一種基于三維激光點(diǎn)云建模的技術(shù)方案

史少維，李玉富，王瑞忠，李志寬，侯少聰，李 巖，靳振士

(北京東方新星石化工程股份有限公司(BNEC)，北京 100070)

一種基于三維激光點(diǎn)云建模的技術(shù)方案

史少維，李玉富，王瑞忠，李志寬，侯少聰，李 巖，靳振士

(北京東方新星石化工程股份有限公司(BNEC)，北京 100070)

隨著數(shù)字化城市建設(shè)的推進(jìn)，大規(guī)模建筑物需要完成三維模型的工作，傳統(tǒng)根據(jù)全站儀采集數(shù)據(jù)制作模型的方法效率低下，特別是針對(duì)復(fù)雜建筑、煤化廠、煉化廠等廠區(qū)裝置進(jìn)行建模，顯得更加困難。本文提出了利用三維激光儀掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的方案，可以大大縮短外業(yè)數(shù)據(jù)采集的時(shí)間，減少外業(yè)工作量。

三維激光；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；Autodesk ReCap；三維建模；3ds Max

三維建模的常規(guī)做法是利用全站儀測(cè)量二維地形矢量CAD底圖，并采集建筑物的特征點(diǎn)高程數(shù)據(jù)，根據(jù)CAD底圖和高程數(shù)據(jù)在3ds Max中進(jìn)行建模、貼圖等操作來(lái)制作三維模型。外業(yè)采集數(shù)據(jù)效率低下，全站儀一站測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)量有限，對(duì)于大規(guī)模范圍建模的項(xiàng)目，會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力。

隨著三維激光掃描儀技術(shù)的發(fā)展，三維激光儀應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，其具有掃描數(shù)據(jù)方便快捷高效的特點(diǎn)，本文提出利用三維激光儀采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行三維建模的方案，探索將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到3ds Max中進(jìn)行建模的方法，從而減少外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量，提高作業(yè)效率。

1 建模方案設(shè)計(jì)

本文的整體思路是采用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，導(dǎo)入到現(xiàn)有的成熟的三維建模軟件3ds Max中，進(jìn)行三維建模。

以點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為建模的參考依據(jù)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅包含空間三維信息，還包含影像色彩信息，能夠更加全面地反映實(shí)體，使得建模更加直觀、更加精準(zhǔn)。

3ds Max作為專業(yè)級(jí)建模軟件，可以精準(zhǔn)地制作復(fù)雜模型。為滿足三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求，在2015以上版本增加了加載及處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的功能模塊，為高效利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)制作大規(guī)模復(fù)雜模型的方案提供了軟件支持。

(1) 進(jìn)行外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、拼接、平差處理，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型。

(2) 為將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max軟件中，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，在Autodesk ReCap軟件中加載點(diǎn)云模型，進(jìn)行裁剪切割，保留目標(biāo)區(qū)域的點(diǎn)云模型，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)出。

(3) 將點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型加載到3ds Max進(jìn)行建模、貼圖，導(dǎo)出應(yīng)用平臺(tái)需要的三維模型格式文件。

(4) 將三維模型導(dǎo)入到應(yīng)用平臺(tái)上進(jìn)行瀏覽、操作等。

建模方案設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 建模主要步驟

2.1 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本文采用的是Z+F三維激光掃描儀，它可以進(jìn)行免棱鏡采集，且具有采集數(shù)據(jù)快、相同區(qū)域內(nèi)的建筑物采集架設(shè)站數(shù)較少的特點(diǎn)。相較于激光掃描儀來(lái)說(shuō)，全站儀人工參與太多，一站需要采集的特征點(diǎn)數(shù)太多，一站所需要的時(shí)間長(zhǎng)。采集之前要設(shè)計(jì)掃描站點(diǎn)、掃描路線，保證建筑物的信息被完整采集，通過(guò)多站掃描，將數(shù)據(jù)整合到一個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)系，得到完整的三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 方案設(shè)計(jì)流程

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

利用點(diǎn)云后處理軟件LaserControl進(jìn)行濾波，通過(guò)距離或矩形濾波保留目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，將不需要的周圍非目標(biāo)點(diǎn)云清除掉。

多站采集的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行拼接，點(diǎn)云預(yù)處理軟件具有面拼接功能，使得在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時(shí)可以不擺設(shè)任何標(biāo)靶，將兩站之間重疊區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，通過(guò)識(shí)別非常細(xì)小的公共面保證了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度，將采集的目標(biāo)建筑群形成準(zhǔn)確清晰的點(diǎn)云模型。

