利用激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用研究

孔海峽， 景小青

（1.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 青海 西寧 810007；2.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司， 青海 西寧 810007）

引言

目前，利用激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建關(guān)鍵技術(shù)已普遍在智慧城市、古建筑與古文物保護(hù)、數(shù)字娛樂(lè)（游戲、動(dòng)畫(huà)、電影）、地質(zhì)研究等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為近些年科研與生產(chǎn)方面的前沿技術(shù)。該技術(shù)在復(fù)雜建筑物施工、建筑物形變監(jiān)測(cè)及水電工程等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)合已建設(shè)完成的西藏雅魯藏布江某水電站為研究對(duì)象，開(kāi)展深層次的激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建技術(shù)的應(yīng)用、研究、總結(jié)和再開(kāi)發(fā)。

中國(guó)水利水電第四工程局有限公司已承建過(guò)長(zhǎng)江、黃河、金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江等眾多流域的多個(gè)水利水電工程測(cè)量管理工作，取得了較為突出的專(zhuān)業(yè)技術(shù)業(yè)績(jī)，總結(jié)積累了較為豐富的專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作經(jīng)驗(yàn)。但行業(yè)優(yōu)勢(shì)不明顯，行業(yè)內(nèi)其他單位已接近“并跑”。為此，面對(duì)同行單位尚未跨入利用三維激光掃描進(jìn)行三維重建技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，率先在西藏雅魯藏布江某水電站開(kāi)展基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與研究。

1 研究的主要內(nèi)容及應(yīng)用難點(diǎn)

1.1 研究的主要內(nèi)容

1.1.1 三維模型重建

三維模型重建是利用激光掃描設(shè)備采集的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，逆向建立能夠真實(shí)反映建筑物外觀與內(nèi)在形狀的三維模型，對(duì)于無(wú)法采集數(shù)據(jù)的隱蔽工程則根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行正向建模。

經(jīng)過(guò)重建后的三維模型必須達(dá)到高精度、高清晰度、高吻合度的各項(xiàng)指標(biāo)要求。

1.1.2 通過(guò)三維模型制作相關(guān)圖冊(cè)和動(dòng)畫(huà)

在研究對(duì)象水電站高精度三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的加工制作。首先在模型表面賦予彩色紋理，使三維模型更加真實(shí)美觀。然后將彩色三維模型渲染成高清圖片，作為制作圖冊(cè)的基礎(chǔ)素材。最后將渲染的效果圖放置在圖框中，并配合文字說(shuō)明，采用圖文并茂的方式展示某水電站的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備和魚(yú)道等重要建筑物。

1.1.3 三維模型3D打印

3D打印技術(shù)是目前科技界非常熱門(mén)的技術(shù)，已出現(xiàn)了3D打印房子、汽車(chē)、手槍等高難度的產(chǎn)品。本課題將3D打印技術(shù)應(yīng)用于水電站工程并無(wú)先例可參考，需要對(duì)應(yīng)用方式方法進(jìn)行重新梳理、探討和研究。

1.2 應(yīng)用中的難點(diǎn)及解決方法

1.2.1 利用三維激光掃描設(shè)備在高海拔高寒地區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集作業(yè)難度大

研究對(duì)象水電站位于海拔3 500 m左右的高原地區(qū)，路途遙遠(yuǎn)，氣溫低，因此前尚無(wú)三維激光掃描設(shè)備在如此高海拔高寒地區(qū)進(jìn)行作業(yè)的先例，加上設(shè)備自重較大，給外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作帶來(lái)了前所未有的困難。

經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)人員的多次溝通交流，最后采用及時(shí)保溫、及時(shí)充電、專(zhuān)用車(chē)輛等多項(xiàng)措施保證順利完成數(shù)據(jù)的采集，并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)10余天的工作，完成了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，為后期三維模型建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1.2.2 逆向與正向相結(jié)合的方式進(jìn)行三維重建的難度大

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)研究對(duì)象水電站已處于尾工階段，激光掃描設(shè)備只能對(duì)地面以上的可見(jiàn)部分進(jìn)行全方位、詳細(xì)的掃描。如果采用這種直接的逆向方式進(jìn)行三維模型重建，模型將無(wú)法全面反映該水工建筑物的真實(shí)原貌。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，決定采用根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)逆向建模與依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙正向建模相結(jié)合的方式進(jìn)行三維模型重建。

結(jié)合建模難度很大，很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)不匹配的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)工程師與建模工程師的數(shù)次溝通、研究、探討，最終將圖紙模型合并到點(diǎn)云模型中。

