基于激光點云數(shù)據(jù)的三維景觀建模研究

于長江

(上饒師范學院,經(jīng)濟與管理學院， 江西，上饒 334100)

0 引言

生態(tài)環(huán)境資源的利用推動了國家的城市化和工業(yè)化進程，但能源大量開采會破壞地球生態(tài)平衡，大力發(fā)展生態(tài)景觀領域，重視“低碳理念”已成為解決生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑[1-2]。激光掃描技術快速發(fā)展，將其應用于生態(tài)領域已成為重要趨勢，將生態(tài)學問題通過激光掃描技術解決已取得重大成效[3]。利用激光掃描技術獲取三維點云，通過處理軟件提取三維點云數(shù)據(jù)參數(shù)，獲取眾多生態(tài)信息。激光掃描技術相比于傳統(tǒng)測量方法，可實時精準獲取目標物體點云數(shù)據(jù)[4]，從點測量發(fā)展至面測量，獲取目標物體各點的位置信息，將目標物體位置信息精準展示至用戶。將激光掃描技術應用于三維景觀建模中，利用計算機所建立模型展示物理世界目標，可為發(fā)現(xiàn)規(guī)律、外形模擬提供工具[5]。

景觀的三維建模是計算機圖形領域的研究重點，目前已有眾多建模技術應用于景觀建模中。曹明蘭等[6]研究傾斜攝影與激光掃描技術結合的3D森林景觀建模；趙凱等[7]研究基于OpenGL的交互式三維樹木建模與可視化，2種方法均可實現(xiàn)高速度景觀建模，但均具有細節(jié)表達能力差、建模工作量大的缺陷[8]。

景觀的三維形態(tài)建模為景觀設計領域提供新的發(fā)展方向，利用激光掃描技術建立景觀模型后，用戶可利用所建立模型明確景觀設計缺陷，針對三維形態(tài)景觀模型依據(jù)用戶需求實時修改[9]，為空間信息獲取提供新途徑。研究激光點云數(shù)據(jù)的三維景觀建模，利用激光掃描技術采集景觀點云數(shù)據(jù)，利用計算機后續(xù)處理點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)景觀模型建立，并通過實驗驗證該方法具的建模有效性，可應用于實際景觀模型建立中，為景觀模擬等重要研究方面提供一定幫助。

1 激光點云數(shù)據(jù)的三維景觀建模

1.1 數(shù)據(jù)采集

利用激光掃描技術掃描目標景觀，通過運行激光掃描儀設備實現(xiàn)全方位掃描目標景觀，獲取待建模景觀的點云數(shù)據(jù)。利用激光掃描儀獲取原始觀測數(shù)據(jù)內(nèi)容如下：激光掃描儀所發(fā)射激光束豎直方向角和水平方向角通過2個連續(xù)轉動的具有反射脈沖激光的鏡子角度值獲取[10]；利用激光束的2個角度和所檢測距離獲取各掃描點與激光掃描儀相應空間相對坐標；激光掃描儀掃描點的放射強度等。用(x,y,z,h)表示激光掃描儀所獲取掃描點，可得激光掃描儀獲取三維激光掃描點坐標(x,y,z)公式如：

(1)

式中，θ與η分別表示激光束豎直方向角和水平方向角,L與h分別表示激光掃描儀至掃描點的斜距以及反射強度。

激光掃描儀采集數(shù)據(jù)質量決定了所建立景觀模型的質量。激光掃描儀數(shù)據(jù)采集過程如下。

(1) 設置目標球。為保證各掃描站數(shù)據(jù)在相同坐標系精準配準，設置目標球數(shù)量需大于3，且所設置目標球需在不同平面內(nèi)，直至完成掃描為止所設置目標球禁止移動。

(2) 掃描站設置。依據(jù)實際情況在待建立景觀模型實際地點設置掃描站，掃描站設置過程中需避免遮擋情況，目標球需無法遮擋樹木等景觀。

(3) 數(shù)據(jù)采集。利用激光掃描儀獲取景觀點云數(shù)據(jù)，采集景觀紋理映射數(shù)據(jù)。

利用FARO Scene軟件控制激光掃描儀掃描過程，首先通過粗掃描獲取景觀信息，識別景觀中包含的目標物體后通過精掃描降低掃描時間。為避免掃描過程中丟失較小的目標景觀，需驗證掃描距離和掃描精度。用O與W分別表示激光掃描儀與景觀目標物體距離以及物體寬度，2π表示激光掃描的圓周周長，激光掃描儀旋轉360°所采集點云數(shù)據(jù)均包含在圓周內(nèi)。用Nd表示激光掃描儀分辨率，可得目標景觀寬度相應點云數(shù)量Nn公式如：

