基于三維激光掃描的校園建筑三維建模

佘智淵

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院，甘肅 蘭州 730000）

社會的發(fā)展與科技的進步，測繪行業(yè)已經(jīng)從傳統(tǒng)的二維技術(shù)上升到了三維的高度。三維模型作為三維地理信息平臺中的最主要的數(shù)據(jù)，三維信息技術(shù)的飛速發(fā)展對三維模型提出了更高的要求：高效率、高精度。不僅停留在可視高度還需要融入細描、后期設(shè)計規(guī)劃等，從而為需求者提供更加真實準確的服務(wù)。

20世紀90年代中期，隨著激光雷達技術(shù)的發(fā)展、最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的三維激光掃描技術(shù)開始興起。三維激光掃描技術(shù)以其可以快速精確的獲取物體外層大批量三維坐標數(shù)據(jù)等優(yōu)勢，深受歐美等發(fā)達國家重視。三維激光掃描儀儀器方面，美、日、德等國的公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在精度、速度、影像清晰度等方面已經(jīng)達到較高水平。比較有影響力的廠家有美國的polhemus、日本的Minolta2、瑞士的 Laika、瑞典的Top Eye等。當前市場的主流三維激光掃描系統(tǒng)品牌有美國的CYRA公司生產(chǎn)的Cyra、法國Topo Sys公司的Falcon II、德國IGI公司的Lite Mapper 等[1，2]。

我國在三維激光掃描技術(shù)方面起步較晚，測繪行業(yè)在此技術(shù)方面頗為重視，我相信定會后來居上。儀器方面，我國中海達公司生產(chǎn)的HS1200高精度三維激光掃描儀在精度、頻率、自動化處理方面達到了較高水準，其他國產(chǎn)生產(chǎn)廠商也是厚積薄發(fā)實力不容小覷。在軟件及后期數(shù)據(jù)處理方面，近幾年我國的科研院所、大學(xué)在此方面的研究正在增多，出現(xiàn)了一批像Cyclone、Geomigic（這些是國外軟件）等優(yōu)秀軟件[3]。

本文闡述了地面三維激光技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展情況，對三維激光掃描儀測量方法進行介紹，結(jié)合實例對采集的點云數(shù)據(jù)后期建模流程進行展示，其中包含前期點云預(yù)處理，點云數(shù)據(jù)分割提取、模型框架構(gòu)建等，后期對數(shù)據(jù)貼圖，創(chuàng)建帶有坐標系統(tǒng)的真三維模型，最后分析了地面三維激光掃描三維建模精度。

1 三維激光掃描解析坐標原理

三維激光掃描系統(tǒng)種類的不同，主要表現(xiàn)在不同系統(tǒng)的測距原理不同。當前階段主流儀器三維激光掃描技術(shù)方法有：脈沖測距技術(shù)、相位干涉方法掃描技術(shù)、相機與光源位置關(guān)系解算技術(shù)，不同的方法也形成了相對應(yīng)的三維激光掃描儀[4，5]。

因其測量模塊相對簡單、測量范圍廣等優(yōu)勢市面上多數(shù)的三維激光掃描儀所用系統(tǒng)的工作方式是三維激光脈沖測距技術(shù)。它以激光反射的原理以點云方式獲取海量三維點云數(shù)據(jù)。獲取待測目標的坐標原理為：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)射出的一個激光脈沖信號碰觸待測物體表層后反射出四面八方的激光反射線，接收器識別與發(fā)射光線路徑幾乎一致的一束激光被接受所用的時間經(jīng)過計算得到該點到掃描儀的距離S，如圖1所示。

