三維激光掃描技術(shù)在城市地標(biāo)建筑三維模型重建中的應(yīng)用

趙 磊,毛芳芳

(1.中國(guó)電建集團(tuán)河南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司,鄭州 450000; 2.鄭州升達(dá)經(jīng)貿(mào)管理學(xué)院,鄭州 450000)

0 引言

城市地標(biāo)建筑具有建筑藝術(shù)和美學(xué)價(jià)值,在城市規(guī)劃、文化傳承、旅游推廣等方面具有十分重要的意義。三維模型作為城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)的重要參照物,能夠提供更加真實(shí)的建筑高度、形狀、結(jié)構(gòu)等信息,既是創(chuàng)建城市特色及品牌形象的重要手段,也是智慧城市發(fā)展的重要組成部分,對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)、提升城市智慧化及數(shù)字化、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用[1-2]。

傳統(tǒng)的三維建模方法通常需要應(yīng)用全站儀等測(cè)量?jī)x器在場(chǎng)地進(jìn)行實(shí)地測(cè)量,由于地標(biāo)建筑一般位于城市廣場(chǎng)中心,人流量較大,傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器逐點(diǎn)采集外業(yè)數(shù)據(jù)的時(shí)間較長(zhǎng),且地標(biāo)建筑一般具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大量細(xì)節(jié)及不規(guī)則形狀,故此傳統(tǒng)的三維建模方式難以完整展示建筑細(xì)節(jié)。三維激光掃描技術(shù)精準(zhǔn)快速,可以快速獲取被測(cè)物體的表面形態(tài)及高精度的坐標(biāo)數(shù)據(jù),具有高效自動(dòng)化處理能力,能夠生成精確的三維模型,在采集數(shù)據(jù)的過程中保留了建筑結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)信息,亦滿足了高精度、高效率、高質(zhì)量的測(cè)繪要求,可減少現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間及成本,為數(shù)字化建造及智慧城市建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持及保障[3]。三維激光掃描系統(tǒng)的測(cè)量原理是利用發(fā)出的激光脈沖束照射物體,對(duì)物體表面進(jìn)行掃描,記錄每個(gè)位置激光的發(fā)射及反射時(shí)刻,通過記錄光傳播時(shí)間,計(jì)算出激光束傳播路徑的距離與間距,再根據(jù)接收激光束返回的反射波水平及垂直方向的偏向值得到物體表面各個(gè)位置的三維坐標(biāo)信息。如圖1所示,X軸在橫向掃描面內(nèi),Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直,獲得P點(diǎn)坐標(biāo)[4]。

1 測(cè)區(qū)概況及點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1.1 測(cè)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對(duì)象為某城市標(biāo)志性雕塑,高達(dá)30 m,直徑27 m,重達(dá)500余噸,為大型鋼質(zhì)城市雕塑。該雕塑輔以火紅色的外層噴涂,造型采用螺旋向上的鋼板結(jié)構(gòu)組合,具有較強(qiáng)的歷史、文化及藝術(shù)價(jià)值。需建立該地標(biāo)建筑三維模型,便于后期在城市vr全景地圖上展示當(dāng)?shù)靥厣Ｓ捎谠摰貥?biāo)建筑較為復(fù)雜,傳統(tǒng)建模方式難度較大,擬基于三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維建模,整體技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 整體技術(shù)路線設(shè)計(jì)

開展實(shí)地踏勘并確定掃描儀設(shè)站數(shù)量及位置,架設(shè)掃描儀并在儀器上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,逐站進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)預(yù)處理,包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪及精簡(jiǎn)等。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到建模軟件中,應(yīng)用建模工具及技術(shù)進(jìn)行三維模型重建,對(duì)模型精度進(jìn)行分析。

1.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

為確保能夠采集完整的地標(biāo)建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù),避免補(bǔ)測(cè)或重復(fù)測(cè)量,根據(jù)整體技術(shù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行踏勘及實(shí)地考察,按照測(cè)區(qū)實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)站布設(shè),發(fā)現(xiàn)目標(biāo)體整體較高,普通地面掃描儀因視角偏差原因難以獲得建筑物完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù),采用專用升降三腳架放置三維激光掃描儀,調(diào)整掃描儀的高度與角度,使掃描儀可以高效、準(zhǔn)確地采集目標(biāo)建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù),減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集造成的盲區(qū)。外業(yè)數(shù)據(jù)采集測(cè)站布設(shè)方案如圖3所示[5]。

圖3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集測(cè)站布設(shè)

從該雕塑西南角逆時(shí)針進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,共架設(shè)8個(gè)測(cè)站,為完整采集雕塑頂部點(diǎn)云數(shù)據(jù),測(cè)站間遠(yuǎn)近交錯(cuò)以減少遮擋帶來的掃描偏差,在獲得完整細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上避免造成數(shù)據(jù)冗余。為提高點(diǎn)云拼接精度,現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)一定數(shù)量的靶標(biāo)球,為減小數(shù)據(jù)解算過程中的誤差累積,路線規(guī)劃時(shí)回到原始起點(diǎn),構(gòu)成閉合環(huán)路。待以上工作準(zhǔn)備好后,將掃描儀升至合適高度,連接電源與計(jì)算機(jī)等設(shè)備,設(shè)置掃描參數(shù)進(jìn)行掃描作業(yè)。

