高大復(fù)雜建筑物精細(xì)三維重建研究

吳珍珍，劉會云，李立雪，黃騰達(dá)

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

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高大復(fù)雜建筑物精細(xì)三維重建研究

吳珍珍，劉會云，李立雪，黃騰達(dá)

(河南理工大學(xué) 測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

以焦作廣播電視塔為例，探討了基于三維激光掃描技術(shù)的高大復(fù)雜建筑物數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)。重點(diǎn)研究了對高大復(fù)雜建筑物各部分構(gòu)件精細(xì)三維建模的技術(shù)難點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了高大復(fù)雜建筑物的精細(xì)三維虛擬場景，為三維數(shù)字城市建設(shè)和高大復(fù)雜建筑物變形分析提供高精度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三維激光掃描技術(shù)；高大復(fù)雜建筑物；模型重建

三維激光掃描技術(shù)具有高效率、高精度的獨(dú)特優(yōu)勢，能夠大范圍、高分辨率地獲取對象表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為空間三維信息的獲取和建筑物的三維建模提供了全新的技術(shù)手段[1-3]。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑物虛擬三維場景重建已成為數(shù)字城市的研究熱點(diǎn)。萬怡平等[4]通過對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分層并垂直投影至各層平均高度的平面，提取建筑物各層的邊緣特征點(diǎn)，進(jìn)而規(guī)則化，實(shí)現(xiàn)對單棟建筑物三維數(shù)字模型的快速重建。李新雙等[5]利用Cyclone和C1oudworx for CAD軟件，提取建筑物特征線、繪制三維結(jié)構(gòu)線，并在3DMax中進(jìn)行紋理貼圖，完成對建筑物的三維模型重建。姜如波等[6]對標(biāo)志性建筑物進(jìn)行掃描試驗(yàn)，采用三角網(wǎng)格建模和基于特征提取兩種方法對建筑物進(jìn)行三維重建。這些研究大多是對簡單建筑物進(jìn)行模型重建，對高大復(fù)雜建筑物的研究卻不多。城市中摩天大廈相繼出現(xiàn)，建筑物形狀越來越復(fù)雜，這給數(shù)字城市建設(shè)帶來極大難度。隨著掃描儀硬件以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，地面三維激光掃描技術(shù)在掃描距離、掃描精度等方面有了很大提高，為大型復(fù)雜建筑物的數(shù)字化及建模提供了可能性。本文在總結(jié)建筑物模型重建技術(shù)的基礎(chǔ)上，以焦作廣播電視塔為例，開展數(shù)字化掃描試驗(yàn)及精細(xì)三維重建研究，探討三維激光掃描技術(shù)在高大復(fù)雜建筑物精細(xì)三維模型重建中的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)。

1　點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

焦作廣播電視塔位于焦作市新城區(qū)龍?jiān)春珗@內(nèi)，由上海同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)，塔高238 m，總建筑面積約12 000 m2，占地面積約4.8 hm2，由塔下裙房、塔身、上塔樓和天線段等4部分組成，圖1a為廣播電視塔實(shí)景。

本文采用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀對焦作廣播電視塔進(jìn)行數(shù)字化掃描試驗(yàn)。該儀器的最大掃描距離可達(dá)1 400 m，單點(diǎn)掃描精度為5 mm，每秒可發(fā)射高達(dá)300 000點(diǎn)的纖細(xì)激光束，提供高達(dá)0.000 5°的角分辨率，在對遠(yuǎn)距離大場景掃描時(shí)具有明顯優(yōu)勢，可以在架設(shè)較少站點(diǎn)的情況下獲取對象的完整數(shù)據(jù)。結(jié)合焦作廣播電視塔的結(jié)構(gòu)形狀以及周邊環(huán)境，在圍繞龍?jiān)春恢艿牡孛嫔瞎膊荚O(shè)6個(gè)掃描站(見圖1b)，實(shí)施多測站多角度的場景掃描。采用無標(biāo)靶掃描測量，各站均按掃描儀水平方向和垂直方向所能達(dá)到的最大距離分辨率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)到掃描儀的距離不同，采樣點(diǎn)間距為0.05～0.17 m。

(a)　電視塔實(shí)景

(b)　電視塔站點(diǎn)布設(shè)

2　數(shù)據(jù)預(yù)處理

海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理是精細(xì)建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，其結(jié)果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量。因此，采用合適的方法進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)重采樣、噪聲濾除等至關(guān)重要。