圖1 標解算方法圖解

三維激光掃描儀發(fā)射器放射一個激光脈沖信號，經(jīng)物體外層漫反射后，沿差不多一樣的行徑反向傳回到接收器，能夠計算目標點P與掃描儀直線距離S，對反射回來的強度解析進行色彩灰度匹配，控制編碼器同時測量每個激光的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β。三維激光掃描儀是在系統(tǒng)局部坐標系進行坐標采樣，在儀器的內(nèi)部的一個點為坐標的原點，X、Y軸在系統(tǒng)局部坐標系所在平面上，X軸為光束水平偏轉(zhuǎn)方向，Y軸為光束垂直偏轉(zhuǎn)方向，Z軸與光束掃描平面垂直，知道這些信息可以解算出掃描點的坐標（XP，YP，ZP），其計算公式如下[6-9]：

2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

三維激光掃描技術(shù)核心在于準確快速的采集待測物體三維信息。在對測區(qū)進行測量時，先對測區(qū)大小、相對位置、信號情況、測區(qū)形態(tài)和測區(qū)周圍可能帶來的影響進行分析。分析后確定掃描站位置、測量站數(shù)、控制標靶個數(shù)及位置進行前期分析設(shè)計，統(tǒng)一測站與標靶的坐標系統(tǒng)[10]。

外業(yè)數(shù)據(jù)采集分為測量控制網(wǎng)建立和三維激光掃描[11-13]。布設(shè)控制網(wǎng)和測定靶標點坐標采用網(wǎng)絡(luò)RTK測量方法，困難地區(qū)可采用基于連續(xù)運行參考站的靜態(tài)觀測及處理模式，三維激光掃描用于采集點云數(shù)據(jù)和提取靶標坐標。

2.1 站點的設(shè)置

采用三維激光掃描技術(shù)對蘭州交通大學(xué)四號教學(xué)樓進行三維建模，現(xiàn)場勘測該教學(xué)樓長度47.5m、寬度20.3m、高度23.5m，整體呈現(xiàn)長方形，砼房屋結(jié)構(gòu)。掃描時需要對不同站點之間的點云數(shù)據(jù)進行拼接，所以需要站點之間的點云數(shù)據(jù)有部分重疊，重疊率控制在20%左右即可。儀器的參數(shù)所致站點不可離待測目標過近過遠，雖然理想環(huán)境下FARO Focus 3D 120這款儀器采集距離可達120m，可為達到精度要求和點云有效數(shù)據(jù)容易提取和處理掃描距離應(yīng)控制在50m內(nèi)。最終確定掃描站數(shù)為三個，位置分別為四號樓南側(cè)中間位置與博學(xué)路北側(cè)花壇空隙中，第二個位置于知行環(huán)路四號樓中端，第三個位置在四號樓北側(cè)大桐樹前。控制靶標每站之間設(shè)置三個，三站就需要兩組的控制靶標，位置選于四號樓對角線的西北和西南角上，一組的三個靶球不共線，保證每兩站之間都可以掃描到一組靶標球。這樣采集過的數(shù)據(jù)就能夠保證在經(jīng)過控制點的強制符合后兩個測站點的數(shù)據(jù)符合要求的七個自由度，使點云數(shù)據(jù)能有效地使用到同一個坐標系下。

接下來使用高精度GPS測量靶標的坐標。使用強制對中桿進行強制對中，將儀器設(shè)置成移動站模式輸入甘肅省cors號進行測量。用該系統(tǒng)的平滑功能間隔十秒測量四組數(shù)據(jù)并挑選最合適的數(shù)據(jù)來保證精度。測量的控制點坐標采用國家CGCS2000坐標成果。后期即可根據(jù)靶球的坐標系和掃描儀內(nèi)部坐標系進行相互轉(zhuǎn)化，根據(jù)測量出的標靶三維坐標數(shù)據(jù)一點云進行拼接使點云變得有三維信息。

2.2 三維掃描

在測量規(guī)劃好的測站點上，調(diào)整好三維激光掃描儀的姿態(tài)并進行對中整平，對已經(jīng)規(guī)劃測量好的靶標點上架設(shè)標靶并對中整平。在三維激光掃描儀上進行參數(shù)設(shè)置，新建一個工程文件使用儀器的內(nèi)置計算機系統(tǒng)，設(shè)置室外掃描環(huán)境。四號教學(xué)樓整體結(jié)構(gòu)不算復(fù)雜掃描范圍設(shè)置為100m，質(zhì)量設(shè)置為4x，彩色掃描的方式。