逆向與正向相結(jié)合的處理方式，既能通過(guò)點(diǎn)云保證模型精度，又能通過(guò)圖紙保證模型的完整性，使整體模型達(dá)到預(yù)期效果。

1.2.3 穿插模型貼圖、疊加、特效渲染等過(guò)程技術(shù)復(fù)雜且工作量大

AO（Ambient Occlusion）貼圖疊加技術(shù)制作步驟較多，且需要同時(shí)渲染三維底圖和彩色紋理圖，渲染工作量大。該課題中使用的圖片是在兩名設(shè)計(jì)工程師與兩名渲染工程師的共同配合下，耗時(shí)兩個(gè)多月完成的。

在研究對(duì)象水電站的特效渲染和三維動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中，大量使用了粒子特效和光影變幻，將水電站開(kāi)閘放水的過(guò)程表現(xiàn)得栩栩如生。同時(shí)，制作的動(dòng)畫(huà)展示了開(kāi)閘過(guò)程，制作的漫游動(dòng)畫(huà)以魚(yú)的第一人稱(chēng)視角展示魚(yú)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本次動(dòng)畫(huà)渲染采用并行的方式，采用10臺(tái)圖形工作站同時(shí)工作，歷時(shí)兩個(gè)月，最終完成。

1.2.4 3D打印技術(shù)的應(yīng)用難度大

研究對(duì)象水電站的三維立體模型制作完成后，選用3D打印技術(shù)對(duì)其進(jìn)行3D打印。因本建筑物體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此次打印的最大尺寸為80 cm×100 cm，不但受到三維打印機(jī)的尺寸限制，而且因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜打印速度慢，耗時(shí)較長(zhǎng)。

經(jīng)過(guò)多次討論研究，最終采用拆分打印的方法進(jìn)行操作，由于拆分打印后拼接難度大，必須同時(shí)保證模型精度和打印精度，方能做到拼接后的縫隙幾乎不可見(jiàn)。

2 投入的人員及設(shè)備

本課題共投入高級(jí)工程師2人、工程師6人、技術(shù)人員6人；投入徠卡HDS8800超長(zhǎng)測(cè)程三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)及多臺(tái)圖形工作站電腦等設(shè)備。同時(shí)，課題組先后邀請(qǐng)徠卡上海公司技術(shù)支持中心和北京龍睿海拓科技發(fā)展有限責(zé)任公司的專(zhuān)家赴研究對(duì)象水電站，與本單位共同交流、探討、總結(jié)、改進(jìn)，為順利完成該課題研究提供了有力的技術(shù)支撐。

3 項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程綜述

3.1 人員培訓(xùn)

自該科研項(xiàng)目合同簽訂后，本單位及時(shí)選拔相關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員對(duì)本課題進(jìn)行調(diào)研，隨后邀請(qǐng)北京龍睿海拓科技發(fā)展有限責(zé)任公司的技術(shù)專(zhuān)家趕赴現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)儀器操作、相關(guān)配套軟件的深層次應(yīng)用進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的培訓(xùn)。項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，先后三次邀請(qǐng)專(zhuān)注于激光掃描儀軟件后臺(tái)應(yīng)用開(kāi)發(fā)和三維重建的北京龍睿海拓科技發(fā)展有限責(zé)任公司技術(shù)人員深入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行培訓(xùn)交流。

3.2 研究對(duì)象水電站數(shù)據(jù)采集

本課題依托位于西藏自治區(qū)雅魯藏布江干流上的研究對(duì)象水電站實(shí)施研究。課題組成員攜帶三維激光掃描設(shè)備奔赴研究對(duì)象水電站工地現(xiàn)場(chǎng)，耗時(shí)10余天，對(duì)水工建筑物進(jìn)行全方位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，并與設(shè)計(jì)人員、技術(shù)人員舉行交流會(huì)，全面、深入、細(xì)致地搜集研究對(duì)象水電站的信息，收集了大量與工程有關(guān)的文字?jǐn)?shù)據(jù)、圖紙、照片、影像等資料。數(shù)據(jù)采集期間，作業(yè)人員克服了高海拔、氣候寒冷、運(yùn)輸?shù)戎T多困難。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)對(duì)研究對(duì)象水電站相關(guān)建筑物進(jìn)行全方位掃描后，得到相對(duì)完整、全面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。但原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)包含了所有的現(xiàn)場(chǎng)元素，要進(jìn)行三維模型重建就必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致的處理，刪除干擾因素。點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前后效果對(duì)比如圖1所示。

