基于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建筑物三維模型重建

權(quán)玲，張官進(jìn) （.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 3000；.安徽科技學(xué)院，安徽 滁州 3300）

0 引言

古建筑在中國(guó)文化中占據(jù)舉足輕重的地位，更是世界建筑文化中不可缺少的部分，承載著國(guó)人的智慧，寄托著“國(guó)”和“家”的思念，其價(jià)值不言而喻。建筑物在破損修繕、異地重建過程中，因傳統(tǒng)測(cè)量方法的限制而費(fèi)時(shí)費(fèi)力，三維激光掃描技術(shù)的零接觸、大數(shù)據(jù)、高性能等特點(diǎn)，在古建筑的保護(hù)中發(fā)揮顯著優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)在建筑物模型重建中的應(yīng)用進(jìn)行了深入探索。文獻(xiàn)[5]以西北民族大學(xué)蝴蝶廳異地重建項(xiàng)目為例，提出了室內(nèi)外一體化三維建模的研究思路；文獻(xiàn)[6]以朱德故居為例，闡述了基于三維激光掃描技術(shù)的古建筑精細(xì)數(shù)字化建模過程；文獻(xiàn)[7]提出基于激光三維掃描的建筑空間結(jié)構(gòu)虛擬重建系統(tǒng)；文獻(xiàn)[8]針對(duì)甕城古城墻內(nèi)側(cè)包砌城磚的損失問題，提出了一種掃描古城墻數(shù)據(jù)的實(shí)地采集、拼接去噪、修補(bǔ)孔洞以及三維建模的方法；文獻(xiàn)[9]以沈陽(yáng)金融博物館，利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、建模。

本文以安徽理工大學(xué)“紅樓”為例，在“紅樓”拆除前利用HS650三維激光掃描儀完成了數(shù)據(jù)的采集，并結(jié)合HD-3LS-SCENE、AUTODESK Re Cap 與3Dmax三款軟件進(jìn)行模型重建。以期為“紅樓”數(shù)字化存檔和后期異地重建工作提供參考依據(jù)。

1 建模流程

主要流程：準(zhǔn)備工作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、建模。建模流程如下圖所示。

三維建模流程

①準(zhǔn)備工作。主要包括確定掃描儀最佳掃測(cè)距離、測(cè)區(qū)踏勘、掃描點(diǎn)選擇、布設(shè)標(biāo)靶、確定掃描參數(shù)。

②數(shù)據(jù)采集。每測(cè)站設(shè)置合理掃描區(qū)域，保證測(cè)站間的最佳掃測(cè)重合度，同時(shí)拍攝建筑物照片，做好記錄。

③數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理質(zhì)量決定建模精度，使用中海達(dá)HD-3LS-SCENE軟件拼接、去噪。

④建模。將處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)AUTODESK Re Cap壓縮、轉(zhuǎn)換格式后，導(dǎo)入3Dmax建模，并進(jìn)行紋理貼圖。

2 基于三維點(diǎn)云的建模

安徽理工大學(xué)“紅樓”位于老校區(qū)中央，共三棟。開工于1950年，與縣級(jí)淮南市同時(shí)誕生；落成于1952年，與市級(jí)淮南市一起到來。是淮南城市發(fā)展的見證，是淮南市的歷史文化建筑。這三棟“紅樓”，集蘇式風(fēng)格和中式對(duì)稱審美元素于一體，因紅磚紅瓦的中國(guó)紅元素，稱為“紅樓”，頗具美學(xué)價(jià)值，2019年已全部拆除。

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取

①確定掃描距離。數(shù)據(jù)采集前，通過實(shí)驗(yàn)確定數(shù)據(jù)采集的最佳距離。在相同外部條件下，掃描儀分別在10 m，30 m，50 m，100 m，125 m，150 m距離處進(jìn)行掃描，每個(gè)距離掃描5次取平均值，同時(shí)在設(shè)站處使用全站儀進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)掃描、測(cè)量結(jié)果，計(jì)算各距離掃測(cè)中的誤差及內(nèi)、外符合精度。結(jié)果表明，100 m范圍內(nèi)，掃描儀精度及穩(wěn)定性較高，距離越近，精度越高，符合建模精度要求。綜合考慮精度及外業(yè)掃描工作量，確定25 m為三維建模時(shí)數(shù)據(jù)采集距離。

②現(xiàn)場(chǎng)踏勘。“紅樓”周邊綠植較多，部分墻體被樹木遮擋，增大了數(shù)據(jù)采集的難度。測(cè)站數(shù)多，固然能獲取足夠數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)冗余度大；同時(shí)，測(cè)站過多，會(huì)降低測(cè)站整體拼接精度。