以在博學(xué)路這一站為例，掃描第一遍設(shè)置較低的分辨率進行快速的掃描來整體把控測區(qū)地物和簡單特征。在全景掃描過后需要更改參數(shù)對單獨教學(xué)四號樓部分區(qū)域進行較高的分辨率掃描來獲取更密集更有針對性的點云，為精細化建模做好數(shù)據(jù)的準備。最后還需要對靶標進行高分辨率的掃描來獲取更加密集靶標球點云，這樣才能通過掃描得到的靶標上的大量點云來確定靶標球的中心點的位置。只有得到了高精度的靶標球的坐標才能保證多站拼接和坐標之間的轉(zhuǎn)換成果的精度。

當?shù)谝粶y站經(jīng)過兩到三次掃描過后，需要作業(yè)人員簡單的查看數(shù)據(jù)，重新發(fā)現(xiàn)問題，對比實地和點云數(shù)據(jù)大概形狀，分析還不需要再次補充掃描。核實過后對掃描參數(shù)進行檢查確認后，對數(shù)據(jù)進行保存。這一測站結(jié)束后，對儀器進行檢查及時對電池進行充電。前往下一測站進行測量，重復(fù)上述操作即可。

3 點云數(shù)據(jù)處理

三維激光掃描工作結(jié)束后將獲得大量的點云數(shù)據(jù)。其中很大一部分是分布隨機或人為干擾造成的噪聲產(chǎn)生的無用數(shù)據(jù)。掃描儀每測一站就會產(chǎn)生相應(yīng)的局部坐標系，而點云數(shù)據(jù)應(yīng)用時需要讓點云數(shù)據(jù)處于同一坐標系下，所以對于前期的點云數(shù)據(jù)需要處理后使用。

3.1 點云數(shù)據(jù)配準

蘭州交通大學(xué)四號教學(xué)樓的三維掃描共架站三次，各個站點所掃描的點云處于不同的坐標系下，而最終建模所需點云數(shù)據(jù)要統(tǒng)一于一個坐標系統(tǒng)下。這樣就需要把采集的點云信息用軟件SCENE打開進行點云的配準、拼接。

采集同一組的待測物體點云數(shù)據(jù)中包括了不同的采集點，在架設(shè)儀器時設(shè)計之初就要保證百分之二十掃描重疊率，這就讓不同站點間存在很多點云是重復(fù)的。對于靶標球的掃描我們增大了對它的采集分辨率，這樣使得在標靶球部分有更多的公共點。處理數(shù)據(jù)配準時我們將利用這些公共部分的點云，通過這些個點云特征同時利用三角形間的約束關(guān)系對兩部分點云進行拼接。這一匹配方法類似于攝影測量中影像中同名相點的解算，把兩個同名進行拼接，使得兩幅影像圖拼接到了一起。這里對點云的配準使點云的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到了一個基準坐標系中，把多個部分的點云集中到了一個整體上。

打開SCENE軟件，點擊文件—新建—項目，創(chuàng)建一個新的項目。將三維激光掃描儀與計算機相連接，找到數(shù)據(jù)點云原始文件進行備份。把備份好的文件直接拖進新建的工程中，即可查看初始點云。在智能化的軟件輔助下，可以實現(xiàn)自動拼接，選擇工具—選擇—匹配—匹配球體設(shè)置，輸入靶球半徑。接下來在SCENE模式選擇操作—正在預(yù)處理—預(yù)處理掃描命令，掃描結(jié)束后對路徑進行保存。在預(yù)處理選擇框中選擇進行標靶球拼接，接下來軟件將進行處理，完成點云的拼接。

