基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型重建

李佳康

摘 要：隨著需求的不斷增長，空間信息的表示逐漸從二維形式朝三維形式轉(zhuǎn)變，三維建模技術(shù)與點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集技術(shù)的結(jié)合極大地提高了其真實性和可視化水平。三維激光掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于多個方面，其具有快速性、不接觸性、穿透性、主動性和實時性，同時具有動態(tài)化、數(shù)字化、自動化和效益高、密度高、精度高等特點(diǎn)，解決了目前空間信息技術(shù)發(fā)展中實時性與準(zhǔn)確性的瓶頸。因此，該技術(shù)在逆向工程建模過程中發(fā)揮了很大的作用，滿足了各種產(chǎn)品需求。

關(guān)鍵詞：LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理;特征點(diǎn)建模;紋理貼圖

中圖分類號：P225.2;TU198文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）04-0020-03

Abstract： As demand continues to grow， the representation of spatial information has gradually changed from a two-dimensional form to a three-dimensional form， the combination of 3D modeling technology and point cloud data acquisition technology has greatly improved its authenticity and visualization level. Three-dimensional laser scanning technology is widely used in many aspects， it is fast， non-contact， penetrating， proactive and real-time， and also has the characteristics of dynamic， digital， automatic， high efficiency， high density and high precision， which solves the real-time and accuracy bottlenecks in the current development of spatial information technology. Therefore， this technology has played a great role in the process of reverse engineering modeling to meet the needs of various products.

Keywords： LiDAR point cloud data processing; feature point modeling; texture mapping

城市的三維空間信息獲取是通信網(wǎng)絡(luò)布設(shè)、城市規(guī)劃與管理、智能交通、應(yīng)急救助與災(zāi)害監(jiān)控等工作的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，相對于早期的城市測量數(shù)據(jù)方法，新一代的[1]移動測量技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用為城市信息采集與分析提供了新思路。三維激光掃描技術(shù)主要依靠激光測距的原理來獲取空間三維坐標(biāo)信息[2-3]?，F(xiàn)階段，點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理常用的軟件有Terrasolid、Cyclone、Geomagic和Polyworks等，模型構(gòu)建可以采用3D Max、Revit、Smart 3D和Sketch Up等軟件，同時配合合理的材質(zhì)圖片進(jìn)行紋理貼圖，使得建筑物模型更加真實與美觀。

1 技術(shù)流程

從機(jī)載三維掃描儀獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行[3]數(shù)據(jù)處理，包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波處理、去除噪聲誤差點(diǎn)以及數(shù)據(jù)點(diǎn)的分類整理，方便各個地物及地面點(diǎn)的模型建立，最后通過建模軟件實現(xiàn)三維模型的逆向創(chuàng)建，從而對建筑物及其他地物、地形進(jìn)行規(guī)則化處理和模型生成，基本技術(shù)流程如圖1所示。下面分析其主要過程。

1.1 點(diǎn)云濾波降噪處理

點(diǎn)云濾波就是從海量數(shù)據(jù)中分離出地面點(diǎn)。人們常說的濾波手段多針對圖像，但是對于點(diǎn)云來說，濾波的實現(xiàn)手段則不一樣，從其關(guān)系來看，對于復(fù)雜的三維外形，其三維坐標(biāo)之間并不是以某種規(guī)律或某種數(shù)值關(guān)系來進(jìn)行定義的，通常有雙邊濾波、高斯濾波等方法。

1.2 建模方法介紹

建模方法主要有兩種：一是基于特征提取方式建模;二是多源數(shù)據(jù)融合的建模。

1.2.1 基于特征提取方式建模。建筑物建模主要是依據(jù)建筑物的特征點(diǎn)和特征線，清晰準(zhǔn)確地提取建筑物特征信息。人們可以采用基于移動最小二乘法和矢量估計算法[4]的建筑物點(diǎn)云特征提取方法。另外，對于分類后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，有時會將較為高大的植被與建筑物混雜在一起，在進(jìn)行建筑物建模時就會造成一定的干擾，因此可以采用基于點(diǎn)云目標(biāo)粗糙度的算法[5]進(jìn)行區(qū)分處理。這里的粗糙度是計算某個點(diǎn)的曲率，可以計算鄰域范圍內(nèi)的點(diǎn)的協(xié)方差矩陣的特征點(diǎn)來估算每個點(diǎn)的曲率值。

