基于地面激光掃描的物體建模研究

李新雙，董竹，劉化冰，李金朋

(成都市勘察測(cè)繪研究院，四川成都 610081)

1 引言

三維空間信息獲取，其實(shí)質(zhì)是空間定位數(shù)據(jù)采集。三維激光掃描測(cè)量技術(shù)是最近發(fā)展迅速的一種新技術(shù)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的一種重要技術(shù)手段［1］?；诘孛娴募す鈷呙杓夹g(shù)可獲取被測(cè)物體面狀點(diǎn)的三維坐標(biāo)和反射信息，對(duì)于城市三維重建和局部區(qū)域空間信息獲取具有極其重要的作用，目前正引起廣泛的關(guān)注和研究［2］。

三維激光掃描技術(shù)通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，以點(diǎn)云的形式獲取物體或地形表面的三維空間尺寸信息和反射率信息，結(jié)合高分辨率的外置數(shù)碼相機(jī)，可以逼真地保留物體的紋理［3］，為快速建立物體的三維模型提供了一種全新的技術(shù)手段。

本文以地面激光掃描系統(tǒng)Leica ScanStation C10為例，通過(guò)介紹地面激光掃描進(jìn)行物體重構(gòu)的工作流程，針對(duì)幾種不同類型的物體，結(jié)合實(shí)例，通過(guò)比較幾種不同的建模方式，探討適合不同領(lǐng)域的建模方法。

2 工作流程

應(yīng)用地面激光掃描技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行三維重構(gòu)的工作流程包括三部分:外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理及三維建模。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集主要包括現(xiàn)場(chǎng)踏勘與布設(shè)控制網(wǎng)、控制測(cè)量、靶標(biāo)布設(shè)、掃描、靶標(biāo)坐標(biāo)測(cè)量等［4］。數(shù)據(jù)采集采用激光掃描儀和全站儀配合的方法，激光掃描儀掃描標(biāo)靶和物體目標(biāo)，全站儀主要進(jìn)行控制測(cè)量和標(biāo)靶測(cè)量。本項(xiàng)目試驗(yàn)采用的是Leica ScanStation C10掃描儀，它的掃描速度為 50 000點(diǎn)/s，可進(jìn)行360°×270°掃描。

內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云拼接、去除噪聲等。點(diǎn)云拼接是利用標(biāo)靶將多站掃描的點(diǎn)云拼接成一個(gè)整體，使之具有相同的空間參考或控制網(wǎng)坐標(biāo)系。對(duì)于無(wú)標(biāo)靶或標(biāo)靶不齊全的點(diǎn)云，可采用同名點(diǎn)方式進(jìn)行拼接。點(diǎn)云去噪是將與建模無(wú)關(guān)的部分點(diǎn)云刪除。拼接去噪等處理主要在Cyclone軟件下進(jìn)行。

對(duì)于物體的三維建模，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐提出，針對(duì)不同類型的物體應(yīng)采取不同的建模手段。下面分別對(duì)組件式物體、建筑物和復(fù)雜形體的建模方法展開(kāi)討論。

3 組件式物體建模

由于Cyclone軟件提供了常用的組件模型以及與組件相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)云匹配算法，如柱體、球體、管體等，故對(duì)組件式的物體，如變電站、管道等可在該軟件下對(duì)物體點(diǎn)云進(jìn)行幾何形狀的擬合，精確地表現(xiàn)物體模型。方法是選擇要進(jìn)行建模的部分點(diǎn)云，畫(huà)框進(jìn)行分割，并單獨(dú)對(duì)該部分點(diǎn)云進(jìn)行擬合，從而生成三維模型。圖1是一個(gè)罐體的原始點(diǎn)云，圖2是在Cyclone下根據(jù)點(diǎn)云生成的罐體模型。

圖1 罐體原始點(diǎn)云

圖2 建模后罐體模型

4 建筑物建模

對(duì)于建筑物的三維重構(gòu)，單獨(dú)使用Cyclone軟件非常不方便，可結(jié)合使用 CloudWorx for CAD和3ds Max軟件，完成建筑物的重構(gòu)。建模流程如圖3所示。

圖3 建筑物的建模流程

具體步驟如下:

