楊 林，盛業(yè)華，王 波

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210023)

利用三維激光掃描技術進行建筑物室內外一體建模方法研究

楊 林，盛業(yè)華，王 波

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210023)

面向建筑物室內外一體精細建模，探討基于三維激光掃描技術實現(xiàn)過程中三維激光點云數(shù)據采集、拼接、配準、特征提取及三維模型構建等關鍵技術，重點針對室內外一體建模目標下點云外業(yè)和內業(yè)的具體處理方法，并結合具體實例，驗證了技術方案的可行性和有效性。

三維激光掃描；建筑物；室內外；建模

一、引 言

數(shù)字城市是近年來的研究熱點。精確重建的建筑三維模型在建筑方法研究、安全監(jiān)控、建筑物修復、城市規(guī)劃設計等方面具有極其重要的意義。隨著地面三維激光掃描系統(tǒng)軟硬件的不斷完善，將地面三維激光掃描系統(tǒng)應用于建筑物三維重建方面受到極大關注，特別是在激光點云數(shù)據去噪、激光點云與數(shù)字影像的配準、離散激光點云的構網、三維模型的紋理映射等方面。目前已有研究多是對建筑物外表面進行建模[1-2]，而缺少對建筑完整信息的表達。本文以南京師范大學地理科學學院行遠樓的室內外一體建模為例，探討三維激光掃描技術在復雜建筑物三維重建中的關鍵技術和難點，實現(xiàn)對建筑結構的三維建模、空間量測和分析等功能。

二、三維激光掃描技術

三維激光掃描系統(tǒng)是一套由掃描儀硬件、CCD影像采集系統(tǒng)(可選項，用于獲取地物紋理影像數(shù)據)和軟件部分等組成的系統(tǒng)，其中最主要的組成部分是三維激光掃描儀，軟件部分包括系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據后處理軟件等。除此之外，三維激光掃描系統(tǒng)還可配備GPS定位系統(tǒng)、全站儀等常規(guī)測繪儀器，為后續(xù)進行地理空間數(shù)據獲取及數(shù)據拼接提供支持。根據掃描的空間位置或系統(tǒng)運行平臺不同[3]，可分為機載激光掃描系統(tǒng)、地面激光掃描系統(tǒng)和便攜式激光掃描系統(tǒng)。面向建筑物三維重建主要是采用地面激光掃描系統(tǒng)。

三維激光掃描儀是三維點云數(shù)據采集設備，主要包括激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應聚焦控制單元、光機點自動傳感轉置等[4]。三維激光掃描儀內部主要通過兩個同步反射鏡快速有序地旋轉，一個水平360°旋轉，另一個垂直180°旋轉，兩者相互配合將激光脈沖發(fā)射器發(fā)出的激光脈沖依次掃過被測物體表面，并測量每個激光脈沖從發(fā)出到接收的時間差(或相位差)來計算距離，掃描控制系統(tǒng)控制和測量每個激光脈沖的水平角度與垂直角度，根據空間三角函數(shù)原理計算出激光點在被測場景中的三維坐標信息。

以地面三維激光掃描系統(tǒng)為例，其工作原理是：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經物體表面反射后，幾乎沿相同的路徑反向傳回到接收器，系統(tǒng)根據往返時間差或相位差計算目標點與掃描儀掃描中心的距離S，控制器同時測量出每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀數(shù)據采集幾何示意圖

根據式(1)可獲得反射點P的坐標

三、室內外一體建模方法

1.數(shù)據采集與預處理

數(shù)據采集包括根據掃描對象和周圍環(huán)境進行設站，站間標靶的安置，采集參數(shù)的設置，如掃描區(qū)間(角度范圍)、分辨率，以及外業(yè)數(shù)據的掃描等。

對于室內外一體建模的數(shù)據采集，特別要注意3個問題：①由于室內環(huán)境下掃描距離較近，室內部分掃描參數(shù)需要重新配置，相對室外掃描分辨率可設置低一些；②由于室內視線近，很容易產生死角和盲區(qū)，因此要多設測站；③站間距離較近，因此對用于配準的標靶點的放置提出了更高的要求，因為標靶到測站的距離及標靶間的空間分布都有一定的限制條件，此時可選用腳架作為標靶的載體，靈活選點。

(2)數(shù)據濾波

上述過程采集得到的往往是包含地形、建筑物和其他地物數(shù)據的原始數(shù)據，這時需要進行預處理，得到比較純粹的建筑物數(shù)據。此過程主要是進行去噪濾波，即針對掃描現(xiàn)場的復雜性，去除遮擋和非建模對象掃描點等噪聲點，如地面部分、樹木、行人等。處理的方法有兩種：①對于明顯的大量噪聲點(如地形點)，可通過已有的點云處理軟件交互完成；②對于原始點云數(shù)據中的錯誤點和含有粗差的點，可通過編程實現(xiàn)剔除，包括根據激光掃描回波信號強度辨別，利用中值濾波、曲面擬合等方法處理，同時可提高數(shù)據處理的自動化程度。

