基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模在三維數(shù)字工廠建設(shè)中的應(yīng)用研究

張紅春

摘要： 隨著三維數(shù)字工廠建設(shè)步伐的加快和三維激光掃描技術(shù)在測量領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，利用點(diǎn)云建模技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字工廠建設(shè)值得研究。本文以工程實(shí)例，闡述了利用點(diǎn)云建模技術(shù)進(jìn)行三維數(shù)字工廠建設(shè)的流程，總結(jié)了其關(guān)鍵技術(shù)，供同行們指導(dǎo)、共勉。

Abstract： With speeding up the construction pace of three-dimensional digital factory and the widely use of three-dimensional laser scanner in measurement area， the construction of three-dimensional digital factory by the point cloud technology is worth to study. This paper takes engineering projects to expound the construction process of three-dimensional digital factory using point cloud modelling technology and sum up the key technology of it to provide references for counterparts.

關(guān)鍵詞： 點(diǎn)云；三維數(shù)字工廠；三維激光掃描；精細(xì)化模型

Key words： point cloud；three-dimensional digital factory；three-dimensional laser scanner；refinement model

中圖分類號：P225.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）12-0045-03

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字工廠建設(shè)的步伐越來越快，特別是三維數(shù)字工廠建設(shè)更是目前的熱點(diǎn)。在三維數(shù)字工廠建設(shè)工程中，不但需要采集大量的三維坐標(biāo)信息和屬性信息，還需要進(jìn)行精細(xì)化建模、保證模型數(shù)據(jù)的可量測性和精度。往往工廠里的建構(gòu)筑物密集，很多建構(gòu)筑物不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、幾何形狀還不規(guī)則，若采用傳統(tǒng)測量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，不但采集效率較低，還會受到一定的測量環(huán)境條件限制。若采用三維激光掃描技術(shù)，可快速獲取詳細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取相關(guān)建構(gòu)筑物的體型模型，極大的提高了數(shù)字化采集效率，還可消除人工采集數(shù)據(jù)可能存在的粗差。因此，利用三維激光掃描技術(shù)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)建設(shè)三維數(shù)字工廠值得研究。

1 某三維數(shù)字工廠建設(shè)流程

某工廠根據(jù)企業(yè)發(fā)展和管理需要，在已有二維總圖數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過三維激光掃描等測量手段，獲取建構(gòu)筑物、架空管線等的空間位置、高度、尺寸等數(shù)據(jù)，進(jìn)而制作地形、建構(gòu)筑物、交通設(shè)施、管線等的三維模型，建立總面積為3.65平方公里的三維數(shù)字工廠，建設(shè)流程主要包括五個(gè)方面的內(nèi)容。

①二維數(shù)據(jù)提取：在已有的二維總圖數(shù)據(jù)中提取地形地貌數(shù)據(jù)、架空管線管徑屬性數(shù)據(jù)、地下管線空間位置和管徑屬性數(shù)據(jù)等。

②紋理數(shù)據(jù)獲?。翰捎酶叻直媛蕯?shù)碼相機(jī)實(shí)地拍攝建構(gòu)筑物的立面照片，對照片進(jìn)行裁剪、調(diào)色、干擾影像去除和拼接后獲取建構(gòu)筑物立面紋理。采用無人機(jī)航攝系統(tǒng)采集整個(gè)工廠的航片，將航片經(jīng)過裁剪、調(diào)色處理后獲取建構(gòu)筑物頂面紋理；采用無人機(jī)航片，生成高精度數(shù)字正射影像圖，獲取地形紋理。局部道路、鐵路、綠地等地面紋理，使用數(shù)碼相機(jī)拍照片獲取。

③點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集：采用Riegl VZ1000三維激光掃描儀采集建模所需點(diǎn)云，共進(jìn)行掃描測量1020站。

④點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理：采用隨機(jī)軟件“RiSCANPRO”進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的去噪、配準(zhǔn)和拼接等工作。對點(diǎn)云進(jìn)行噪聲去除后，通過掃描站點(diǎn)和定向點(diǎn)的坐標(biāo)，或者掃描站點(diǎn)坐標(biāo)和各站公共特征點(diǎn)云來完成各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)對齊拼接處理。拼接完成后，根據(jù)所需數(shù)據(jù)的豐富程度，按照一定的間隔導(dǎo)出點(diǎn)云文件。

