基于點云數(shù)據(jù)的博聞樓三維模型構(gòu)建

崔 鵬，任心怡

(1.遼寧科技學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 本溪 117004；2.沈陽市勘察測繪研究院有限公司,遼寧 沈陽 110057)

點云是物理世界三維數(shù)字化的代表性表達形式，是認知和理解物理世界的重要基礎(chǔ)[1]。點云具有高冗余、高密度、非結(jié)構(gòu)化等特點，如何將獲取的海量點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成具有結(jié)構(gòu)和功能的三維地理信息是數(shù)字校園、數(shù)字城市等研究的主要問題。文章應(yīng)用FARO Focus 350三維激光掃描儀對博聞樓室內(nèi)外進行點云數(shù)據(jù)采集，點云數(shù)據(jù)處理軟件為TrimbleRealWorks，將處理后的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Revit構(gòu)建博聞樓三維模型，為數(shù)字化校園的建設(shè)提供一種思路和方法。

1 三維激光掃描技術(shù)原理

1.1 系統(tǒng)組成

地面三維激光掃描系統(tǒng)主要包括激光測距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)和CCD相機系統(tǒng)[2]。掃描頭、控制器和計算機存儲系統(tǒng)三者構(gòu)成地面三維激光掃描儀。在三維激光掃描儀的控制器中，控制著距離測量和激光掃描，使其相互配合通過掃描頭完成對目標物體的點云數(shù)據(jù)采集，最后將采集的點云數(shù)據(jù)儲存在存儲器中。

1.2 掃描原理

當對目標物體進行三維掃描時，激光發(fā)射器發(fā)射激光脈沖通過多面反射鏡的轉(zhuǎn)動，進而掃描整個目標物體實現(xiàn)對目標物體的激光掃描[3]，如圖1。

圖1 掃描原理

1.3 儀器介紹

本次采用FARO Focus 350三維激光掃描儀，該掃描儀器具有尺寸小、重量輕、掃描距離遠等特點。掃描距離350 m，內(nèi)置HDR成像功能，可自定義設(shè)置掃描分辨率以便于適應(yīng)任何場景的數(shù)據(jù)采集，掃描速度高達976 000點/秒。

圖2 FARO Focus 350

2 點云數(shù)據(jù)的采集與處理

基于點云數(shù)據(jù)采用重疊度配準拼接方法，所以在外業(yè)掃描時為獲得更好的點云效果與拼接精度，可以適當縮短掃描距離增大點云間的重疊度，重疊度保證在30%以上。

2.1 室外點云獲取

從博聞樓西北角出發(fā)設(shè)為第1站，圍繞博聞樓按順時針方向逐步進行設(shè)站掃描，總共架設(shè)11站，如圖3所示。

圖3 室外掃描

2.2 室內(nèi)點云獲取

從博聞樓正門開始架站，逐層進行采集，總共架設(shè)60余站。

圖4 大廳掃描

圖5 走廊掃描

圖6 房間掃描

2.3 點云數(shù)據(jù)的處理

2.3.1 配準拼接

將Focus 350導(dǎo)出的原始數(shù)據(jù)，格式為.fls，全部導(dǎo)入到TRW中，按步長為1提取每測站點云數(shù)據(jù)。在配準模塊下，配準拼接相鄰測站點云。拼接完成后可生成配準報告，查看每測站之間、整體點云之間的誤差、重合度、可信度情況。

2.3.2 去噪與抽稀

在采集點云的過程中由于客觀條件的影響，噪聲的產(chǎn)生是不可避免的[4]。應(yīng)用TRW中裁剪盒和點云編輯工具手動框選噪點進行剔除。

剔除噪點后的純凈點云冗余度過高，導(dǎo)入Revit進行建模時會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的加載與處理時間過長。為了提高建模時的流暢度與工作效率，去噪后的純凈點云應(yīng)進行適當?shù)某橄　?/p>

文中按步長為5進行點云抽稀，抽稀后導(dǎo)出.rtf格式的項目點云，通過ReCap轉(zhuǎn)換為.rcp格式，最后將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Revit軟件中。

3 三維模型的構(gòu)建

3.1 模型重建

Revit軟件中的點云工具可直接實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的可視化，并連接至BIM流程，方便模型制作[5]。在選擇建筑菜單中選擇墻構(gòu)件，進行模型的構(gòu)建。根據(jù)點云數(shù)據(jù)來確定墻體構(gòu)件寬度和長度并進行拉取。門窗等的繪制應(yīng)注意類型是否與實際相符，如找不到可選擇相同類型的門窗，必須保證門窗洞口大小與點云數(shù)據(jù)所反映的大小相同。載入之后拉取好寬高后再布置到相應(yīng)的墻的位置(如圖7)。

圖7 博聞樓模型

3.2 紋理映射

為獲得最好的紋理效果，應(yīng)選用實際照片進行貼圖。在貼圖前使用Photoshop對數(shù)碼像片進行簡單處理，貼圖后效果(如圖8)。

圖8 紋理貼圖

4 結(jié)語

文章通過三維激光掃描獲取點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過配準、去噪、抽稀等一系列點云處理，最后應(yīng)用Revit建立博聞樓實景三維模型。通過實景三維模型的漫游、屬性查詢等功能全面地展示與體現(xiàn)博聞樓的概況與特點，為進一步實現(xiàn)數(shù)字化校園打下良好基礎(chǔ)。