3.2 點云去噪處理

四號教學(xué)樓整個區(qū)域掃描范圍較大，所獲取點云信息較為龐大，其中包括掃描到其他非測量地物的冗余信息。在激光掃描儀掃描過程中不可避免的是環(huán)境對儀器的影響，如空氣中飄著的柳絮、人和車輛的流動、樹木遮擋所產(chǎn)生的無用點云。還有部分無用點云是在掃描過程中，由其他來源的激光被接收的散光、背景光還有儀器內(nèi)部產(chǎn)生的熱噪聲、電噪聲、圖像采集卡本身和信號在電子電路傳輸過程中帶來的隨機噪聲。

這些無用的點云數(shù)據(jù)會導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)量變大，計算機數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出變慢，我們需要把這些信息剔除掉。在SCENE軟件中打開點云，可以直接手動對點云進行一便篩選。從軟件中打開視圖命令，選擇三維視圖，選擇三維視圖工具欄中的地球圖標，這樣就可直觀挑選點云。選擇工具欄中的多邊形選擇器對數(shù)據(jù)進行框選，選擇性刪除和保留。對于遠離點云聚集的中心區(qū)域、遠超測區(qū)范圍的點云直接刪除。測量建筑物的周圍如高大的樹木，不相關(guān)的人員、車輛、路燈等地物進行人為干預(yù)，進行逐點、逐面、逐塊進行切割去噪。

最后把點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic中通過自動去除噪音點對點云數(shù)據(jù)進行進一步細化。Geomagic軟件的這個功能可以去除人為無法分辨系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的噪點。處理后的點云數(shù)據(jù)分布如圖2、圖3所示。點云數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的處理已經(jīng)得到了很好的簡化。這時就需要對多刪除的點云和漏采的點云特征點進行補充測量。這時選用單點測量的RTK法，對點云漏洞區(qū)域和丟失的測區(qū)特征點進行采集，坐標系應(yīng)與激光掃描系統(tǒng)下的坐標系保持一致。

圖2 處理后的四號教學(xué)樓整體點云

圖3 處理后的四號教學(xué)樓側(cè)面點云

4 三維建模

處理后的點云數(shù)據(jù)可以直接在建模軟件3ds Max中打開。導(dǎo)入點云的第一步需要把點云所處的高度設(shè)置為 0，坐標設(shè)置為（0，0，0）。 調(diào)整后坐標不再改動，這樣方便以后對其他模型進行融合。連接計算機與三維激光掃描儀，把儀器中的測區(qū)高清照片導(dǎo)出到電腦，應(yīng)用于軟件的模型貼圖、渲染。

有了點云這個準確的參照物，讓我們在3ds Max中建模可以精確美觀并且省時省力的建出模型。四號教學(xué)樓面積較大，窗戶、門、房檐等非面狀地物較多是模型制作的難點。

4.1 構(gòu)建房屋主體結(jié)構(gòu)

模型建造現(xiàn)需要選取勾勒出房體主要骨架線，確定房屋整體結(jié)構(gòu)。先在max中將視角變成俯視，使用二維線確定房屋主體bumxnkd長寬（x，y)，勾出樓體的輪廓，再切換為三維視角，選擇擠出命令根據(jù)點云所形成面的高度為房屋準確的高度，選擇底面擠出形成四號教學(xué)樓的主體長方體結(jié)構(gòu)。

房屋主體上還有由玻璃外墻組成的長方體結(jié)構(gòu)樓梯間，高度比房屋主體多一層。在房體頂層有為了防雨所修筑的檐廊，每一層窗口下方都有放置空調(diào)和防止雜物掉落的水泥隔板。在點云的約束下，合理利用擠出，倒角、拉伸、殼等工具，使用由點云的點到點云連成的線拉伸成面的原理，設(shè)計制作出房檐、水泥板、堆放雜物等方正結(jié)構(gòu)。最后把這些多出來的主體附屬物與主體房屋連接起來，形成一個房屋框架實體。