(2)

明確景觀目標物體點云數(shù)量后，即可獲取激光掃描儀所需設置精度以及距離，掃描過程中依據(jù)景觀實際情況，在點云數(shù)量允許情況下調(diào)整激光掃描儀距離以及精度。

1.2 點云數(shù)據(jù)預處理

f(K,G)=min ∑[K·ai+G-bi]

(3)

式中，ai、bi均為需配準的采集點。

選取任一點設站方式采集激光掃描數(shù)據(jù)，各組點云數(shù)據(jù)坐標系并未統(tǒng)一，設置第1站標靶為基準坐標，將第2站和第3站數(shù)據(jù)采集點分別與第1站配準，利用RiSCAN pro軟件完成點云數(shù)據(jù)精細配準。

1.3 點云分割

三維景觀場景點云數(shù)據(jù)通常較為復雜，通過點云分割可利用存在相似特征測度的勻質單元表示復雜的三維景觀。特征測度包含激光掃描技術所獲取點云信息的平均高程、模型擬合參數(shù)、光譜等參數(shù)。利用高維的特征空間向量表現(xiàn)單一測度，將點云數(shù)據(jù)利用聚類分割方法實現(xiàn)分割于高維特征空間中。用P表示掃描點集，將點集P相關聯(lián)的表面區(qū)域用Q表示，Q的子區(qū)域集合用{Q1，Q2，…，Qi,…,Qn}表示，當該子區(qū)域集合符合以下條件時，該子區(qū)域集合即為點集P的區(qū)域分割。

(2)Qi∩Q≠φ，?i≠j。隨機點無法同時屬于不同分割區(qū)域φ，即分割區(qū)域不存在重疊情況；

(3)Qi，i=1,2,…,n。Qi表示連通區(qū)域，各分割區(qū)域內(nèi)的點互相連通；

(4)L(Qi)=True，i=1,2,…,n。區(qū)域內(nèi)是否存在相似度相同的判斷算子用L(Qi)表示，即相似測度的點存在于相同分割區(qū)域內(nèi)；

(5)L(Qi)=False，?i=1,2,…,n，j=1,2,…,n，i≠j。存在差異相似測度特性于不同分割區(qū)域內(nèi)。

1.4 NURBS自由曲面擬合三維景觀模型

自由曲面是景觀三維激光掃描點云內(nèi)目標所建立模型的主要表現(xiàn)形式，通過自由曲面建模方法依據(jù)激光掃描技術所獲取點云數(shù)據(jù)實現(xiàn)三維景觀建模。自由曲面類型復雜多變，利用自由曲線以及自由曲面組合實現(xiàn)目標景觀的三維重建，通過NURBS曲面實現(xiàn)景觀自由曲面的擬合重建。

定義NURBS公式如：

(4)

式中，Ei.j與Di.j分別表示控制頂點以及權因子,k表示u方向的B樣條基函數(shù)冪次,l表示v方向的B樣條基函數(shù)冪次,Ci,k(u)表示u項k階的B樣條基函數(shù),Cj,l(v)表示v項l階的B樣條基函數(shù),依據(jù)B樣條基函數(shù)利用u向以及v向的節(jié)點矢U量與V，獲取遞推公式如：

(5)

控制多邊形網(wǎng)由控制頂點構成，其與v向以及u向節(jié)點矢量組成景觀最終曲面,曲面的推遠以及拉近操作可通過對應權因子調(diào)整實現(xiàn)。

NURBS曲面重建擬合過程為：提取曲面點云邊界，插值操作NURBS曲線建立四邊形區(qū)域，選取孔斯曲面方法生成四邊形區(qū)域基礎面；在基礎面上將曲面點投影，并對投影實施參數(shù)化；選取最小二乘逼近方法擬合NURBS曲面。曲面擬合流程如圖1所示。

圖1 NURBS擬合基面投影法重建

利用邊界點特征提取方法針對光滑區(qū)域的邊界快速提取與四邊域構造過程如下。

(1) 提取邊界點特征。提取曲面點云邊界點相應特征，需滿足邊界點特征的橢球性質。利用邊界特征點提取方法提取曲面邊界點，利用三維Delaunay構網(wǎng)方法建立網(wǎng)格。當其中的三角邊屬于唯一三角面片時，設置該三角邊為輪廓邊界，邊界點為該三角邊的2個端點，將曲面點云邊界輪廓依據(jù)邊界拓撲關系獲取。三維Delaunay構網(wǎng)的點數(shù)量在提取特征時有所降低，邊界提取精度有所提升。

