基于SketchUp的建筑物實(shí)景三維模型重建

王濤 柳德江 陽利永

摘 ?要： 隨著三維激光掃描儀的價(jià)格不斷下降，激光掃描技術(shù)的不斷完善和數(shù)據(jù)處理方法的不斷提升，三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。本文通過STONEX X500Plus三維激光掃描儀采集傳習(xí)館點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用SketchUp軟件，詳細(xì)介紹建筑物三維建模的主要技術(shù)流程，實(shí)現(xiàn)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)景三維建模。

關(guān)鍵詞： SketchUp;三維激光;點(diǎn)云配準(zhǔn);點(diǎn)云濾波

中圖分類號： TP399 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.04.014

本文著錄格式：王濤，柳德江，陽利永，等. 基于SketchUp的建筑物實(shí)景三維模型重建[J]. 軟件，2019，40（4）：7476

【Abstract】： With the continuous decline in the price of 3D laser scanners， the continuous improvement of laser scanning technology and the continuous improvement of data processing methods， 3D laser scanning technology has become more and more widely used. This article uses the STONEX X500Plus 3D laser scanner to collect point cloud data from the library， and uses SketchUp software to introduce in detail the main technical processes of 3D modeling of buildings and realize the real 3D modeling of building point cloud data.

【Key words】： SketchUp; 3D laser; Point cloud registration; Point cloud riltering

0 ?引言

客觀世界中的物體多以三維立體的形式展現(xiàn)在人們面前，包含外形特征、表面紋理等信息。傳統(tǒng)的建筑物模型制作所需要的空間信息多是采用全站儀測點(diǎn)、測距儀鋼卷尺測邊、照相機(jī)拍照貼圖等技術(shù)手段完成，但由于獲取數(shù)據(jù)的局限性，難以得到貼合實(shí)際相應(yīng)比例的建筑物三維模型。隨著行業(yè)對建筑三維空間信息需求的不斷增強(qiáng)，空間點(diǎn)位信息獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)可以直接從建筑物表面獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，進(jìn)而采用建筑物表面的海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建[1-3]。三維激光掃描技術(shù)可以高精度、高密度、大面積、高效率、非接觸、全面地獲取被測物體表面的三維坐標(biāo)，從傳統(tǒng)的單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗?、連續(xù)的自動(dòng)數(shù)據(jù)獲

取，增加了信息量，提高了工作效率[3-4]。本文主要采用STONEX X500Plus三維激光掃描儀進(jìn)行傳習(xí)館外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，通過隨機(jī)軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理，最后通過SketchUp軟件對傳習(xí)館進(jìn)行三維實(shí)景重建。

1 ?三維激光掃描技術(shù)

1.1 ?三維激光掃描技術(shù)基本原理

三維激光掃描儀有激光發(fā)射器向被測物體發(fā)射出激光，在被測物體表面產(chǎn)生反射，信號經(jīng)返回后，由儀器內(nèi)置的激光接收器進(jìn)行接受，根據(jù)延遲計(jì)時(shí)器可以計(jì)算出目標(biāo)點(diǎn)P與掃描儀的距離S，控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度α和縱向掃描角度觀測值β[6-8]。測量時(shí)一般為儀器自定義坐標(biāo)系。X軸在橫向掃描面內(nèi)，Y軸在橫向掃描面內(nèi)和X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，目標(biāo)物體上的P點(diǎn)坐標(biāo)如下圖1所示，P點(diǎn)坐標(biāo)可由下式（1）求出：

1.2 ?STONEX X500Plus介紹

本文采用的STONEX X500Plus是基于脈沖式的三維激光掃描儀，測距范圍2～500 m（80%反射率），可視范圍水平360，垂直180（90°×2），掃描速率大于40 000點(diǎn)/s，角度分辨率毫弧度0.37 mrad，精度可達(dá) ±4 mm （50 m距離處），激光等級達(dá)到1級安全激光，掃描儀內(nèi)置專業(yè)數(shù)碼相機(jī)，最高像素8 560萬像素，單幅分辨率1 070萬像素，數(shù)據(jù)存儲32 G，可擴(kuò)展至64 G。STONEX X500Plus，性能優(yōu)異、簡單易操作，適應(yīng)野外復(fù)雜的工作環(huán)境，STONEX X500Plus可輸出真彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自建長距離Wi-Fi熱點(diǎn)，通過平板電腦、筆記本、PDA或智能手機(jī)進(jìn)行無線操控，可以在野外輕松直接地掃描、組織工作、檢查數(shù)據(jù)儲存和創(chuàng)建輸出文件。

2 ?傳習(xí)館點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 ?傳習(xí)館點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本文中所涉及的建筑物傳習(xí)館為新建鋼架結(jié)構(gòu)，地上3層，背后為一臺地，顯示為地上2層，共布設(shè)6個(gè)站點(diǎn)，各站平均距離15 m，掃描水平角設(shè)置為120，采用普通掃描模式，分辨率為2 mm，為了保證各站之間的拼接和建模精度，本文采用外接GPS替代常規(guī)的擺放靶球方式，站站之間的重疊度達(dá)到50%左右[9]。

2.2 ?點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

本文主要采用STONEX X500Plus隨機(jī)佩帶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件StonexSiScan對傳習(xí)館點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2.2.1 ?點(diǎn)云配準(zhǔn)

雖然每一測站獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分別采取各自的工程坐標(biāo)系，最后需要配準(zhǔn)到統(tǒng)一的坐標(biāo)系中完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的整體拼接，但本文中傳習(xí)館的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集是通過三維激光掃描儀外接GPS-RTK的方式獲得的，保證了每一測站都具有固定的CGCS2000坐標(biāo)，將原始的x3Hr格式點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到StonexSiScan中，再導(dǎo)入每一測站的CGCS2000坐標(biāo)，通過軟件的自動(dòng)拼接（測站點(diǎn)已知）功能完成傳習(xí)館的點(diǎn)云配準(zhǔn)（圖2）[10]。

