基于三維激光掃描的高層建筑建模研究

宋洪英 曹坤 閆曉楠

摘 要：三維激光掃描技術(shù)能夠快速獲取目標(biāo)表面大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過對這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)利用和處理，能夠反映出目標(biāo)的屬性和三維模型。高層建筑發(fā)展速度不斷增加，其復(fù)雜性、龐大性增加了建模難度。于是文章借助三維激光掃描技術(shù)，對高層建筑建模進(jìn)行研究。首先對三維激光掃描系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行分析，然后基于三維激光掃描建立某高層建筑模型，結(jié)果表明構(gòu)建的高層建筑模型效果較好、構(gòu)建速度較快。

關(guān)鍵詞：三維激光掃描;高層建筑;建模

中圖分類號：P225.2;TU198 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）08-0123-04

Research on High-rise Building Modeling Based on 3D Laser Scanning

Song Hongying， Cao Kun， Yan Xiaonan

（Aerospace Architecture Design & Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100162，China）

Abstract：Three-dimensional laser scanning technology can quickly obtain a large number of point cloud data on the target surface. By using and processing these point cloud data， it can reflect the attributes and three-dimensional model of the target. The development speed of high-rise buildings continues to increase， and their complexity and largeness increase the difficulty of modeling. So the paper uses 3D laser scanning technology to study the modeling of high-rise buildings. First， the basic principles of the 3D laser scanning system are analyzed， and then a high-rise building model is established based on the 3D laser scanning. The results show that the constructed high-rise building model has a better effect and a faster construction speed.

Key words：3D laser scanning; high-rise buildings; modeling

三維激光掃描技術(shù)能夠連續(xù)、快速、準(zhǔn)確、自動的獲取目標(biāo)物體表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠重建物體模型，將多種傳統(tǒng)的測繪技術(shù)融為一體，能夠在很多領(lǐng)域中發(fā)揮重要優(yōu)勢，屬于一種全新的數(shù)據(jù)獲取方法[1-2]。隨著我國現(xiàn)代社會進(jìn)程加快，高層建筑越來越多，由于高層建筑的特點(diǎn)不同，增加了其建模難度，需要使用大量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)才可能構(gòu)建一個完整模型。三維激光掃描技術(shù)的發(fā)展，能夠簡化高層建筑建模，提高高層建筑建模的準(zhǔn)確度，能夠準(zhǔn)確反映高層建筑的特征，并且能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為三維模型[3]。于是文章選擇某高層建筑作為研究對象，借助三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行高層建筑建模。

1 三維激光掃描系統(tǒng)的基本原理

三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍廣，具有較強(qiáng)的應(yīng)用效果和作用。其中三維激光掃描系統(tǒng)的具有4個主要不同的部分，分別為掃描軟件控制平臺、激光掃描儀、電源供應(yīng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理平臺，因其這4個部分的組成，使得三維激光掃描技術(shù)能夠發(fā)揮應(yīng)有的作用效果[4-5]。在4個部分中激光掃描儀作為核心部分，其主要由激光掃描系統(tǒng)和激光測距系統(tǒng)構(gòu)成。下面將從激光測距系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)這兩種組成部分進(jìn)行分析，即三維激光掃描系統(tǒng)的基本工作原理。

1.1 激光測距系統(tǒng)

激光測距系統(tǒng)可以使用不同的測距方式，比較常見的方式有脈沖式測距、相位式測距和激光三角測距，每種測距方式都有各自的特點(diǎn)。在三維激光掃描儀中主要使用脈沖測距方式，這種測距方式的主要原理如圖1所示。使用激光發(fā)射器對被測目標(biāo)發(fā)射激光脈沖信號，然后該脈沖信號會被反射回來，然后被接收器所接收，記錄器會將發(fā)射信號到接收信號的時間記錄下來，即脈沖信號的往返時間t ，由于光速c已知，于是可以根據(jù)下面公式計算出測量距離S[6]。

1.2 激光掃描系統(tǒng)

在三維激光掃描儀中會存在一個坐標(biāo)系統(tǒng)，其中坐標(biāo)原點(diǎn)為儀器中心位置，橫向掃描時的方向設(shè)置為X軸，然后垂直于X軸的橫向掃描面設(shè)置為Y軸，最后垂直于橫向掃描面的方向設(shè)置為Z軸，圖2即為激光掃描系統(tǒng)坐標(biāo)計算示意圖。通過三維坐標(biāo)，能夠確定被測點(diǎn)的位置。假設(shè)目標(biāo)點(diǎn)P點(diǎn)的坐標(biāo)為（Xp、Yp、Zp），如圖2所示，于是該點(diǎn)的計算公式如下：