2.1數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

地面三維激光掃描一般采取多站式掃描，而每一站的掃描數(shù)據(jù)都在各自的儀器坐標(biāo)系中，為便于后期數(shù)據(jù)處理，必須進(jìn)行多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，即將2個(gè)或2個(gè)以上坐標(biāo)系中的三維空間數(shù)據(jù)點(diǎn)集轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系中[7]。點(diǎn)云配準(zhǔn)是地面三維激光技術(shù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，配準(zhǔn)的精度直接影響到后期成果的精度[8]。根據(jù)配準(zhǔn)時(shí)所采用的基元，點(diǎn)云配準(zhǔn)方法大致分為基于特征的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和迭代數(shù)據(jù)配準(zhǔn)。本文采用無標(biāo)靶特征配準(zhǔn)方式拼接試驗(yàn)的6站掃描數(shù)據(jù)。無標(biāo)靶特征配準(zhǔn)采用兩步法進(jìn)行，即先進(jìn)行粗配準(zhǔn)再實(shí)施精配準(zhǔn)。粗配準(zhǔn)是通過對應(yīng)的同名特征，解算出初始的點(diǎn)云變換參數(shù)。試驗(yàn)采用首尾雙向拼接方式(見圖①b)，即1站-2站、1站-6站、2站-3站、6站-5站、3站-4站。充分考慮焦作廣播電視塔的高大特征和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，按照均勻分布的原則，在相鄰兩站分別選取6～8個(gè)同名點(diǎn)進(jìn)行拼接，避免同名點(diǎn)選取集中而影響精度。精配準(zhǔn)是在粗配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提高精度，獲取最佳變換參數(shù)。精配準(zhǔn)之后相鄰兩站的拼接精度控制在5 mm以內(nèi)，可以有效保證模型的重建精度。

2.2數(shù)據(jù)精簡

三維激光掃描儀在獲取現(xiàn)實(shí)實(shí)體高精度點(diǎn)云的同時(shí)，也存在著大量的數(shù)據(jù)冗余，必須對其進(jìn)行簡化壓縮處理后才能有效地進(jìn)行精細(xì)建模。為了有效地處理點(diǎn)云，必須保留被掃描對象所需要的信息，然后在此基礎(chǔ)上對掃描對象的點(diǎn)云進(jìn)行最大程度的簡化，這對準(zhǔn)確、快速、有效地進(jìn)行后期處理非常重要。在本文試驗(yàn)中，電視塔數(shù)據(jù)的點(diǎn)云密度受高度影響較大，即塔下裙房點(diǎn)云相對密集、冗余程度較高，塔身、上塔樓和天線段部分則隨著高度增加，點(diǎn)云密度逐漸減小。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)化模型建設(shè)，必須將電視塔的細(xì)節(jié)輪廓特征放在首要位置，特別是對點(diǎn)云相對稀疏的天線段。因此，本文采用基于曲率的點(diǎn)云簡化算法，僅對塔下裙房點(diǎn)云進(jìn)行精簡處理，保留其上部所有點(diǎn)云，不僅可以達(dá)到減少數(shù)據(jù)量的目的，還能有效地保留塔下裙房高曲率區(qū)域的細(xì)節(jié)特征。

2.3噪聲濾除

采用三維激光掃描儀獲取物體表面的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，由于測量儀器、掃描環(huán)境等因素的影響，不可避免地會引入噪聲點(diǎn)。主體建筑物三維建模需要去除噪聲，得到純粹的電視塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)。去噪主要包括目標(biāo)區(qū)域外的點(diǎn)云濾除、目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的孤立點(diǎn)集和線性噪聲濾除[9]。目標(biāo)區(qū)域外的噪聲點(diǎn)包括電視塔周圍的建筑物、樹木等，在點(diǎn)云中占據(jù)相當(dāng)大的份量，濾除后可以有效地減少數(shù)據(jù)量和系統(tǒng)資源占用率，提高數(shù)據(jù)處理的效率；目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的孤立點(diǎn)集和線性噪聲是指電視塔周圍的雜物、行人、激光穿透上塔樓及塔下裙房玻璃等得到的數(shù)據(jù)，這些噪聲數(shù)據(jù)量較小，但也會影響后期精細(xì)模型重建，需要將其濾除。通過點(diǎn)云處理軟件進(jìn)行點(diǎn)云分割和濾波，分離出電視塔主體，完成噪聲剔除。圖2為預(yù)處理后的電視塔點(diǎn)云模型。