拼接處理后的點(diǎn)云模型如圖2所示。

圖2 拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型

2.3 在Autodesk ReCap中進(jìn)行切割格式轉(zhuǎn)換

三維激光掃描儀采集的原始數(shù)據(jù)由LaserControl軟件預(yù)處理后導(dǎo)出的數(shù)據(jù)格式為XYZ，3ds Max軟件加載的點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式為RCP或RCS格式，因此需要在Autodesk ReCap軟件中進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。

將三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載到軟件中，可以打開頂視模式進(jìn)行瀏覽，利用裁剪工具選擇非目標(biāo)建筑物的點(diǎn)云進(jìn)行刪除，保留目標(biāo)建筑物的有效點(diǎn)云，在該步驟中裁剪不會(huì)影響原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，裁剪處理后保留的數(shù)據(jù)存為新的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)出存為RCP或RCS格式文件即可。

圖3 Autodesk ReCap處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2.4 在3ds Max中制作三維模型

在Autodesk ReCap軟件中對(duì)拼接的整體點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)范圍選擇，選擇要建模的單個(gè)建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)保存，以便使在3ds Max中加載的點(diǎn)云數(shù)據(jù)操作流暢；同時(shí)為了將做好的三維模型加載在平臺(tái)中顯示，需要將三維模型的左下角平移到坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，避免模型遠(yuǎn)離坐標(biāo)原點(diǎn)，出現(xiàn)加載到三維應(yīng)用平臺(tái)時(shí)找不到模型的問題。

在3ds Max中制作模型的操作步驟包括：①加載點(diǎn)云數(shù)據(jù)(RCP或RCS格式)；②使用限制框功能鎖定目標(biāo)點(diǎn)云；③依據(jù)目標(biāo)點(diǎn)云進(jìn)行建模；④對(duì)模型進(jìn)行貼圖、渲染；⑤導(dǎo)出模型，適用于三維應(yīng)用平臺(tái)的文件格式。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)在3ds Max中建模的主要操作步驟如圖4—圖7所示。

圖4 點(diǎn)云模型導(dǎo)入

圖5 限制框鎖定目標(biāo)點(diǎn)云

圖6 目標(biāo)點(diǎn)云建模

圖7 模型貼圖渲染

3 模型應(yīng)用效果

在3ds Max 2016中進(jìn)行貼圖渲染做出三維模型之后，需要導(dǎo)出在三維平臺(tái)中的數(shù)據(jù)格式，本文項(xiàng)目使用的是Skyline平臺(tái)，需要X文件格式，在3ds Max上安裝支持導(dǎo)出X格式的第三方插件。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的是實(shí)際的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，掃描的建筑物是實(shí)際大小，在平臺(tái)顯示時(shí)根據(jù)平臺(tái)地形圖比例尺設(shè)置相應(yīng)的顯示比例尺，與平臺(tái)的比例尺要統(tǒng)一。將模型導(dǎo)入Skyline三維平臺(tái)進(jìn)行展示，按照建筑物的實(shí)際坐標(biāo)進(jìn)行放置，設(shè)置與平臺(tái)統(tǒng)一的比例尺，效果如圖8所示。

圖8 模型應(yīng)用到Skyline平臺(tái)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的方案，通過(guò)項(xiàng)目進(jìn)行了實(shí)踐，具有可行性。對(duì)于大規(guī)模范圍的復(fù)雜建筑和復(fù)雜廠區(qū)裝置，相比于傳統(tǒng)的全站儀測(cè)圖建模，利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的方法具有數(shù)據(jù)采集高效、點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max進(jìn)行建模更加方便直觀快捷的優(yōu)勢(shì)。

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A Modeling Technical Scheme Based on 3D Laser Point Cloud

SHI Shaowei，LI Yufu，WANG Ruizhong，LI Zhikuan，HOU Shaocong，LI Yan，JIN Zhenshi

(Beijing New Oriental Star Petrochemical Engineering Co.Ltd., Beijing 100070， China)

With the development of digital city construction, large- scale buildings need to build 3D models. The traditional method of total station is very difficult, especially for the complex modeling construction, coal plant, refinery equipments and so on. In this paper, a 3D modeling method of 3D laser point cloud data is proposed, which can greatly shorten the time of data collection and reduce the workload.

3D Laser; point cloud data; Autodesk ReCap; 3D modeling; 3ds Max

2016- 07- 13 作者簡(jiǎn)介： 史少維(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事數(shù)據(jù)庫(kù)、三維GIS應(yīng)用與開發(fā)方面的工作。E- mail：shishaoweivc@126.com

史少維,李玉富,王瑞忠,等.一種基于三維激光點(diǎn)云建模的技術(shù)方案[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(3)：83- 85.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0090.

P237

A

0494- 0911(2017)03- 0083- 03