基于激光掃描技術(shù)的三維仿真與管理系統(tǒng)應(yīng)用

程建平，劉昶，杜書(shū)柱，丁士文，王俊，李犁，曹磊

(合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230061)

1 引 言

傳統(tǒng)測(cè)繪技術(shù)難以完整、精細(xì)地記錄樓宇空間復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系、以及紋理信息的采集[1]，此時(shí)面對(duì)大范圍的樓宇空間的三維數(shù)據(jù)采集與建模，三維激光掃描技術(shù)的優(yōu)勢(shì)便凸顯出來(lái)。三維激光掃描技術(shù)可以在不接觸物體表面，直接采集物體表面的全部點(diǎn)云[2]，背包式三維掃描技術(shù)更具有便捷、靈活、快速、精度高等特點(diǎn)，可以顯著地提高工作效率[3，4]，通過(guò)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，建立三維模型信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)樓宇的三維智能化管理。近年來(lái)，隨著三維激光掃描技術(shù)的不斷發(fā)展，在三維測(cè)量和建模管理方面也得到不斷的應(yīng)用[5～7]。

本文基于背包式三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行樓宇位置、外立面以及房間面積信息采集，結(jié)合照片紋理信息實(shí)現(xiàn)樓宇真三維場(chǎng)景的仿真建模，以及室外周邊地物地形信息的DEM，DOM模型，進(jìn)行聯(lián)合建模，構(gòu)建樓宇及周邊一體化的三維仿真模型，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)樓宇空間的三維可視化、數(shù)據(jù)查詢、二三維聯(lián)動(dòng)以及漫游導(dǎo)航等功能。

2 測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)采集與處理

背包式三維激光掃描儀采用實(shí)時(shí)定位與地圖構(gòu)件技術(shù)(SLAM)與分段平差技術(shù)相結(jié)合，并內(nèi)置多傳感器，適合室內(nèi)、室外等多種環(huán)境的快速測(cè)繪，能夠?qū)崟r(shí)確定室內(nèi)外場(chǎng)景掃描源所處的位置和姿態(tài)，在點(diǎn)云采集的同時(shí)，對(duì)全景照片進(jìn)行采集，結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件完成SLAM行走軌跡解算及平差，最終實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的自動(dòng)拼接和輸出。背包式三維激光掃描系統(tǒng)的三維仿真建模流程如圖1所示：

圖1 仿真建模流程圖

2.1 控制點(diǎn)布設(shè)與測(cè)量

為了將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，控制點(diǎn)布設(shè)在測(cè)區(qū)均勻分布，且密度為 150 m～200 m一組控制點(diǎn)(每組3個(gè)控制點(diǎn)，帶高程信息)?？刂泣c(diǎn)采用棋盤標(biāo)靶，如圖2所示，使用A4紙打印，將標(biāo)靶貼在地上或者墻上。控制點(diǎn)坐標(biāo)采用全站儀導(dǎo)線測(cè)量方式確定，高程信息采用三角高程確定。

圖2 標(biāo)靶

2.2 三維信息采集

開(kāi)機(jī)初始化完成后，點(diǎn)擊開(kāi)始進(jìn)行掃描采集。數(shù)據(jù)掃描采集時(shí)，應(yīng)平穩(wěn)行走，不急轉(zhuǎn)彎、急停，有利于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和掃描精度。

按預(yù)先規(guī)劃好的路徑行走掃描測(cè)量，局部掃描規(guī)劃路線如圖3所示，對(duì)樓宇空間進(jìn)行三維激光掃描，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息，在掃描采集數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)全景照片進(jìn)行采集，為后期實(shí)景建模提供基礎(chǔ)。

圖3 踏勘掃描路線

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完，按軌跡解算、數(shù)據(jù)分段、閉環(huán)平差、去除移動(dòng)物體等操作，最終導(dǎo)出點(diǎn)云。將數(shù)據(jù)分測(cè)段處理，分別解算各測(cè)段掃描軌跡，利用SLAM技術(shù)與分段平差技術(shù)相結(jié)合，特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)匹配，解算軌跡，并對(duì)軌跡閉環(huán)平差處理，提高數(shù)據(jù)解算精度。同時(shí)采用軟件對(duì)采集過(guò)程中移動(dòng)物體的點(diǎn)云進(jìn)行處理和移除，提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。其數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的軌跡解算、數(shù)據(jù)分段、閉環(huán)平差、去除移動(dòng)物體分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4 解算軌跡

圖5 數(shù)據(jù)分段

圖6 閉環(huán)平差

圖7 去除移動(dòng)物體

數(shù)據(jù)處理完，利用軟件實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云間自動(dòng)拼接，且根據(jù)標(biāo)靶的真實(shí)絕對(duì)坐標(biāo)，將拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)坐標(biāo)定向獲取絕對(duì)坐標(biāo)。輸出點(diǎn)云數(shù)據(jù)成果，三維點(diǎn)云成果如圖8所示。

