn)。因此，三維建模技術(shù)更需要激光雷達(dá)技術(shù)的加持。

3? ? 傾斜攝影的技術(shù)分析

傾斜攝影技術(shù)是近年來三維建模技術(shù)發(fā)展的時(shí)代產(chǎn)物，其與傳統(tǒng)航測(cè)技術(shù)存在質(zhì)的差別。航測(cè)只限于處置角度的拍攝，信息數(shù)據(jù)的收集不全面，而傾斜攝影技術(shù)根本不存在這方面的困惑。傾斜攝影技術(shù)屬于將多個(gè)傳感器安裝在同一個(gè)飛行設(shè)備上，在采集器工作時(shí)，可以獲取到多角度的影像數(shù)據(jù)信息，為使用者呈現(xiàn)更直觀的數(shù)據(jù)信息。

將傾斜攝影技術(shù)應(yīng)用到三維建模技術(shù)中，既利用了航空攝影大范圍、全方位成像的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，又便于獲取物體的紋理特征。在節(jié)約生產(chǎn)成本、時(shí)間成本的同時(shí)降低了技術(shù)工作的強(qiáng)度、難度，實(shí)現(xiàn)了操作的高效性。在三維建模的傾斜攝影技術(shù)實(shí)際應(yīng)用中，通常采用相關(guān)度量來表示特征之間的相似程度，度量值越大，相似度越高，其度量計(jì)算公式如下：

而如果使用SIFT算法進(jìn)行特征匹配時(shí)，把一個(gè)圖像的尺度空間L（x，y，σ），定義為原始圖像 I（x，y）與一個(gè)可變尺度的二維高斯函數(shù)G（x，y）卷積運(yùn)算，其公式如下：

4? ? 基于激光雷達(dá)與傾斜攝影的三維建模技術(shù)的發(fā)展

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，激光雷達(dá)技術(shù)與傾斜攝影技術(shù)也日漸成熟。近幾年，激光雷達(dá)技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)被廣泛應(yīng)用，尤其是在三維建模技術(shù)上，兩者都有各自的優(yōu)勢(shì)，如果能夠?qū)⒓す饫走_(dá)與傾斜攝影共同融入到三維建模技術(shù)中，既可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)三維建模技術(shù)上的缺陷，使其可以全方位、多角度地獲取數(shù)據(jù)信息，節(jié)約時(shí)間成本，提高測(cè)算工作的效力，雙技術(shù)并用，使得數(shù)據(jù)影像的獲取更加直觀。在未來的發(fā)展中，需切記堅(jiān)持技術(shù)為本，不斷發(fā)展創(chuàng)新，勇于突破自我，實(shí)現(xiàn)三維建模技術(shù)的優(yōu)化和提升[3]。

5? ? 結(jié)論

總之，時(shí)代發(fā)展，技術(shù)為先。只有在生產(chǎn)和建設(shè)的過程中，牢牢把握先進(jìn)技術(shù)，才能更好地發(fā)展。將激光雷達(dá)、傾斜攝影與三維建模技術(shù)結(jié)合，可以保障建模的成果，提高建模的質(zhì)量，促進(jìn)三維建模技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 杜永亮，呂杰.傾斜攝影和激光雷達(dá)在某輸電工程三維建模中的應(yīng)用研究[J].江西電力，2019，43（8）：12-20.

[2] 杜永亮，呂杰.基于某工程的傾斜攝影和激光雷達(dá)在三維建模中的應(yīng)用研究[A].江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì).2018年江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集[C].：江西省電機(jī)工程學(xué)會(huì)，2019：8.

[3] 張平.傾斜攝影和激光掃描技術(shù)在城市三維建模中的融合應(yīng)用研究[J].城市勘測(cè)，2018（4）：99-103.