2 高層建筑建模

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集作為高層建筑建模的關(guān)鍵所在，其主要采集流程如圖3所示。在掃描之前，需要進(jìn)行實(shí)地考察，主要目的在于合理布設(shè)掃描站點(diǎn)，因為一個合理的掃描測站布設(shè)方案能夠提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率。為了得到更好的布設(shè)方案，需要考慮的因素比較多：比如首先需要考慮到三維激光掃描儀最佳的工作范圍，為了能夠保證測量點(diǎn)能夠在最佳工作范圍內(nèi)，通常會將兩個相鄰掃描測站之間的距離設(shè)置得更小一點(diǎn)，即需要小于掃描儀的最佳工作范圍;然后掃描點(diǎn)在布設(shè)過程中需要考慮與控制點(diǎn)的配合問題;掃描時盡量保證正直掃描;最后還需要考慮到數(shù)據(jù)的重疊度問題和掃描過程中的障礙物問題等[7]。

掃描過程并不是直接對目標(biāo)物進(jìn)行掃描即可，在這個掃描過程中需要將其劃分為4個不同階段，分別為粗略掃描、精細(xì)掃描、精掃靶標(biāo)和照片獲取，粗略掃描主要是進(jìn)行全方位掃描，其中使用較低的分辨率，掃描時間非?？欤軌虻玫饺皰呙璧亩S圖形;精細(xì)掃描就是在二維圖的基礎(chǔ)之上選擇目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行長時間的掃描，其中需要使用高分辨率掃描;精掃靶標(biāo)就是對后視靶標(biāo)進(jìn)行高分辨率掃描，確定其中心位置，從而保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接準(zhǔn)確度;照片獲取就是在激光掃描儀器上安裝數(shù)碼相機(jī)，從而獲得對應(yīng)掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的真實(shí)紋理信息。

以某高層建筑作為研究對象，該建筑的位于繁華地帶，于是就會增加數(shù)據(jù)采集的難度。在進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集之前，對高層建筑的周圍進(jìn)行實(shí)際考察，然后再根據(jù)掃描測站布設(shè)的注意事項和相關(guān)規(guī)范，采用遠(yuǎn)近結(jié)合的設(shè)置方式，一共設(shè)置了12站，如圖4所示，其中在高層建筑四周較近的地方設(shè)置站點(diǎn)，用來獲取高層建筑底部完整的點(diǎn)云，然后在高層建筑比較遠(yuǎn)的地方設(shè)置站點(diǎn)，用來獲取高層建筑整體點(diǎn)云。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)后期處理

高層建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成之后，就需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的后期處理流程如圖5所示。于是接下來將對這4個步驟進(jìn)行分析。

2.2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接

三維激光掃描儀在使用過程中，由于多種因素的影響使得每個掃描站點(diǎn)只能對高層建筑的某一部分點(diǎn)云進(jìn)行獲取，為了得到完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要將所有掃描站點(diǎn)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在同一坐標(biāo)系中。對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)的方式不止一種，其中使用頻率最高的方法為基于輪廓特征的點(diǎn)配準(zhǔn)方法，這種方式從本質(zhì)上講就是基于最小二乘法的最優(yōu)配準(zhǔn)方式[8]。配準(zhǔn)又可以分為兩種形式，分別為基于目標(biāo)配準(zhǔn)和無目標(biāo)配準(zhǔn)。由于文章只需要對高層建筑的外部形狀特征進(jìn)行采集，使用靶球進(jìn)行測量，于是文章選擇基于目標(biāo)配準(zhǔn)的方式進(jìn)行配準(zhǔn)。

2.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

使用三維激光掃描技術(shù)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)會受到多方面因素的影響，從而導(dǎo)致有些數(shù)據(jù)會偏離理論值，這些噪聲點(diǎn)會影響到后期數(shù)據(jù)處理的精度，所有有必要對其進(jìn)行去除。常用的去噪方式比較多，比如觀察法、有序點(diǎn)云去噪法、散亂點(diǎn)云去噪法等，在有序點(diǎn)云去噪法中又可以分為好幾種方法，其中有一種方法為濾波法，這種方法的優(yōu)勢較多，比較適合應(yīng)用于文章研究的高層建筑建模中[9]。因為噪聲數(shù)據(jù)具有高頻率特征，通過設(shè)計濾波函數(shù)，能夠?qū)⒃肼曌兊酶悠交?，這種去噪方式就是濾波法。其中使用的濾波算法通常情況下有3種，分別為高斯濾波、平均濾波和中值濾波等，這3種濾波算法的濾波效果如圖6所示，其中中值濾波屬于非常常見的一種非線性濾波方式，具有比較好的濾波效果[10]。然后根據(jù)實(shí)際情況，文章選擇中值濾波方式進(jìn)行去噪處理。最終的去噪結(jié)果如圖7所示。