(2) 構造邊界曲線。提取點云邊界后，利用劃分多線段建立四邊界。夾角∠abc由相同邊界曲線上的三點構成，該夾角需大于所設定閾值Thang。邊界分離點可利用夾角大小判定所獲取，判斷過程如下。

(a) 用{Fi}表示邊界點數(shù)組，且F0=Fn。

(3) 交互編輯邊界曲線。通過上步所獲取曲線數(shù)量不等于4時，通過合并或交互劃分構造邊界。構造曲面點云區(qū)域四邊界后，完成后期的參數(shù)化、基面構造和擬合處理，獲取最終重建的三維景觀模型。

完成三維景觀模型建立后，選取Sketchup、3Dmax等軟件實現(xiàn)所重建三維景觀模型的美化修飾、拓撲接邊等后期處理。

2 實例分析

為驗證本文方法建立三維景觀模型的有效性，選取某小區(qū)內(nèi)園林景觀作為實驗對象，采用本文方法對該小區(qū)景觀進行三維建模。利用型號為Riegl VZ-1000的地面型三維激光掃描儀掃描景觀點云數(shù)據(jù)，該激光掃描儀平均掃描距離以及標稱掃描精度分別為25 m和±6 mm。該小區(qū)內(nèi)設置掃描站點數(shù)量為12個，保證景觀各點均可由3個掃描站點采集數(shù)據(jù)。采用本文方法建立該小區(qū)三維景觀模型結果如圖2所示。由圖2實驗結果可以看出，采用本文方法可實現(xiàn)三維景觀模型有效建立，所建立模型真實性較強，色彩鮮明，可有效模擬景觀內(nèi)所包含各目標物體實際情況。圖2實驗結果有效驗證采用激光掃描技術建立三維景觀模型具有較高的有效性。

為進一步驗證所建立模型對細節(jié)的處理程度，將所建立三維景觀模型內(nèi)某涼亭景觀放大，觀察采用本文方法所建立三維景觀模型對細節(jié)的呈現(xiàn)程度，三維景觀模型內(nèi)的涼亭景觀放大結果如圖3所示。由圖3實驗結果可以看出，采用本文方法所建立三維景觀模型的景觀細節(jié)呈現(xiàn)效果較好。主要原因是本文方法采用激光掃描技術，利用激光掃描技術采集景觀的高精度信息，能夠實現(xiàn)目標景觀精準建模。

圖2 所建立三維景觀模型

圖3 涼亭景觀放大結果

從所建立的三維景觀模型中隨機選取10個點，統(tǒng)計采用本文方法建立三維景觀模型內(nèi)各檢測點的擬合殘差均值，并將本文方法與文獻[6]方法和文獻[7]方法對比，對比結果如圖4所示。由圖4實驗結果可以看出，采用本文方法建立三維景觀模型，各檢測點的擬合殘差均值均低于4 mm，本文方法建立三維景觀模型的擬合殘差均值明顯低于文獻[6]方法和文獻[7]方法，有效驗證了本文方法在建立三維景觀模型過程中具有較高的擬合精度，能提升模型建立性能。

圖4 擬合殘差均值

為直觀驗證本文方法所建立模型精度，選取文獻[6]方法和文獻[7]方法作為對比方法，不同方法對于所建立三維景觀模型內(nèi)各景觀長度與實際長度間誤差統(tǒng)計結果如表1所示。表1實驗結果可以看出，采用本文方法建立三維景觀模型的建模精度明顯高于另2種方法，本文方法所建立三維景觀模型的建模誤差均低于10 cm；文獻[6]方法和文獻[7]方法的三維景觀建模誤差均高于20 cm。本文方法具有較低的三維景觀建模誤差，建模精度高，較高的建模精度有助于提升三維景觀建模效果。以上實驗結果可以驗證本文方法的三維景觀建模效果優(yōu)于另2種方法，優(yōu)越性高。

表1 建模誤差統(tǒng)計結果

3 總結

將激光掃描技術應用于三維景觀建模中，通過實驗驗證采用該方法建立三維景觀模型的有效性。該方法可實現(xiàn)三維景觀建模的高精度以及高仿真性能，所建立三維景觀模型拼接點云所形成誤差較小，所采集點云數(shù)據(jù)具有較高的精度和完整性，提取景觀特征明顯，可有效提升模型建立效果，避免由于紋理映射導致的模型變形情況，能夠為景觀的三維建模提供理論依據(jù)，具有較高的實用性。