4.2 房屋細節(jié)處理

接下來切換為編輯多邊形模式，設(shè)置邊層級使用連接命令加線來畫出門窗的輪廓。接下來進入細節(jié)制作，選擇面層級勾勒出窗戶輪廓后使用線層級命令進行加線處理，然后用切角命令把線分成兩根對應(yīng)著窗戶的位置形成了一個窗戶的基本形狀。進入面層級選中玻璃面繞后向內(nèi)擠出，一個窗戶就制作完成了。

房屋面上的各種地物處理方式近乎相同。都是先從二維入手勾勒出外形，進行加線處理使其更精細，然后進入三維層面，對面進行向內(nèi)外的擠壓形成體。在模型制作過程中需要時刻與真實照片做比對。

建?？偟膩碚f就是一個通過點云的約束創(chuàng)造模型的過程，當骨架做好后需要的就是添枝增葉。復(fù)雜的模型進行分解后變成個別小塊簡單的三維模型，進行組合拼接成大塊模型，比如樓梯模型的創(chuàng)建就是由多個大小各異的長方體進行合理拼接形成樓梯。利用三維命令旋轉(zhuǎn)、鏡像、陣列，合理使用擠出、旋轉(zhuǎn)、拉伸等命令即可構(gòu)建出絕大多數(shù)的相對復(fù)雜的實體。

4.3 模型貼圖

四號樓的骨架及各部分細小區(qū)域構(gòu)建好后，進入模型的貼圖。渲染貼圖前首先需要進行重合面的檢查，如檢查出有重合面，這個重合面就會閃爍，需要對其進行修改刪除處理。

在貼圖前需要用照片編輯軟件對掃描儀中的原始照片進行簡單處理?？梢赃x擇PhotoShop軟件打開照片，把照片中的不屬于測區(qū)范圍d內(nèi)的雜物經(jīng)過裁剪、橡皮差等工具刪除。也可以使用剪裁、復(fù)制粘貼把照片中的房體單獨提取出來放到一個圖層中。對處理后的照片進行保存，選擇照片質(zhì)量為最大，最大程度保持照片的清晰度，保存格式選擇JPG或PNG。

然后進行UVW貼圖，在3ds Max中，選擇材質(zhì)編輯器，選擇材質(zhì)球中的位圖建立對象并顯示。對UVW貼圖時選擇照片放置合適的骨架位置上，時刻比對模型與實際照片使紋理保持一致，貼圖后進行塌陷處理，達到預(yù)期效果后導(dǎo)出模型，建模效果如圖4所示。

圖4 四號教學(xué)樓建模效果圖（模型不像是激光點云制作的模型）

4.4 精度檢驗分析

選取模型上的房屋外圍防水臺的四個角點進行網(wǎng)絡(luò)RTK測量精度a檢核，四個點命名為a，b，c，d。使用手持激光測距儀進行樓體的長寬檢核比對，見表1。

表1 精度對比

從數(shù)據(jù)比對來看所建模型相對精度誤差控制在2cm之內(nèi)，絕對精度控制在3cm，滿足模型的限差要求。

5 結(jié)語

地面三維激光掃描技術(shù)可以彌補當前建模方式應(yīng)用比較廣泛的傾斜攝影測量建模技術(shù)存在的精度一般、遮擋區(qū)域無法建模、影像匹配誤差較大等缺陷，做到高精度，高效率的數(shù)據(jù)采集進而進行快速建模。

因此傾斜攝影技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)在技術(shù)層面有很強的互補性兩種技術(shù)相互結(jié)合會得到很好的建模效果。在大范圍城市建模中，可以采用傾斜攝影測量方式進行大面積建模，在房屋密集、樹木遮擋嚴重和城區(qū)關(guān)鍵建筑測量時可采用地面三維激光掃描技術(shù)對測區(qū)加以補充，使得整個測區(qū)模型獲得最佳效果，類似工程項目可以應(yīng)用兩種方法結(jié)合建模的方法進行建模。