內(nèi)業(yè)預(yù)處理主要包括點(diǎn)云拼接、點(diǎn)云去噪及點(diǎn)云精簡(jiǎn)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)是將不同視角的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一視角下;點(diǎn)云去噪是根據(jù)場(chǎng)景需求進(jìn)行幾何或統(tǒng)計(jì)學(xué)濾波,去除干擾或不必要的點(diǎn),獲得更純凈的點(diǎn)云數(shù)據(jù);點(diǎn)云精簡(jiǎn)是根據(jù)場(chǎng)景需求進(jìn)行稀疏化或密集化處理,以便后續(xù)操作獲取良好的處理效果。待以上處理完成后,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,對(duì)主體部分及底座點(diǎn)云分別進(jìn)行裁剪另存。預(yù)處理效果如圖4所示[6-7]。

圖4 預(yù)處理后的地標(biāo)建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)

2 模型重建及立面圖繪制

對(duì)目標(biāo)建筑實(shí)地踏勘后發(fā)現(xiàn),該雕塑既有規(guī)則結(jié)構(gòu)如長(zhǎng)方體底座等,又有不規(guī)則構(gòu)造如螺旋鋼板等,需針對(duì)不同構(gòu)造應(yīng)用不同技術(shù)分別建模。

2.1 三維模型重建

螺旋鋼板屬于曲面構(gòu)造,應(yīng)用傳統(tǒng)建模工具難度較大,故應(yīng)用Geomagic Studio軟件進(jìn)行逆向建模。需要注意的是,逆向建模時(shí),點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量及分辨率對(duì)生成的三維模型精度及準(zhǔn)確度有很大影響,在導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)前要盡量保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集精度及分辨率。根據(jù)建模需求選擇合適的參數(shù)配置際編輯工具,對(duì)建模過程進(jìn)行優(yōu)化及調(diào)整,以獲得高質(zhì)量的三維模型。將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio軟件中,對(duì)導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行去除體外孤點(diǎn)及去噪處理,再點(diǎn)擊封裝命令,并對(duì)封裝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,從而對(duì)復(fù)雜曲面構(gòu)造進(jìn)行擬合建模。選擇模型觀察封裝情況,對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化處理,如對(duì)網(wǎng)格面片存在凹凸不平的面進(jìn)行平滑、磨砂及三角網(wǎng)修復(fù)等精細(xì)化處理[8]。

對(duì)于規(guī)則結(jié)構(gòu),將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入3d max軟件中建模,使用3d max插件轉(zhuǎn)換點(diǎn)云格式,以點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考,對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作,使用3d max中的各種建模工具建立基座模型,并對(duì)模型形狀、顏色、質(zhì)感等進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化,導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中,與建立好的螺旋鋼板模型進(jìn)行合并,目標(biāo)地標(biāo)建筑整體模型效果如圖5所示。

圖5 合并后的地標(biāo)建筑三維模型

2.2 三維模型精度驗(yàn)證

通過圖5可以看出,外觀上,建立好的三維模型整體結(jié)構(gòu)完整,真實(shí)感較強(qiáng),模型質(zhì)量較高。對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證分析,對(duì)比實(shí)地量測(cè)特征點(diǎn)間的距離與模型上量測(cè)相應(yīng)特征點(diǎn)的距離,選擇平面與高程檢查點(diǎn)共12個(gè)(YZD1-YZD10),評(píng)定方法是直接測(cè)量三維實(shí)景模型上兩個(gè)檢查點(diǎn)的邊長(zhǎng)與全站儀實(shí)測(cè)的邊長(zhǎng),進(jìn)行偏差計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與模型量測(cè)邊長(zhǎng)偏差

根據(jù)表1實(shí)測(cè)邊長(zhǎng)與模型量測(cè)偏差得到邊長(zhǎng)中誤差為2.78 cm,最大相對(duì)偏差為4.74%,整體來看精度較高。

通常情況下,模型相對(duì)誤差不超過建模精度的5%即能滿足相關(guān)應(yīng)用要求,本方法最大相對(duì)誤差不超過相關(guān)規(guī)范,建模精度達(dá)到相關(guān)要求。

3 結(jié)束語

應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)對(duì)地標(biāo)建筑進(jìn)行無接觸掃描,快速獲取目標(biāo)建筑密集點(diǎn)云數(shù)據(jù),基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立三維模型,通過精度分析得出模型效果較佳。研究結(jié)果表明,三維激光掃描技術(shù)在地標(biāo)建筑三維模型重建中具有較好的應(yīng)用效果,可為城市規(guī)劃、景觀設(shè)計(jì)、旅游推廣等提供新手段,未來可為智慧城市建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持,令城市管理及服務(wù)更加高效、便捷。