1.2.2 多源數(shù)據(jù)融合的建模。工作人員可以采取多源數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)行建模，例如，利用地面三維激光掃描和機(jī)載掃描技術(shù)獲取建筑物的立面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再配合無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)獲取建筑物頂部和側(cè)面的影像圖，然后利用近景影像對建筑物細(xì)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)拍，將這幾種數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

1.3 點(diǎn)云抽稀

目前，點(diǎn)云數(shù)據(jù)抽稀算法[6]主要可以歸納為不顧及地形特征和顧及地形特征的[7]兩種算法，下面進(jìn)行簡要介紹。

1.3.1 不顧及地形特征的算法?；谙到y(tǒng)抽稀，給一個事先規(guī)定的采樣間隔，然后按照采樣間隔隨機(jī)抽取一點(diǎn)予以保留。

1.3.2 顧及地形特征的算法?；诓灰?guī)則三角網(wǎng)（TIN）點(diǎn)云抽稀，首先根據(jù)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)生成一個不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），然后計算目標(biāo)點(diǎn)云一定范圍的三角面片間的法線偏差，并根據(jù)這個法線偏差的大小來判斷是否抽稀點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2 試驗流程及操作

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

TerraSolid是運(yùn)行在Microstation系統(tǒng)之上的商業(yè)化LiDAR數(shù)據(jù)處理軟件，主要使用TerraMatch、TerraScan、TerraPhoto和TerraModeler等模塊。加載TerraScan模塊，把點(diǎn)云數(shù)據(jù)按照las1.2格式（暫且不需要抽?。┘虞d進(jìn)來。

2.1.1 航線信息數(shù)據(jù)處理。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件后，人們可以利用測區(qū)航飛記錄，找到測區(qū)內(nèi)所有航線對應(yīng)架次及航線文件夾，復(fù)制對應(yīng)的timelist.txt和sbet.out文件，對航跡線進(jìn)行編輯和編號。

接下來匹配點(diǎn)云和航跡線，從而校正點(diǎn)云的整體姿態(tài)，創(chuàng)建宏命令“Deduce_line_numbers.mac”并運(yùn)行。

2.1.2 點(diǎn)云抽稀。本次設(shè)計試驗的主要目的是對建筑物等地物進(jìn)行逆向模型創(chuàng)建。在創(chuàng)建過程中，可以采用不基于地形特征的抽稀方法，因為數(shù)據(jù)量過大時后期建模軟件會有一定的壓力，也不方便提取建筑物的特征點(diǎn)，因此使用TerraSolid軟件的自帶抽稀功能。

設(shè)置采樣間隔15，進(jìn)行抽稀比較，沒有進(jìn)行抽稀的點(diǎn)云加載12 804 530個數(shù)據(jù)，系統(tǒng)抽稀后，點(diǎn)云加載853 635個數(shù)據(jù)，抽稀后的建筑物特征點(diǎn)仍然存在。

2.1.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)濾波降噪。在TerraSolid軟件中創(chuàng)建宏命令“ground_per_line.mac”，設(shè)置參數(shù)運(yùn)行完成，得到地面點(diǎn)。這里所采取的噪聲去除算法則是用一個點(diǎn)的高程值與給定距離范圍內(nèi)每一個點(diǎn)的高程值進(jìn)行比較，如果中心的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程值明顯低于其他點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程值，這個點(diǎn)就被分離出來，同樣，高位誤差點(diǎn)也是如此。

2.1.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)分類。下面對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分類操作，分別存儲不同類別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將其作為后期建模的數(shù)據(jù)來源。配置一定的參數(shù)，設(shè)置宏建立macro進(jìn)行批處理，首先分類出low、medium和high vegetation，將低、中、高植被分離出來。分類結(jié)束后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)另存為las格式。接著，設(shè)置宏同樣進(jìn)行批處理，用來分離建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)Z的允許限差為0.2 m。建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖1所示。

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

由于3DS Max軟件只能導(dǎo)入rcp格式或者rcs格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此人們需要借助中間軟件將las格式轉(zhuǎn)換成rcp格式。同時，采用Autodesk Recap 360軟件，將las格式各類別的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換成一個點(diǎn)云投影文件rcp。

2.3 建模過程

本研究使用3DS Max2016版本軟件進(jìn)行建模，使用加載Cloud Point功能將點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載進(jìn)來，同時可以設(shè)置點(diǎn)云顯示的顏色、像素、細(xì)節(jié)級別，以便辨別建筑物特征。3DS Max點(diǎn)云效果如圖2所示。