(3)點云與影像匹配

眾所周知，影像具有特征連續(xù)、光譜紋理信息豐富等特性，基于影像進行特征提取有極大的優(yōu)勢，但是影像精度相比三維點云較差。因此，進行點云與影像的匹配，實現(xiàn)三維點云與二維影像的空間映射，為后續(xù)利用影像特征輔助點云數(shù)據進行特征提取和精細建模提供基礎數(shù)據。

度量可以是因人而異的，度量單位就是把不同個體的度量方法標準化，是為了對度量的結果進行傳播和交流的需要．因此，度量單位的制定必須能夠表達度量的本質，方法科學、表達準確、相對穩(wěn)定，能夠得到人們的廣泛共識．

要實現(xiàn)點云與影像的空間映射，首先需要確定影像上像素坐標與三維點云的對應關系，即需要對點云數(shù)據和影像數(shù)據進行配準。在影像數(shù)據中，每個像素點空間位置的對應關系由相機成像幾何模型參數(shù)決定。以最簡單的針孔模型為例，需要對相機成像過程中涉及的坐標系統(tǒng)進行轉換，包括世界坐標系到相機坐標系、相機坐標系到圖像坐標系、圖像坐標系到像素坐標系之間的轉換。經過這3次坐標轉換，才能將地理空間中的三維數(shù)據投影到二維平面中[5]。此類研究較多，本文此處不再贅述。

2.數(shù)據配準

掃描儀通過獲取表征目標實體表面特征的密集點云的空間三維坐標，為地面對象尤其是建筑物的高精度表面測繪和建模創(chuàng)造了條件。復雜地面對象表面易于產生掃描線遮擋，導致無法通過一次設站獲取完整覆蓋掃描對象表面的點云數(shù)據，因此必須在環(huán)繞掃描對象一周的不同位置設站，采用多測站、多視角掃描方式，對掃描對象不同部位分別掃描，獲得該對象各個部位的分塊點云數(shù)據，再通過分塊數(shù)據配準才能獲得完整的掃描對象。

地面三維激光數(shù)據配準是地面三維激光技術的重點和難點，配準的精度直接影響到后期成果的精度。數(shù)據配準就是把不同視點的數(shù)據統(tǒng)一到一個坐標系下，使之成為一個整體。每一個視點的數(shù)據都有一個獨立的測站坐標系，通過一個旋轉矩陣和原點的三維平移可找出兩個測站坐標系的關系，繼而實現(xiàn)測站間的數(shù)據配準。現(xiàn)有的地面三維點云數(shù)據配準方法大致分為基于特征的數(shù)據配準和迭代數(shù)據配準[6]，前者通常是通過設置多對控制點標靶作為特征，或在兩視點數(shù)據之間選取明顯的共同特征作為配準特征，如同名可視平面或同名直線進行配準；后者是通過計算兩相鄰測站初始點集的最近距離點對(至少3對初始同名點)實現(xiàn)測站間坐標系的轉換，經過迭代計算得到兩視點配準的最佳矩陣。目前利用特征配準的方法，特別是利用控制點配準的方法，其數(shù)據配準精度較好、方便可靠，但需要前期外業(yè)布控。由于特征不足、特征不夠清晰也會造成配準失敗，因此，需要多種配準方法配合使用，甚至要對現(xiàn)有的配準方法加以改進才能使配準效果達到最好，如基于測量平差理論的自動拼接方法[7-8]。

3.室內外一體建模

模型是對實體對象的抽象表示，對建筑物進行三維建模，才能對其進行三維真實表達，進而才可能在計算機中對建筑物進行仿真、模擬和分析。

(1)模型的選擇與表達

根據三維模型表示的方式不同，對點云數(shù)據進行三維模型重建有兩種方法：一種是三維表面模型重建，主要是構造網格(三角形網格等)逼近物體表面；另一種是幾何模型重建，常見于CAD中的輪廓模型。前者構網方法簡單，適用于地形數(shù)據建模，但對于點云這樣的大數(shù)據量不適用；后者先把點云轉化為實體模型，然后提取實體模型的輪廓線或特征線，生成CAD等模型，適用于建筑物等較規(guī)則實體對象的建模。面向圖形表示的幾何模型又分為點模型、線模型、面模型和體模型4類[9]。

(2)特征提取

基于三維激光掃描數(shù)據的建筑物建模的特征提取可基于點云和影像的融合來進行。圖2是對應的技術路線圖?；邳c云的特征提取方法有基于激光回波信號強度、曲率、梯度、距離等[10]?；谟跋裉卣魈崛〉姆椒ㄑ芯枯^多，目前常用的特征提取算法如離散余弦變換、小波變換、Gabor濾波器組、共生矩陣、灰度直方圖等[11]，本文不再贅述。