2.2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡

在使用三維激光掃描技術(shù)時，會對高層建筑表面進(jìn)行大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)會過于密集，從而影響到模型的光順性，而且還會影響到計算機(jī)的運(yùn)行速率。所以為了解決這些問題，可以對密集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡，提取出能夠反映曲面特征的點(diǎn)，然后將其余的數(shù)據(jù)刪除，于是就可以降低點(diǎn)云數(shù)據(jù)的密集，提高計算機(jī)的運(yùn)行時間，并且還能夠較好的反映高層建筑模型。通過國內(nèi)外學(xué)者對點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡的不斷研究，當(dāng)前使用比較廣泛的精簡算法為基于曲率和基于法向量的方式。文章選擇基于曲率的精簡方式對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，能夠刪除大量冗余數(shù)據(jù)。

2.2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割

點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割主要應(yīng)用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)非常多的情況下，為了方便數(shù)據(jù)處理，可以將需要處理的數(shù)據(jù)分割出來單獨(dú)進(jìn)行分析。當(dāng)前自動分割方法有3種，分別為基于邊的點(diǎn)云分割法、基于面的點(diǎn)云分割法、基于混合區(qū)域的點(diǎn)云分割法[11]。點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動分割的軟件也比較多，但是大多情況下需要根據(jù)操作者的經(jīng)驗完成手動分割。文章研究的高層建筑建模，其中涉及到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量非常龐大，使用相關(guān)軟件進(jìn)行手動分割點(diǎn)云會使得計算機(jī)運(yùn)行速度較慢，嚴(yán)重時還會造成軟件崩潰，所以文章可以對單站進(jìn)行分割處理，或者還可以對精簡之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割處理。

2.3 高層建筑的模型建立

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理完成之后，即可根據(jù)數(shù)據(jù)對高層建筑進(jìn)行建模分析。首先，需要從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中提取高層建筑的特征線，通過特征線能夠描述出高層建筑的外貌。特征線提取使用的算法比較多，當(dāng)前比較常用方式有機(jī)遇曲率值、基于法向量等方式，還可以使用影響特征線輔助點(diǎn)云提取特征線[12]。為了更加方便特征線的提取，研究者們發(fā)明了相關(guān)的軟件可以實(shí)現(xiàn)特征線的提取。文章選擇Trimble Realworks軟件進(jìn)行特征線提取，該軟件中含有一個快速輪廓曲線命令，通過選擇一個合適的視角和高度，該軟件能夠能夠得到不同角度的剖切面，而且還會進(jìn)行曲線擬合。在使用該軟件進(jìn)行特征線提取時，可能會存在缺失的部分，如果出現(xiàn)此情況，可以將其和現(xiàn)場照片進(jìn)行對比，將缺失的特征線補(bǔ)齊即可。

特征線提取完成之后，將其導(dǎo)入到Sketchup中，根據(jù)其中平移、推拉等工具能夠建立高層建筑的三維模型基本框架。在高層建筑建模中還存在花壇、廣告牌等單體要素，于是接下來將這些單體要素的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割出來對其進(jìn)行單獨(dú)建模即可。然后將建立好的單獨(dú)模型導(dǎo)入到基本框架中，去要對其進(jìn)行組合，并且統(tǒng)一坐標(biāo)，于是就可以形成高層建筑的三維白模。

此時得到的白膜并不能完全真實(shí)的反應(yīng)出高層建筑，還需要進(jìn)行紋理映射。首先使用照相機(jī)獲取實(shí)際建筑的紋理圖，此時會由于各種因素導(dǎo)致紋理扭曲，不能將其直接貼到白膜上。于是將該紋理圖糾正為正視圖，此時即可將該圖導(dǎo)入到Sketchup中，并使用相關(guān)編輯器將糾正后的紋理圖貼到白膜上，通過相關(guān)調(diào)整之后，使得紋理圖能夠符合高層建筑的原本形貌，最后使用Enscape插件對模型進(jìn)行渲染，于是高層建筑的三維模型如圖8所示。

3 結(jié)語

通過三維激光掃描技術(shù)獲取高層建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和加工，最后借助相關(guān)軟件能夠建立高層建筑的模型。經(jīng)過上文分析，三維激光掃描技術(shù)的功能強(qiáng)大，使用效果好，能夠在諸多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。文章用其進(jìn)行高層建筑建模，最后得到的模型效果較好。文章選擇的高層建筑相對比較規(guī)整，所以基于三維激光掃描的建筑模型效果較好，如果對于異形高層建筑建模，要想快速有效的建模還需要不斷對其進(jìn)行深入研究。

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