③掃描點(diǎn)布設(shè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，挑選合適角度，最終確定四個(gè)掃描點(diǎn)，分別位于“紅樓”的四角。

④布設(shè)標(biāo)靶。點(diǎn)云拼接時(shí)，需要標(biāo)靶提供特征點(diǎn)。標(biāo)靶不能集中，必須均勻分布，拼接時(shí)需要三個(gè)以上標(biāo)靶同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)測(cè)站內(nèi)，并且標(biāo)靶不能在同一直線上。

⑤數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)正式采集前，先預(yù)掃，確定掃描角度，同時(shí)確定掃描參數(shù)，保證數(shù)據(jù)充足而不冗余、數(shù)據(jù)精度高。數(shù)據(jù)采集時(shí)，每個(gè)測(cè)站做好詳細(xì)記錄，如遇突發(fā)情況，隨時(shí)暫停并重測(cè)。點(diǎn)云采集完成后，進(jìn)行紋理采集，采用高分辨率照相機(jī)，控制拍攝角度、拍攝光線、所拍墻體部位，確保紋理完整、清晰。

2.2 數(shù)據(jù)處理

①點(diǎn)云拼接。拼接時(shí)需要確定至少三個(gè)同名點(diǎn)，組成大致等邊三角形。結(jié)果顯示，X、Y、Z三個(gè)軸向的拼接精度，最大為1.3cm，最小為0.08cm，整體拼接誤差為0.3mm，拼接精度較高。

②點(diǎn)云降噪。三維掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)量特別大，在掃描中，雖然已經(jīng)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)置，但仍然存在很多與建模無關(guān)的數(shù)據(jù)，除建筑物與標(biāo)靶外，任何數(shù)據(jù)都是多余的。這些多余的數(shù)據(jù)會(huì)造成數(shù)據(jù)處理較慢、建模精度低，應(yīng)當(dāng)刪除。在軟件中，肉眼識(shí)別噪聲點(diǎn)與軟件識(shí)別噪聲點(diǎn)相結(jié)合，刪除所有噪聲點(diǎn)，降噪后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)減少了百分之八十。

2.3 建模

點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接與降噪后，經(jīng)AUTODESK Re Cap處理、轉(zhuǎn)換格式，導(dǎo)入3Dmax軟件中建模，三維模型完成后，進(jìn)行二維紋理貼圖。

①建模。處理后數(shù)據(jù)導(dǎo)入3Dmax軟件中，確定模型外部輪廓線，包括底部、上部等邊緣線，構(gòu)成樓體的輪廓。輪廓線進(jìn)行實(shí)體填充后，生成白膜。

②貼圖。貼圖是為了使模型更加美觀、真實(shí)。在3Dmax軟件中，導(dǎo)入處理后的紋理圖片，進(jìn)行渲染、UVW貼圖，獲得“真實(shí)”“紅樓”模型。

3 模型評(píng)價(jià)

模型評(píng)價(jià)包括兩個(gè)方面，一是尺寸精度，二是紋理貼圖效果。評(píng)價(jià)精度，需要模型尺寸與真實(shí)建筑物尺寸相比較，確定二者尺寸誤差是否在精度允許范圍內(nèi)?！凹t樓”模型尺寸可以在軟件中直接量測(cè)，實(shí)體數(shù)據(jù)使用全站儀測(cè)得，多次測(cè)量取均值。部分?jǐn)?shù)據(jù)如上表所示。

模型與實(shí)體尺寸偏差

如上表所示，單個(gè)物體和墻面與墻面之間掃描清晰，數(shù)據(jù)易采集，精度較高；窗戶對(duì)角線數(shù)據(jù)可以反映模型變形情況，從表中可以看出，模型尺寸還原度高，幾乎沒有形變。整體考慮，模型尺寸與實(shí)體尺寸差值均在5cm范圍內(nèi)，精度較高，符合精度要求。

紋理貼圖效果評(píng)價(jià)，將現(xiàn)場(chǎng)拍攝的高精度照片作為主要參考標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)物材質(zhì)及歲月痕跡，考查紋理與實(shí)物是否相符、清晰。結(jié)果表明，貼圖效果與實(shí)體基本保持一致，貼圖效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于零接觸現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)完成安徽理工大學(xué)“紅樓”的三維重建，得出以下結(jié)論。

①零接觸現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)結(jié)合專業(yè)軟件，建模速度快、精度高，模型可以360°旋轉(zhuǎn)，得到任何角度的效果圖，真實(shí)感強(qiáng)。

②數(shù)字化的“紅樓”便于存檔，也可以做成虛擬漫游演示效果供校友欣賞，為“紅樓”的未來提供更多可能。