2.2.2 ?點(diǎn)云濾波

三維激光掃描儀發(fā)射出的激光信號在獲取目標(biāo)表面信息的過程中，會受到目標(biāo)物表面材質(zhì)、顏色及采集過程中的大氣和目標(biāo)物周邊的障礙物遮擋等影響，產(chǎn)生噪聲點(diǎn)。因此，在進(jìn)一步處理前要先進(jìn)行點(diǎn)云的濾波。本文主要采取StonexSiScan軟件中的粗差剔除，通過人工交互操作，轉(zhuǎn)換不同視角，對噪點(diǎn)進(jìn)行框選剔除。

2.2.3 ?點(diǎn)云壓縮

三維激光掃描儀可在短時(shí)間內(nèi)獲取大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本文中使用的STONEX X500Plus儀器掃描傳習(xí)館點(diǎn)云數(shù)據(jù)共計(jì)23 092 647個(gè)點(diǎn)，在采集過程中，由于要完成自動(dòng)拼接，因此測站間保持了30%以上的重疊度，拼接的過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)冗余，大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在存儲、操作、顯示、輸出方面都會占用大量的系統(tǒng)資源，造成處理速度緩慢，運(yùn)行效率地下，必須要對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減[8-9]。本文通過重新設(shè)置閾值0.02 m，完成傳習(xí)館點(diǎn)云的縮減。

2.2.4 ?點(diǎn)云導(dǎo)出

經(jīng)過配準(zhǔn)、濾波和壓縮之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)僅顯示在同一窗口中，通過合并將每一測站的單獨(dú)點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并為一個(gè)文件，選擇導(dǎo)出為TXT文件[11][12]。

3 ?傳習(xí)館三維實(shí)景建模

3.1 ?傳習(xí)館立面圖制作

立面圖的制作需借助AutoCAD進(jìn)行，本文將導(dǎo)出的傳習(xí)館點(diǎn)云TXT文件加載進(jìn)CAD中，利用AutodeskReCap將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為AutoCAD可以識別的RCP文件，然后通過不同立面的點(diǎn)云切割，完成立面圖的制作。傳習(xí)館立面圖如圖3所示。

3.2 ?傳習(xí)館三維實(shí)景重建

將AutoCAD制作的傳習(xí)館立面圖直接導(dǎo)入SketchUp中，在SketchUp中將建筑物的立面圖進(jìn)行拼接，根據(jù)建筑物的特征線，構(gòu)建白模。如下圖4所示。

實(shí)景建模，就是要貼合實(shí)際狀況，所建立的模型盡量與現(xiàn)狀一致，因此需要在白模上進(jìn)行理貼圖。本文中由于三維激光掃描儀采集的照片無法清晰的反映現(xiàn)狀，因此通過數(shù)碼相機(jī)拍攝傳習(xí)館各個(gè)立面的正面照片，并在Photoshop中對拍攝的照片進(jìn)行處理。在SketchUp中，打開材質(zhì)工具，將紋理圖片貼到建筑物各個(gè)面上，調(diào)整貼圖尺寸，使照片與建筑物表面吻合，傳習(xí)館三維模型整體效果圖如圖5所示。

4 ?結(jié)束語

本文探討了基于SketchUp的點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)例三維建模，在文中詳細(xì)介紹了從外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集到內(nèi)業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，及后期規(guī)則物體的真三維模型重建，實(shí)現(xiàn)三維模型的快速生成。

參考文獻(xiàn)

[1] 曾繁軒， 李亮. 地面激光雷達(dá)點(diǎn)云的曲面重構(gòu)技術(shù)[J]. 激光雜志， 2017， 38（6）： 108-111.

[2] 王磊， 郭清菊， 姜晗. 基于改進(jìn)的八叉樹索引與分層渲染的海量激光點(diǎn)云可視化技術(shù)[J]. 軟件， 2016， 37（3）： 114-117.

[3] 盧超， 黃蔚， 胡國超. 基于圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜對象建模設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2015， 36（12）： 220-223.

[4] 王堃宇， 王奇智， 高龍山， 等. 基于三維激光掃描技術(shù)的邊坡表面變形監(jiān)測[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2017， 17（20） 11-16.

[5] 徐雯皓， 李忠， 蘇鑫昊. 基于 3D 引擎的汶川震前水文變化三維模擬演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件， 2018， 39（4）： 176-179.

[6] 隋立春， 張熠斌， 柳艷， 等. 基于改進(jìn)的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)算法的 LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波[J]. 測繪學(xué)報(bào)， 2010（4）： 390-396.

[7] 劉尚武， 魏巍， 矯宇鵬. 三維模型的規(guī)格化表示與存儲方法研究[J]. 軟件， 2016， 37（4）： 29-31.

[8] 張雨禾， 耿國華， 魏瀟然， 等. 保留幾何特征的散亂點(diǎn)云簡化算法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 28（9）： 17-19.

[9] 化蕾， 黃洪宇， 陳崇成， 等. 基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的客家土樓三維建模[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用， 2015， 30（1）： 115-122.

[10] 艾嘉豪， 朱大明. 無人機(jī)傾斜攝影測量在三維建模中的應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 192-195.

[11] 張數(shù)， 楊德宏. 數(shù)字近景攝影測量的二維影像三維建模的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用[J]. 軟件， 2018， 39（2）： 133-138

[12] 朱煜， 康寶生， 李洪安， 等. 一種改進(jìn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡方法[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2012， 32（2）： 521-523.