(1)坐標(biāo)糾正。目的是將坐標(biāo)軸方向糾正到與建筑物一致的方向，便于沿坐標(biāo)軸方向?qū)ㄖ镞M(jìn)行切片。方法如下:分割出建筑物的一個(gè)平面點(diǎn)云擬合成mesh平面，使XZ或YZ坐標(biāo)平面在生成的mesh平面上，坐標(biāo)軸的第3個(gè)方向與該平面垂直，并保存當(dāng)前坐標(biāo)系。圖4為坐標(biāo)糾正前后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖4 坐標(biāo)糾正前后的建筑物點(diǎn)云

(2)生成輪廓線。在CAD中以糾正后的坐標(biāo)系打開(kāi)建筑物點(diǎn)云，沿著垂直軸方向切片，描繪并擬合生成建筑物的平面輪廓線;沿著水平軸方向依次對(duì)建筑物的幾個(gè)立面切片，生成建筑物的立面輪廓線。在細(xì)部結(jié)構(gòu)處，如窗戶、陽(yáng)臺(tái)等加點(diǎn)或加線。圖5是生成的建筑物平面、立面輪廓線和幾何結(jié)構(gòu)。

圖5 建筑物平面、立面輪廓線和幾何結(jié)構(gòu)

(3)坐標(biāo)糾正至原始坐標(biāo)系。將生成的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)出成coe格式后導(dǎo)入Cyclone的建筑物點(diǎn)云空間，并改回為原始坐標(biāo)系，導(dǎo)出dxf格式的幾何結(jié)構(gòu)即為和原始坐標(biāo)系一致的坐標(biāo)。

(4)貼紋理建模。在3ds Max下導(dǎo)入dxf格式的幾何結(jié)構(gòu)，參照該幾何結(jié)構(gòu)，貼紋理建模。

5 復(fù)雜形體建模

對(duì)于雕塑、文物等復(fù)雜形體的建模，利用上述建模方式很難對(duì)其細(xì)節(jié)進(jìn)行精確擬合，可借助于逆向工程軟件Geomagic Studio對(duì)物體進(jìn)行真實(shí)復(fù)原。該軟件通過(guò)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行去噪、包裹、修補(bǔ)等處理，可將三維掃描數(shù)據(jù)和多邊形網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換成精確的三維數(shù)字模型。由于它采樣間隔非常小，生成的三角面非常多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量非常大，故在實(shí)際應(yīng)用中可采用濾波和壓縮的方法來(lái)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，從而提高速度。圖6是西南交通大學(xué)內(nèi)某雕塑的原始點(diǎn)云及應(yīng)用該方法形成的雕塑模型。

圖6 西南交大雕塑原始點(diǎn)云及重構(gòu)的三維模型

6 比較和結(jié)論

通過(guò)對(duì)幾種激光點(diǎn)云建模方式進(jìn)行對(duì)比得出:逆向工程Geomagic Studio軟件在自動(dòng)化程度、模型的精細(xì)化程度和制作效率上均高于其他軟件的建模，但是由于它生成的數(shù)據(jù)量巨大，給三維系統(tǒng)帶來(lái)很大的壓力，故在三維數(shù)字城市的建模中不建議使用，常用于文物保護(hù)和精細(xì)工程領(lǐng)域;基于CloudWorx和3ds Max建模，由于生成的模型數(shù)據(jù)量小，能體現(xiàn)建筑物的細(xì)部結(jié)構(gòu)，故常用于三維數(shù)字城市建模;而對(duì)于工廠、管道、變電站等組件式的點(diǎn)云建模，常使用Cyclone軟件。比較結(jié)果如表1所示。

幾種激光點(diǎn)云建模方式比較表1

如何壓縮和減少Geomagic Studio生成模型的數(shù)據(jù)量，以及如何快速映射外業(yè)掃描時(shí)獲取的紋理，減少貼圖工作量，是下一步要思考和解決的問(wèn)題。

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［2］劉春，楊偉.三維激光掃描對(duì)構(gòu)筑物的采集和空間建模［J］.工程勘察，2006(4).

［3］李濱.徠卡三維激光掃描系統(tǒng)在文物保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2008(6).

［4］王峰，陳煥然，程效軍.基于地面激光掃描儀的建筑物數(shù)字化方法［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011(6).

［5］盛業(yè)華，張卡，張凱等.地面三維激光掃描點(diǎn)云的多站數(shù)據(jù)無(wú)縫拼接［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(3).

［6］劉春，陸春.三維激光掃描數(shù)據(jù)的壓縮與地形采樣［J］.遙感信息，2005(2).