基于3維激光掃描技術(shù)建筑物建模研究

張會霞

(太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，太原030012)

引 言

地面3維激光掃描技術(shù)是一項新興的測繪新技術(shù)，已成為空間數(shù)據(jù)獲取的重要技術(shù)手段。同傳統(tǒng)的測量手段相比［1］，3維激光掃描測量技術(shù)擁有許多獨特的優(yōu)勢:(1)數(shù)據(jù)獲取速度快、實時性強(qiáng);(2)數(shù)據(jù)量大、精度高;(3)主動性強(qiáng)，能全天候工作;(4)全數(shù)字特征，信息傳輸、加工、表達(dá)容易等，獲取的3維數(shù)據(jù)精度高［2］。

地面3維激光掃描系統(tǒng)獲取的建筑物點云數(shù)據(jù)，可以用來構(gòu)建建筑物的3維模型，針對3維建筑物建模的研究，武漢大學(xué)LI等人［2］利用車載激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行了建筑物特征提取研究，提出了一套基于建筑物幾何特征的信息挖掘方案，可以直接從激光掃描數(shù)據(jù)提取建筑物的平面外輪廓信息。LU等人［3］應(yīng)用平面分割和Hough變換對目標(biāo)物識別并提取特征點、線、面，建立3維模型。YU等人［4］采用平面擬合算法提取出特征點，進(jìn)而提取出特征線。這些自動建模的研究離實際應(yīng)用都還有一定的距離，針對3維激光掃描數(shù)據(jù)的建模，目前主要是在AutoCAD軟件下線劃模型的構(gòu)建。

本文中探討了3維激光掃描技術(shù)從數(shù)據(jù)獲取到建模的理論和方法，通過對校園建筑物掃描、數(shù)據(jù)處理，最終獲得了建筑物的3維模型，采用不同的方法對建筑物進(jìn)行建模，通過對比分析得出最佳的建模方法，并對3維激光掃描數(shù)據(jù)建模的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 3維激光掃描系統(tǒng)的基本工作原理

3維激光掃描儀根據(jù)測量原理可分為脈沖式3維激光掃描儀和相位式3維激光掃描儀。脈沖式3維激光掃描儀測量距離長，相位式3維激光掃描儀測量速度快。相位式測距是利用激光光線的連續(xù)波發(fā)射，根據(jù)光線干涉原理確定干涉相位的測量方法，基于相位測量原理主要用于中等距離的掃描測量系統(tǒng)中，它的精度可以達(dá)到毫米量級，掃描范圍通常在100m內(nèi)。

地面3維激光掃描系統(tǒng)由3維激光掃描儀和系統(tǒng)軟件、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成。3維激光掃描儀的原始觀測數(shù)據(jù)主要包括:(1)激光束的水平方向角α和豎直方向角θ，這兩個角是根據(jù)兩個連續(xù)轉(zhuǎn)動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的(如圖1所示);(2)儀器到掃描點的距離s，這是根據(jù)激光傳播的時間計算得到，再根據(jù)激光束的水平方向角和垂直方向角，可以得到每一掃描點相對于儀器的空間相對坐標(biāo)值;(3)掃描點的反射強(qiáng)度f等。點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為(x，y，z，f)，不僅包含點的空間位置還包含點的反射強(qiáng)度［5］。

Fig.1 Positioning principle of ground 3-D laser scanning system

3維激光掃描點的坐標(biāo)(x，y，z)，計算公式為:

2 3維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理

Fig.2 3-D laser scanning data acquisition and processing chart

3維激光掃描測量時，一般需經(jīng)過兩個階段:(1)數(shù)據(jù)獲取;(2)數(shù)據(jù)處理。其中數(shù)據(jù)獲取前需要對現(xiàn)場進(jìn)行勘踏，制定掃描路線，確定測站與標(biāo)靶的位置及數(shù)量，再進(jìn)行掃描。數(shù)據(jù)獲取需掃描標(biāo)靶點云數(shù)據(jù)、目標(biāo)物點云數(shù)據(jù)、有內(nèi)置相機(jī)的掃描儀還可獲取目標(biāo)物紋理信息、需增加地理參考的可采用全站儀獲取標(biāo)靶的大地坐標(biāo);數(shù)據(jù)處理主要包括坐標(biāo)糾正、地理參考、數(shù)據(jù)濾波、3維建模、紋理映射等操作。圖2為3維激光掃描數(shù)據(jù)獲取與處理的流程。