圖2　預(yù)處理后的電視塔點(diǎn)云模型

3　精細(xì)模型重建

綜合分析目標(biāo)對象的結(jié)構(gòu)信息、確定合適的建模方法和具體實(shí)施方案，是本文模型重建的又一技術(shù)難點(diǎn)。電視塔塔下裙房具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和表面屬性，多為不規(guī)則形狀及空間曲面：塔身為“丫”形三軸對稱結(jié)構(gòu)，天線段為中心對稱結(jié)構(gòu)，均由圓柱形鋼結(jié)構(gòu)桿件組合而成；塔身中心高速電梯由正六棱柱型的建材圍護(hù)；上塔樓為球形結(jié)構(gòu)，共分4層，主要由圓柱形鋼管和玻璃平面構(gòu)成。在綜合考慮多種建模策略的基礎(chǔ)上，基于電視塔結(jié)構(gòu)的不同特征，采用對點(diǎn)云數(shù)據(jù)分塊獨(dú)立建模的方式，分離建筑物構(gòu)件：(1)上部規(guī)則構(gòu)件(塔身、上塔樓和天線段)；(2)下部不規(guī)則構(gòu)件(塔下裙房)。本文采取不同的重建方法分別對上部規(guī)則構(gòu)件和下部不規(guī)則構(gòu)件進(jìn)行重建。

3.1上部規(guī)則構(gòu)件模型重建

基于對主體結(jié)構(gòu)的分析，本文分別采用圓柱擬合方法和最小二乘平面擬合算法實(shí)現(xiàn)塔身、上塔樓和天線段模型的構(gòu)建。

圓柱擬合方法是通過小鄰域內(nèi)的參數(shù)計(jì)算對柱狀對象進(jìn)行幾何參數(shù)的計(jì)算并提取其特征。圓柱面方程的一般表達(dá)式為：

式中：x0,y0,z0,l,m,n,R為圓柱面的參數(shù)；點(diǎn)P(x0,y0,z0)為圓柱面中軸線上的點(diǎn)坐標(biāo)；R為圓柱面半徑；(l,m,n)為圓柱面沿軸線方向的單位矢量。只要確定了這7個(gè)參數(shù)，就可以在三維空間中確定唯一的圓柱面。為提取圓柱面的初始參數(shù)，可以利用圓柱面軸線的方向與柱狀點(diǎn)云對象的高斯映射所形成的平面正交，計(jì)算圓柱面的軸線方向[10]。

最小二乘法是穩(wěn)健擬合平面的方法之一，其實(shí)質(zhì)是根據(jù)觀測目標(biāo)的幾何特征對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，獲得觀測目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式[11]。本文試驗(yàn)選取的電視塔中的平面都為規(guī)則形狀，并且點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。采用最小二乘平面擬合方法，擬合建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算其空間幾何參數(shù)，獲取其數(shù)學(xué)模型，完成對規(guī)則平面模型(正六棱柱及上塔樓玻璃平面)的構(gòu)建。

數(shù)據(jù)采集時(shí)，受電視塔的高度以及上塔樓的結(jié)構(gòu)影響，上塔樓最上面一層的部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少量缺失點(diǎn)云。基于電視塔的中心對稱結(jié)構(gòu)，對照高清影像，利用對稱性原理消除點(diǎn)云缺失對建模的影響。

3.2下部不規(guī)則構(gòu)件模型重建

不規(guī)則建筑物構(gòu)件的建模過程比較復(fù)雜，主要是提取曲面特征點(diǎn)和特征線，然后利用掃掠、旋轉(zhuǎn)、放樣的方法構(gòu)建模型[12]。例如：塔下裙房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分割其點(diǎn)云數(shù)據(jù)并導(dǎo)入AutoCAD軟件中。利用三維激光掃描軟件Cyclone配套的AutoCAD插件Cloudworx提供的分層切片和曲線擬合等工具，根據(jù)點(diǎn)云擬合塔下裙房結(jié)構(gòu)線，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理為建筑物線框圖。使用AutoCAD成熟的三維建模模塊，利用三維旋轉(zhuǎn)、掃掠、剖切、布爾運(yùn)算等命令完成塔下裙房的精細(xì)三維模型構(gòu)建，如圖3所示。

圖3　塔下裙房三維線框模型

3.3重建模型組合及紋理映射

電視塔主體部分和塔下裙房模型重建完成后，將模型分別導(dǎo)出。多站點(diǎn)配準(zhǔn)后，電視塔點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一坐標(biāo)系，利用Cloudworx插件，統(tǒng)一各部分模型。對于各部件之間出現(xiàn)的縫隙和空洞，需要對其加以修正，避免產(chǎn)生部件交叉、重疊或者懸浮現(xiàn)象，最終形成完整的建筑物實(shí)體模型。