圖8 局部三維激光點(diǎn)云成果

2.4 室內(nèi)外三維模型建立

本次三維建模范圍為某政務(wù)中心建筑的精細(xì)單體建模及地面模型，建模內(nèi)容包括建筑模型、地形模型、交通模型、植被模型、水系模型及其他模型等。其中，地上建筑模型反映維度變化的 0.3 m的細(xì)節(jié)需精細(xì)表達(dá)。為便于后期對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)模型精細(xì)管理，本次需將建筑模型分層、分戶制作，建筑內(nèi)部走廊、墻體(除墻體外，不含室內(nèi)其他設(shè)施)等進(jìn)行制作，建筑物及附屬設(shè)施屬性信息需表達(dá)完整準(zhǔn)確。

室外建模時(shí)，在3ds Max中導(dǎo)入整理好的Dwg文件、影像圖等，在CAD和影像圖的基礎(chǔ)上創(chuàng)建建筑模型，其建筑模型位置與CAD文件保持一致，如圖9所示。

圖9 建模前準(zhǔn)備

對(duì)模型面數(shù)進(jìn)行控制，能夠準(zhǔn)確表達(dá)建筑物的特征即可，無(wú)須將所有細(xì)節(jié)建模，同時(shí)去除多余的面，模型建好后，應(yīng)刪除多余的或沒(méi)用到的點(diǎn)、線、面，對(duì)模型結(jié)構(gòu)與貼圖坐標(biāo)起不到作用的面進(jìn)行刪除以節(jié)省數(shù)據(jù)量。

紋理映射(貼圖)，對(duì)于需要疊加在物體表面的，例如建筑立面的字或一些招牌廣告等，做成片疊加在物體表面，面片與該物體的立面距離至少要達(dá)到 0.03 m，保證重疊面不閃爍，同時(shí)在側(cè)面不能看到特別明顯的兩個(gè)面間的距離，如圖10所示。

圖10 紋理映射與貼圖

室內(nèi)建模時(shí)，首先紋理采集，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)室內(nèi)外環(huán)境拍照的方式，采集室內(nèi)外環(huán)境的紋理照片，為后續(xù)室內(nèi)外建模提供素材。

室內(nèi)建模：導(dǎo)入3ds Max后，首先對(duì)墻體進(jìn)行建模，然后運(yùn)用畫樣條線和矩形等操作，采用擠出功能拉伸出合適的長(zhǎng)度，進(jìn)行墻體建模。一些沒(méi)有實(shí)測(cè)的內(nèi)部細(xì)物，例如門窗、裝飾物等，根據(jù)所得尺寸和現(xiàn)場(chǎng)所拍照片進(jìn)行建模，將建好的附件合并到主體建筑物的模型上。

紋理映射：對(duì)于建筑模型的紋理通常要到現(xiàn)場(chǎng)用數(shù)碼相機(jī)獲取照片，對(duì)照片進(jìn)行正射糾正處理為正射影像，更改材質(zhì)，將修改好的圖片貼到材質(zhì)球上面并賦給建筑物，再運(yùn)用貼圖坐標(biāo)進(jìn)行修改，盡量做到與實(shí)際相同的效果，最后渲染輸出效果圖。

建筑物輪廓及室內(nèi)墻體建模完成之后，將所有的墻體都移動(dòng)至正確的位置，然后找到相應(yīng)的材質(zhì)附到建筑物主體模型上。并賦予相應(yīng)的磚墻材質(zhì)、玻璃材質(zhì)等，再做相應(yīng)調(diào)整，提高視覺(jué)效果，最后得到與實(shí)際建筑物一致的模型。室內(nèi)局部建模效果及整體區(qū)域建模效果分別如圖11和圖12所示。

圖11 室內(nèi)局部建模效果

圖12 區(qū)域整體建模效果

3 質(zhì)量檢查與精度評(píng)價(jià)

三維模型建立過(guò)程是點(diǎn)云之間的一體化自動(dòng)拼接和輸出，因此模型內(nèi)點(diǎn)云的數(shù)據(jù)質(zhì)量情況難以體現(xiàn)，因此本文基于全站儀、測(cè)距儀等實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)模型的精度進(jìn)行檢查，從整個(gè)模型環(huán)境中提取距離、坐標(biāo)與檢測(cè)相對(duì)應(yīng)的距離、坐標(biāo)，進(jìn)行比較，包括相對(duì)精度檢測(cè)和絕對(duì)精度檢測(cè)。

3.1 相對(duì)精度檢測(cè)