2.1 數(shù)據(jù)獲取

本文中采用Leica公司生產(chǎn)HDS6000 3維激光掃描儀(如圖3所示)和系統(tǒng)軟件CYCLONE在筆記本電腦的控制下進(jìn)行掃描。在每一測站建立電腦與掃描儀的連接，設(shè)置采樣間隔、掃描距離等參量，先掃描標(biāo)靶的坐標(biāo)，再掃描建筑物，獲得建筑物和標(biāo)靶的采樣點點云圖，由于HDS6000 3維激光掃描儀的掃描有效距離只有50m，本項目共掃描13站。為了把儀器坐標(biāo)系下的點云數(shù)據(jù)糾正到大地坐標(biāo)系下，采用全站儀測量標(biāo)靶坐標(biāo)，獲得標(biāo)靶點(x，y，z)坐標(biāo)。圖4是建筑物一側(cè)的點云圖。

Fig.3 HDS6000 3-D laser scanner

Fig.4 One side of the point cloud image of campus buildings

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理指的是直接在點云數(shù)據(jù)上的操作，建立建筑物的3維模型必須經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理，主要包括坐標(biāo)糾正、數(shù)據(jù)濾波等操作。

2.2.1 坐標(biāo)糾正 坐標(biāo)糾正又稱為坐標(biāo)配準(zhǔn)，獲取的多站點云數(shù)據(jù)，由于每一站數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系都是采用本站的儀器坐標(biāo)系，配準(zhǔn)時需要把不同儀器坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)糾正到同一儀器坐標(biāo)系下。需要用大地坐標(biāo)系時，還需增加地理參考。坐標(biāo)糾正可采用七參量算法［6］。實現(xiàn)兩幅相鄰點云圖的配準(zhǔn)，只需要選取3個以上已知坐標(biāo)值的同名點，就可求出一幅點云圖的點在相鄰坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

采用CYCLONE軟件的Registration模塊完成點云的坐標(biāo)糾正。坐標(biāo)糾正可以采用標(biāo)靶進(jìn)行糾正，也可采用點云進(jìn)行糾正，前者誤差通常為2mm～3mm，后者誤差通常超過1cm。通過選取3個以上的同名點對建筑物點云數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，可選用兩兩測站進(jìn)行糾正，再把糾正好的結(jié)果進(jìn)行糾正，減少誤差的傳播。為了獲得點云數(shù)據(jù)在大地坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，需要增加地理參考，把全站儀測量下的標(biāo)靶坐標(biāo)當(dāng)做一個測站，把糾正好的點云數(shù)據(jù)糾正到大地坐標(biāo)系下。圖5為糾正好的建筑物點云圖。

Fig.5 Correct and filtered point cloud of campus buildings

2.2.2 數(shù)據(jù)濾波 掃描過程中受到各種人為的或隨機(jī)因素的影響，噪聲點難免混在了點云數(shù)據(jù)中，常見的誤差有兩類:(1)系統(tǒng)本身因素引起的誤差，通常采用算法減少噪聲點，常用的濾波方法有高斯濾波、中值濾波、平均濾波［7］;(2)突發(fā)因素引起的噪聲，如掃描時建筑物前面存在樹木、路燈、行人、車輛等，就會在掃描圖上存在無用的點云，通過對點云的分割和濾波，在CYCLONE軟件的ModelSpace模塊下，采用人工交互的方法，如選取點云數(shù)據(jù)，手工刪除。除去各測站點云的噪聲點，提取出目標(biāo)物。圖5為消除噪聲后建筑物濾波的結(jié)果。

3 3維建模與紋理映射

3維激光掃描技術(shù)一個重要應(yīng)用是3維建模，3維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標(biāo)糾正、濾波，提取出建模所需要的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可用于建筑物模型的構(gòu)建。建立實體或表面模型后，為了增加模型的逼真性，通常3維實體模型上增加紋理，使其成為具有真實紋理的3維模型。用圖像來替代目標(biāo)物模型中的細(xì)節(jié)，提高系統(tǒng)顯示速度。如建筑物紋理映射，建筑物表面不僅僅是簡單的墻面，還有門、窗以及其它復(fù)雜表面，如果都采用3維模型來表示，將大大增加數(shù)據(jù)量，影響系統(tǒng)的運行速度，建筑物模型的細(xì)節(jié)通過紋理映射的方法來模擬出，則兼顧系統(tǒng)對速度和模型對逼真度的要求。

3維激光掃描儀獲取的點云數(shù)據(jù)可采用以下3種方法進(jìn)行建模:(1)采用掃描儀自帶的系統(tǒng)軟件進(jìn)行建模，如萊卡公司的3維激光掃描系統(tǒng)軟件CYCLONE軟件;(2)采用AutoCAD軟件進(jìn)行建模;(3)采用第3方建模軟件如3DS MAX、SketchUp等來完成建模、紋理映射等。