圖1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理前后效果對(duì)比圖

3.4 三維模型重建

通過(guò)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和相關(guān)圖紙、照片、影像資料重建三維模型，使重建后的三維模型具有真實(shí)尺寸，點(diǎn)云精度最高可達(dá)到8 mm。三維模型與點(diǎn)云具有同等精度，高精度三維模型可以將水電站各個(gè)建筑物的主體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)完整地表現(xiàn)出來(lái)。

三維模型的重建采用兩種方法相結(jié)合的方式進(jìn)行，一種是根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模（如圖2所示）；另一種是因水工建筑物的隱蔽或覆蓋部分無(wú)法直接獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙中的位置、尺寸等資料，將該部分正向建模（如圖3所示），分別完成建模后，進(jìn)行統(tǒng)一合并。

圖2 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)逆向建模

圖3 根據(jù)圖紙正向建模

4 模型貼圖、渲染、動(dòng)畫(huà)制作

對(duì)三維立體模型的貼圖和疊加采用AO（Ambient Occlusion）貼圖疊加技術(shù)。該技術(shù)制作的水電站三維渲染圖，不僅可以增加圖像的真實(shí)感和立體感，而且具有很好的展示效果。

本課題的三維動(dòng)畫(huà)采用3ds Max軟件進(jìn)行制作，動(dòng)畫(huà)中包含了粒子和流動(dòng)特效，能充分展現(xiàn)水電站運(yùn)行的實(shí)際效果。動(dòng)畫(huà)中制作了水電站場(chǎng)景漫游、光照變化、開(kāi)閘放水和魚(yú)道虛擬游覽等內(nèi)容。

5 3D打印技術(shù)應(yīng)用

本單位基于研究對(duì)象水電站建筑物的高精度三維模型數(shù)據(jù)，使用Objet260 3D打印機(jī)，將水電站建筑物的主體結(jié)構(gòu)和山體進(jìn)行了三維打印，打印材料為光敏樹(shù)脂，該材料打印的模型表面光滑、堅(jiān)固、精度較高。打印完成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)體環(huán)境對(duì)打印的模型進(jìn)行相關(guān)的著色和噴繪。實(shí)體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結(jié)構(gòu)和壩頂?shù)母鞣N設(shè)備，如圖4所示。

6 應(yīng)用研究結(jié)論

6.1 應(yīng)用情況

本課題以雅魯藏布江研究對(duì)象水電站工程為研究目標(biāo)，開(kāi)展深層次的激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，實(shí)踐成果證明了該技術(shù)的成功應(yīng)用。該項(xiàng)成果不僅可以將水工建筑物全面數(shù)字化，也為該水電站后續(xù)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了專(zhuān)業(yè)而全面的參考依據(jù)，同時(shí)對(duì)水電站的展示宣傳和綜合培訓(xùn)起到了重要作用。

圖4 3D打印模型效果圖

6.2 應(yīng)用前景

1）水電站建筑物開(kāi)工建設(shè)前可以建立原始地貌三維模型。

2）隨著工程建設(shè)的推進(jìn)，梯次建設(shè)三維模型，為工程驗(yàn)收保留不可估量的云數(shù)據(jù)，更可擴(kuò)展大數(shù)據(jù)庫(kù)。

3）為水電站運(yùn)營(yíng)期的設(shè)備維護(hù)管理提供了一切的可能性。

4）可以對(duì)水電站建筑物進(jìn)行完美的三維數(shù)字化展示和培訓(xùn)。

5）為其他類(lèi)似工程建設(shè)及管理提供參考、借鑒依據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)與傳統(tǒng)人工技術(shù)比較，該技術(shù)的應(yīng)用快速全面地建立了研究對(duì)象水電站的數(shù)據(jù)庫(kù)及工程三維模型，確保了研究對(duì)象水電站的安全性和可持續(xù)性，有效保證了水電站的正常運(yùn)行，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為水電站的數(shù)字化、信息化工作提供了寶貴的技術(shù)支持。

利用激光掃描數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)在水電工程中的成功應(yīng)用，將水電站及類(lèi)似工程項(xiàng)目的建設(shè)推向了科技發(fā)展的最前沿，特別是3D打印技術(shù)的應(yīng)用，使本單位在同行業(yè)中率先邁出了第一步。在其他同行還未涉足利用三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建領(lǐng)域時(shí)，本單位率先在研究對(duì)象水電站完成了該項(xiàng)課題的研究和應(yīng)用，顯得及時(shí)、必要。該技術(shù)在水電工程中的應(yīng)用前景十分廣闊，將會(huì)產(chǎn)生十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益，相信該技術(shù)必將在行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。