為增加模型的三維逼真效果，在模型構(gòu)建完成之后，還需進(jìn)行紋理映射及燈光補(bǔ)償設(shè)計(jì)。現(xiàn)場采集紋理圖像時(shí)，要做好視點(diǎn)規(guī)劃，各部分光照應(yīng)盡量一致，以減少最終模型表面紋理視覺上的不連續(xù)性[13]。對不同圖像來源的紋理之間的交界進(jìn)行處理，使之自然過渡，避免不同光照條件造成的接縫效果，并調(diào)整圖像色調(diào)、明度等參數(shù)，進(jìn)行正射校正。對電視塔模型進(jìn)行紋理映射時(shí)，可通過調(diào)整紋理的U/V參數(shù)使紋理的大小與幾何表面相對應(yīng)，并從光源類型、光源組成部分、強(qiáng)度、有無陰影效果等方面設(shè)計(jì)燈光補(bǔ)償，對模型進(jìn)行渲染，賦予模型豐富的色彩、貼圖特征，從而生成三維景觀，完成高大復(fù)雜建筑物的真實(shí)感、精細(xì)化三維模型重建。圖4為渲染后的三維實(shí)體模型，可以看出，生成的最終模型具有良好的細(xì)節(jié)表現(xiàn)程度，真實(shí)精確地反映了高大復(fù)雜建筑物表面的結(jié)構(gòu)特征。

3.4重建模型應(yīng)用分析

三維重建模型能夠完整、精確地記錄建筑物本身的空間結(jié)構(gòu)尤其是細(xì)節(jié)特征，可以由此搭建網(wǎng)上虛擬展覽，為游覽者提供更自由的觀察視點(diǎn)，甚至可以從實(shí)際游覽中不可能實(shí)現(xiàn)的角度和距離進(jìn)行瀏覽，并能提供任意的交互，為用戶提供身臨其境的效果。此外，模型數(shù)據(jù)的三維空間信息和實(shí)際電視塔保持一致，可以對三維模型進(jìn)行精確的空間測量，獲取精確的建筑物平面圖、實(shí)測圖、三維掃描圖、后期的剖面圖等，建立其技術(shù)資料檔案，便于修葺保護(hù)和管理，還可以對建筑物進(jìn)行定期觀測。通過多期模型數(shù)據(jù)對比，例如模型間匹配后對比分析、三維線框模型比較等，對建筑物進(jìn)行整體或單點(diǎn)的變形分析，以評價(jià)高大復(fù)雜建筑物的安全狀態(tài)，從而掌握高大復(fù)雜建筑物的穩(wěn)定性。

(a)模型整體效果

(b)塔身細(xì)節(jié)特征

4　總結(jié)

三維激光掃描技術(shù)可以真實(shí)地描述掃描對象的整體結(jié)構(gòu)和形態(tài)特性，并廣泛應(yīng)用于城市景觀的精確建模，為今后三維數(shù)字城市建設(shè)提供了有效手段。本文以焦作廣播電視塔為例，利用地面激光掃描技術(shù)開展了高大復(fù)雜建筑物精細(xì)化三維模型重建研究，并對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和三維實(shí)體重建兩個(gè)核心步驟進(jìn)行了詳細(xì)論述，實(shí)現(xiàn)高大復(fù)雜建筑物真實(shí)感、精細(xì)化虛擬三維場景展示，為高大復(fù)雜建筑物的開發(fā)與保護(hù)過程的變形情況監(jiān)測、恢復(fù)重建和數(shù)字城市建設(shè)等提供了高精度的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。此外，針對高大復(fù)雜建筑物的高精度點(diǎn)云匹配、如何提高復(fù)雜建筑物重建的自動化程度、基于多期模型匹配算法的變形監(jiān)測分析等問題還有待深入研究。

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Research on precise 3D model reconstruction of tall and complicated building

WU Zhen-zhen,LIU Hui-yun,LI Li-xue,HUANG Teng-da

(SchoolofSurveying&LandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Taking Jiaozuo Television Tower for example,this paper studies the key technologies in data processing about tall and complex building based on 3D laser scanning technology.The major research focuses on the technical difficulties concerning 3D model reconstruction of each components of tall and complicated building and its practical applications.This research achieves results of virtual scene exhibition about real and detailed reconstruction model of tall and complex building,provides a high precision data base for the 3D digital city construction and deformation analysis on tall and complex building.

:3D laser scanning technology;tall and complicated building;model reconstruction

2015-11-24

河南省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(112102210193)；國家測繪局測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201412020)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目計(jì)劃(15A420005)

吳珍珍(1990—)，女，河南永城人，碩士研究生。

1674-7046(2016)02-0063-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.02.012

P258

A