3.1 系統(tǒng)軟件下建筑物的建模

系統(tǒng)軟件CYCLONE是利用分割技術(shù)，把建筑物分為不同的墻體，主要采用區(qū)域增長法進(jìn)行面的擬合;對于不規(guī)則幾何體，如曲面，通過構(gòu)建三角網(wǎng)對物體表面進(jìn)行逼近;對于規(guī)則幾何體，如圓柱等，采用點云匹配算法進(jìn)行擬合［8-9］。CYCLONE軟件的建模，是在其ModelSpace模塊下完成。在掃描儀獲取的建筑物點云數(shù)據(jù)上建模主要有以下步驟:(1)定義坐標(biāo)系;(2)建立參考面;(3)繪圖;(4)圖形轉(zhuǎn)成面;(5)去除窗戶部分面;(6)增長厚度。圖6為CYCLONE軟件下建立的建筑物外表面模型。

Fig.6 Outside surface model of building with CYCLONE software

3.2 AutoCAD軟件下建筑物的建模

建筑物由于結(jié)構(gòu)的特殊性，測繪領(lǐng)域目前的建模通常是把點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AutoCAD軟件下，提取建筑物邊界點、特征線等信息，畫出建筑物的特征線。該軟件下的建模，通常也只是線劃模型，建模工作量大，沒有面，只是線條勾勒出建筑物的墻體、門、窗等邊線。該軟件下不能進(jìn)行紋理映射，但可繪制橫斷面圖，用于建筑的施工。

3.3 專業(yè)建模軟件下建筑物的建模

采用Google SketchUp軟件建立模型，該軟件避免了同類設(shè)計軟件3DS MAX，AutoCAD等的復(fù)雜性，其易操作性為建模人員節(jié)省了大量的時間。優(yōu)良的材質(zhì)貼圖系統(tǒng)能很好地表現(xiàn)建筑物模型的質(zhì)感、增加模型的美觀［10-11］。該軟件不僅可以進(jìn)行現(xiàn)代建筑的建模，還可進(jìn)行古建筑的建模，為3維激光技術(shù)在古建筑方面的建模也提供了好的技術(shù)手段。

CYCLONE軟件處理好的點云數(shù)據(jù)，可以通過Cloudworx插件導(dǎo)入到AutoCAD軟件，保存成DWG格式文件，在SketchUp Pro 8.0下導(dǎo)入DWG格式的點云數(shù)據(jù)，進(jìn)行建模。通過在建筑物點云數(shù)據(jù)上進(jìn)行精確的尺寸量測，繪制出墻體、窗戶、門等模型，并進(jìn)行紋理映射即貼圖處理。利用復(fù)制等功能，快速的建好模型。圖7為SketchUp軟件建立的校園建筑物模型。

Fig.7 Building model with SketchUp software

3.4 建模效果的比較

(1)從以上模型的效果看，系統(tǒng)軟件CYCLONE建立的模型不能進(jìn)行紋理映射，僅僅建立了建筑物的外表面模型。該軟件僅能給點云數(shù)據(jù)上映射紋理，不能給模型進(jìn)行紋理映射，只能進(jìn)行單色的渲染。建模的效率較高、工作量較大。

(2)AutoCAD軟件建立的模型也不能進(jìn)行紋理映射，該軟件下的點云數(shù)據(jù)的建模都是線劃模型。該建模方法復(fù)雜、工作量大、效果不是很好。如果用于提取建筑物的橫斷面、縱斷面，效果較好。

(3)采用SketchUp軟件進(jìn)行建模，建立的建筑物模型更逼真，可以進(jìn)行紋理映射。數(shù)據(jù)量也不大、精度更高、尺寸更精確。建立的模型可用于數(shù)字校園中，如在3維可視化軟件ARCGIS下進(jìn)行數(shù)字校園3維可視化，通過MultiPatch類型數(shù)據(jù)，把3維模型導(dǎo)入到ArcGlobe系統(tǒng)與影像疊加進(jìn)行3維可視化，并完成道路、樹木等建模。也可用于古建筑保護(hù)中，并可用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

4 結(jié)束語

采用3維激光掃描儀獲取建筑物點云數(shù)據(jù)，實踐證明，SketchUp 3維建模軟件建立的3維模型效果要比系統(tǒng)軟件模型效果更好，模型的應(yīng)用面更廣，可以在ARCGIS、Skyline等3維可視化軟件下進(jìn)行可視化，并可用于3維數(shù)字校園、古建筑保護(hù)等。

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