2.3.1 試驗建模方式。在建模過程中，人們主要利用創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)基本體的立體圖形進(jìn)行較為規(guī)則的建筑物模型創(chuàng)建，這可以稱作粗略參照式建模。對于不規(guī)則、輪廓復(fù)雜的建筑物，人們可以使用樣條線工具進(jìn)行描繪創(chuàng)建，并且添加擠出修改器，給定數(shù)量，在側(cè)視圖中進(jìn)行高度匹配。

對于一些較為規(guī)則的建筑物，人們可以創(chuàng)建幾何體，進(jìn)行幾何體的修改或者拼接、交叉。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑物，人們可以結(jié)合樣條線和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合體共同操作，在創(chuàng)建過程中也可以選擇線框或者真實、明暗處理，然后觀察建模效果，根據(jù)點(diǎn)云的位置、高度盡可能準(zhǔn)確地匹配。

當(dāng)對更為復(fù)雜的建筑物進(jìn)行建模時，在多邊形基礎(chǔ)建模后，人們可以將對象轉(zhuǎn)換成編輯多邊形，可以從點(diǎn)、線、面三方面對建筑物的細(xì)節(jié)進(jìn)行修改和調(diào)整，同時搭配上編輯多邊形中的布爾運(yùn)算，進(jìn)行基礎(chǔ)模型之間的求交集、合并等操作。以校門建模為例，配合布爾運(yùn)算時，校門建模效果如圖3所示。

另外，對于建筑物以及道路圓弧或者非直線部分，可以采用樣條線下的圓弧、圓環(huán)操作，或者采用直線繪制方式，將頂點(diǎn)轉(zhuǎn)換成角點(diǎn)、Bezier或者Bezier角點(diǎn)。為了方便管理，某一建筑物建模完成后，可以將其整體拼接為組并命名，將組打開或者解組，方便進(jìn)行修改和貼圖紋理。

2.3.2 材質(zhì)貼圖紋理。一是材質(zhì)貼圖獲取;二是材質(zhì)編輯器;三是貼圖調(diào)整和修改。

2.3.2.1 材質(zhì)貼圖獲取。要想達(dá)到更真實的模型效果，只依靠建模軟件中自帶的RGB（紅、綠、藍(lán)）顏色是不夠的，可以從設(shè)計網(wǎng)站中選取合適的材質(zhì)圖片，包括一些建筑物立面貼圖、路面、植被貼圖等。同時，為了便于獲取試驗區(qū)域的近景照片，可采用地圖軟件等，使用全景地圖功能，獲取一定的近景圖片，再經(jīng)過后期處理，使其更加清晰、適配。

2.3.2.2 材質(zhì)編輯器。人們可以使用3DS MAX軟件中的材質(zhì)編輯器功能的位圖操作，將不同的材質(zhì)賦予到材質(zhì)球上，并且可以對貼附的材質(zhì)圖進(jìn)行裁剪、旋轉(zhuǎn)、平移等操作，從而使得圖片更加適配。

2.3.2.3 貼圖調(diào)整和修改。對于各個面進(jìn)行調(diào)整時，人們可以添加一個UVW貼圖修改器，設(shè)置參數(shù)，如貼圖的方式，一般在立體圖形上選擇長方體方式，也可以調(diào)整貼圖大小，在U、V、W各方向加以調(diào)整。以學(xué)校建模為例，其區(qū)域效果圖如圖4所示。

3 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的不斷普及，數(shù)字地球、數(shù)字城市等逐步發(fā)展起來。未來，三維激光掃描技術(shù)建模必定會取代傳統(tǒng)的建模方式，節(jié)省更多的人力、物力以及時間，并且可以實現(xiàn)高精度、數(shù)字化、自動化和實時化。LiDAR的出現(xiàn)提供了一種獲取測量數(shù)據(jù)的新型方法，其廣泛應(yīng)用于諸多行業(yè)。LiDAR在自動駕駛、農(nóng)業(yè)作物分類、規(guī)劃設(shè)計、考古與文物保護(hù)和醫(yī)療等方面不斷擴(kuò)展與創(chuàng)新，建模的實現(xiàn)可以提升視覺及感官效果，其適用于不同的承載平臺，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輕量化存儲。

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