⑤三維型模制作：由二維地形圖上的高程點(diǎn)數(shù)據(jù)、建構(gòu)筑物基底面、坡坎邊線構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，生成數(shù)字高程模型，并疊加DOM作為紋理形成地形模型。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用三維逆向建模軟件，提取建構(gòu)筑物外輪廓的三角面模型，再根據(jù)三角面模型采用三維建模軟件構(gòu)建建構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)模型，最后對模型的外表面粘貼紋理，形成建構(gòu)筑物模型。根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作架空管線三維模型，模型顏色參照該類型管線實(shí)際顏色用單色模擬。以地下管線、管溝和隧道的中心線、截面尺寸和底高，由程序自動生成三維模型，模型顏色參照其實(shí)際顏色用單色模擬。綜合考慮植被的表現(xiàn)效果，建立十字面片或多面片的植被幾何模型。信號燈、檢修井、消防栓等附屬設(shè)施獨(dú)立物采用典型樣式進(jìn)行建模、粘貼紋理，模型可重復(fù)使用。

2 關(guān)鍵技術(shù)論述

①點(diǎn)云數(shù)據(jù)掃描采集時(shí)，掃描儀盡量布設(shè)在較高的位置，部分站可設(shè)置在建構(gòu)筑物頂上。對于重要建構(gòu)筑物區(qū)域和植被遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)增加掃描站或進(jìn)行高密度掃描，盡量避免出現(xiàn)掃描盲區(qū)。

②為了提高點(diǎn)云拼接精度，可采用全站儀或GPS-RTK測量掃描站點(diǎn)和后視定向標(biāo)靶點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，測量精度應(yīng)不低于圖根控制點(diǎn)測量的精度。

③點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理時(shí)，相鄰點(diǎn)云模型的配準(zhǔn)應(yīng)以其中一幅點(diǎn)云坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，將相鄰的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至基準(zhǔn)坐標(biāo)系下，形成完整連續(xù)的點(diǎn)云模型，拼接完成后必須檢查拼接精度，點(diǎn)云拼接效果圖如圖1所示。

④雖然點(diǎn)云數(shù)據(jù)中有建筑物的完整拓?fù)潢P(guān)系，但往往存在噪聲點(diǎn)及大量冗余數(shù)據(jù)，所以在提取輪廓時(shí)，應(yīng)先將需要建模的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獨(dú)立出來，然后刪除無關(guān)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于不同位置的建構(gòu)筑物與激光掃描儀的距離不同，所以獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分布就不均勻，需對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行均勻化采樣，最終得到保留了建構(gòu)筑物特征點(diǎn)而且數(shù)據(jù)量冗余小的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

⑤在地形建模時(shí)，對局部需要表現(xiàn)細(xì)節(jié)特征的對象，要采用等高線、特征點(diǎn)等數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化。在構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）時(shí)，應(yīng)采用分界線的高程點(diǎn)和各結(jié)點(diǎn)構(gòu)建；其中高程點(diǎn)應(yīng)作為散點(diǎn)處理，線應(yīng)作為斷線處理，范圍面作為替換面處理；點(diǎn)和線上結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角網(wǎng)頂點(diǎn)，對于斷線上的距離超過一定值的兩點(diǎn)，應(yīng)在兩點(diǎn)連線上自動插點(diǎn)，其高程可按線性插值求得。由點(diǎn)和線構(gòu)建TIN后，應(yīng)以建模范圍面為準(zhǔn)裁剪TIN。由于數(shù)字表面模型（DSM）主要反映地形的起伏情況，而數(shù)字真正射影像（TDOM）主要顯示地物、地貌的水平分布狀況。只有將兩者疊加起來才能形成逼真的三維地形模型。

往往工廠中的架空管線較多，在根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模時(shí)，應(yīng)采用三維逆向建模軟件分段擬合，才能保證管線空間位置精度高，管徑準(zhǔn)確。在滿足可視化效果的前提下，可減少管線模型的幾何面數(shù)。架空管線的閥門一般采用通用模型表示，根據(jù)與其相接管線尺寸調(diào)整模型大小。