相對(duì)精度的檢測(cè)主要是通過(guò)模型中特征點(diǎn)間的實(shí)際量測(cè)尺寸和模型中量測(cè)尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，本文分別在實(shí)地和模型中量取了12個(gè)特征部位的尺寸，見(jiàn)表1特征部位的尺寸相對(duì)精度統(tǒng)計(jì)比較。

特征點(diǎn)相對(duì)精度統(tǒng)計(jì) 表1

續(xù)表1

3.2 絕對(duì)精度檢測(cè)

模型建立后，通過(guò)設(shè)置特征點(diǎn)的標(biāo)靶坐標(biāo)進(jìn)行模型的投影坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，使三維模型轉(zhuǎn)換到標(biāo)靶控制點(diǎn)坐標(biāo)系下。因此本文通過(guò)測(cè)量模型特征點(diǎn)的坐標(biāo)與實(shí)地測(cè)量的坐標(biāo)進(jìn)行比較，來(lái)反映其模型的絕對(duì)精度情況。模型的絕對(duì)精度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

絕對(duì)點(diǎn)位精度統(tǒng)計(jì)表 表2

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算得到：

4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與應(yīng)用

模型建立完畢后，對(duì)該模型進(jìn)行管理系統(tǒng)搭建，采用Oracle 11g作為數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)介質(zhì)，采用MicroSoft Visual Studio 2010.NET作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Esri提供的GeoDatabase數(shù)據(jù)模型存儲(chǔ)和管理空間數(shù)據(jù)，利用C#和偉景行的CityMaker SDK 7.0開(kāi)發(fā)核心組件庫(kù)，并以此組件庫(kù)來(lái)搭建所有應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)建庫(kù)、數(shù)據(jù)管理、可視化、空間分析、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)、項(xiàng)目管理、二三維聯(lián)動(dòng)等功能操作。三維展示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)交互式瀏覽功能、選擇、信息查詢功能，可完成搜索定位、屬性查詢、信息標(biāo)注等功能。部分功能展示如下。

視圖功能，視圖模塊直接與用戶的視覺(jué)產(chǎn)生交互，進(jìn)入系統(tǒng)后首先展示出來(lái)的就是視圖，視圖包含二維視圖及三維視圖。

定位功能，用于地圖快速定位操作，主要包括路名定位、單位名稱定位等，用戶輸入要定位的關(guān)鍵字，便能自動(dòng)漫游至目標(biāo)樓宇。部分功能界面如圖13所示。

圖13 導(dǎo)航至四區(qū)四樓界面

系統(tǒng)查詢統(tǒng)計(jì)功能模塊主要包括要素屬性查詢、圖層屬性查詢、自定義屬性查詢、選擇集查詢、附件查詢、自定義空間查詢等，部分功能界面如圖14所示。

圖14 點(diǎn)擊房間查看屬性

統(tǒng)計(jì)分析功能，進(jìn)行多種類型的統(tǒng)計(jì)分析功能，諸如統(tǒng)計(jì)工商管理局的辦公室使用情況，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠合理地進(jìn)行辦公室的使用分配；再如統(tǒng)計(jì)某部門的人員構(gòu)成，以確定該部門的人員配置是否合理。系統(tǒng)預(yù)先定義多種統(tǒng)計(jì)模型供用戶使用，用戶也能夠自定義統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行自定義統(tǒng)計(jì)。其部分功能界面如圖15和圖16所示。

圖15 分類統(tǒng)計(jì)

圖16 會(huì)議室管理統(tǒng)計(jì)

該管理應(yīng)用平臺(tái)具有豐富的應(yīng)用功能，除了上述介紹的功能外，還包括數(shù)據(jù)的可視化、空間分析、項(xiàng)目管理、二三維聯(lián)動(dòng)等功能操作?？蓪?shí)現(xiàn)交互式瀏覽功能、選擇、信息查詢功能，可完成搜索定位、信息標(biāo)注等一些自定義功能。從而對(duì)樓宇從層到戶的精細(xì)化管理以及三維智能化決策輔助提供了一種方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要基于背包式三維激光掃描技術(shù)對(duì)樓宇位置、外立面以及房間尺寸等信息進(jìn)行采集，通過(guò)點(diǎn)云之間的自動(dòng)配準(zhǔn)及自動(dòng)拼接技術(shù)，完成樓宇的三維模型，同時(shí)結(jié)合周邊的地形信息、DOM、DEM模型等數(shù)據(jù)，構(gòu)建樓宇及周邊一體化的三維仿真模型，其精度表現(xiàn)相對(duì)較好。同時(shí)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，完成樓宇空間的三維可視化、數(shù)據(jù)查詢、二三維聯(lián)動(dòng)以及漫游導(dǎo)航等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇空間的實(shí)時(shí)查詢和管理。相比于傳統(tǒng)測(cè)量手段大大提高了工作效率，但海量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，處理相對(duì)麻煩，還有待在之后的工作提供點(diǎn)云利用率和解算效率。