雖然通過構(gòu)建三角網(wǎng)的方法可以快速構(gòu)建建構(gòu)筑物的三維輪廓模型，該三維輪廓模型能反應(yīng)建構(gòu)筑物的空間位置、尺寸、形狀，但由于激光掃描往往會出現(xiàn)掃描盲區(qū)，所以有些地方會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，要得到建構(gòu)筑物完整的三維精細(xì)化模型，還需要根據(jù)建構(gòu)筑物的三維輪廓模型提供的空間位置、尺寸等信息進(jìn)行精細(xì)化三維建模。

⑥在精細(xì)化建模時(shí)，先將由點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建的三角面模型導(dǎo)入到專業(yè)建模軟件中，再進(jìn)行建構(gòu)筑物立體化，并對照相關(guān)現(xiàn)場照片或航片，結(jié)合輪廓信息進(jìn)行制作，達(dá)到外形與照片一致，高度、尺寸與點(diǎn)云一致，才可能保證不遺漏建構(gòu)筑物的三維細(xì)節(jié)信息。

⑦為了保證模型本身的現(xiàn)實(shí)性和在三維場景中的逼真度，在構(gòu)建完精細(xì)化模型后，需要利用建構(gòu)筑物現(xiàn)場采集照片或航片等素材對模型進(jìn)行紋理映射。因?yàn)榻?gòu)筑物各部位具有不同的構(gòu)造信息和外觀特性，加之部份建構(gòu)筑物使用年代較久，外觀遭風(fēng)化等侵蝕嚴(yán)重，所以應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場照片等素材分別制作紋理信息并貼圖。建構(gòu)筑模型在滿足視覺效果的前提下，可減少模型的幾何面數(shù)和降低紋理的分辨率，對有規(guī)律的紋理可采用重復(fù)貼圖。

⑧在完成一個(gè)區(qū)域的建模后，應(yīng)加入模擬現(xiàn)實(shí)中的燈光、天氣等效果，對整個(gè)區(qū)域的場景進(jìn)行烘焙處理，如加入了燈光文件烘焙出的場景，就會有陽光照射的陰影效果。

⑨為使模型能在三維場景中呈現(xiàn)良好的可視化效果，在烘焙處理后，可根據(jù)需要制作動態(tài)場景、動畫導(dǎo)航。最終圖如圖6所示。

⑩在三維數(shù)字工廠建設(shè)中，為了合理利用已有資源，應(yīng)將質(zhì)量、精度和現(xiàn)勢性良好的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯處理后利用。在質(zhì)量控制中，必須對數(shù)據(jù)模型的完整性、特征點(diǎn)的幾何精度和紋理的正確性進(jìn)行檢查檢驗(yàn)。

3 結(jié)束語

利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集不但操作方便、自動化程度高，而且數(shù)據(jù)獲取速度快、數(shù)據(jù)精度高，大大縮短了三維數(shù)字工廠建設(shè)的外業(yè)工作時(shí)間。利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)能構(gòu)建高質(zhì)量、精細(xì)化的三維模型，尤其對不規(guī)則及復(fù)雜幾何物體的三維建模有顯著的效果，在三維數(shù)字工廠的可量測性和高精度性方面起到了重要作用，具有明顯優(yōu)勢。

雖然點(diǎn)云數(shù)據(jù)本身和采集有很多優(yōu)點(diǎn)、優(yōu)勢，但點(diǎn)云數(shù)據(jù)沒有紋理和顏色信息，表現(xiàn)不直觀，如果單純利用點(diǎn)云難以對地物進(jìn)行判讀、分類，在一定程度上制約著點(diǎn)云的應(yīng)用。所以在三維數(shù)字工廠建設(shè)過程中，還需通過其它測量手段獲取形象的紋理和顏色等屬性信息，作為三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的紋理補(bǔ)充。由于三維數(shù)字工廠自身特點(diǎn)的要求，往往需要精細(xì)化建模，而目前精細(xì)化建模工作主要靠手工操作完成，耗時(shí)耗力；如何提高利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化建模的自動化程度，如何將點(diǎn)云建模技術(shù)與其它測繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息化技術(shù)進(jìn)行更加有效的結(jié)合，仍是今后建設(shè)三維數(shù)字工廠需要研究的重要方向。

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