圖2 基于點云與影像融合的特征提取技術路線圖

在分別獲取點云和影像特征的基礎上，利用點云和影像間的空間映射模型，將二維影像特征投影到三維空間，并作為初始特征，輔助點云進行更精細的特征優(yōu)化。

實際特征提取的過程中，由于點云分辨率的空間分異性、材質的反射差異、影像拍攝角度、光照陰影、建筑物表面非幾何特征(如裝飾線條)的干擾，非地物目標的遮擋等原因，導致初步特征提取的結果往往不能滿足建模的要求，需要進行特征處理，如細節(jié)修補、錯誤特征的刪除等。最后，確定特征單元的鄰接關系，以確定建筑物表面總的拓撲結構，為后續(xù)的物理建模提供基礎。

(3)室內外一體建模

在不同的幾何模型表達方法中，線框模型方法原理簡單，應用比較廣泛。線框是相鄰表面或物體外形的交線，通過找出點云中共面的點，然后把這些點擬合成面，最后利用相鄰的面拓展相交，即可求出面與面的交線，構造出物體的三維線框模型；或提取點云中位于輪廓線上的掃描點，然后把這些點擬合成輪廓線，構造出物體的輪廓線框模型。這種方法適合用于建筑物中平面較多的情況，能快速地擬合出恰當?shù)钠矫妗?/p>

值得注意的是，室內建模部分由于近距離掃描，樓內拐角較多，很容易出現(xiàn)部件掃描不全或完全漏掃的情況。解決方法一種是加密掃描站，另外一種是利用建筑部件空間結構特征與空間關系進行擬合，如可以通過兩相交平面空間延伸交會擬合漏掃的拐角，通過墻面夾角擬合被遮擋的其他墻面等。這種處理方法在一些通用的點云處理軟件中都有。

四、應用實例

本研究中采用FARO Focus3D 120三維激光掃描儀進行數(shù)據獲取，其三維激光掃描儀精度較高，最高分辨率在10 m處點間距0.9 mm，25 m處達到2 mm，測速快、穩(wěn)定性好，掃描速度可達到近100萬點/s，完成全景(水平360°)的最高精度掃描只需要10 min左右，而且外形輕巧，操作方便。外接相機經過高精度標定，能夠滿足應用要求。

本文以南京師范大學行遠樓為例(如圖3所示)，進行室內外一體化建模試驗。利用FARO三維掃描儀對該樓外立面、內部結構及420會議室、421實驗室等進行三維點云數(shù)據采集、建模試驗。共采集實驗數(shù)據18站(包括外圍9站，天井與室內部分共9站)，測站空間分布如圖4所示，數(shù)據配準后點云數(shù)據量接近3億。

圖3 原始影像

圖4 點云數(shù)據采集測站分布圖

配準采用標靶球為連接特征點，輔助以同名面特征進行坐標轉換。整個建筑配準后的點云如圖5所示，其中從天井俯視的室內細節(jié)如圖6所示。

本文采用面向對象技術進行三維建模。首先實現(xiàn)點云和影像特征的提取與融合，對海量點云數(shù)據進行抽稀，然后選擇線框模型進行模型表達。利用PointCloud軟件和AutoCAD軟件平臺對模型進行三維模型構建和可視化的后處理工作。試驗對行遠樓每個樓層、窗戶等進行精細建模，建模結果如圖7所示。

圖5 點云配準圖

圖6 室內(天井)點云俯視圖

圖7 地科院建模結果(無紋理)

五、結束語

基于三維激光掃描技術的建筑物室內外一體精細建模方法適合于大多數(shù)的城市建筑，簡單高效，可大量節(jié)省數(shù)據處理時間，為城市三維建模等提供基礎數(shù)據。但是也存在兩個問題：①線框模型方法只適合于擬合平面，對于復雜不規(guī)則建筑曲面難以擬合，從而無法得到理想的效果，需要單獨處理；②點云數(shù)據量太大，普通PC機無法對點云數(shù)據進行處理，如點云查看、刪減、拼接等，這些操作需在圖形工作站上完成，而且速度較慢，因此如何對點云建立索引結構，以實現(xiàn)在非工作站完成大量點云的操作建模，也是需要研究的問題。

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3D Reconstruction for Indoor-outdoor Architecture Based on 3D Laser Scanning

YANG Lin，SHENG Yehua，WANG Bo

P237

B

0494-0911(2014)07-0027-04

2013-03-22

國家自然科學基金(41101377)；江蘇省測繪科研項目(JSCHKY201111)

楊 林(1976—)，女，湖北武漢人，博士，副教授，從事數(shù)字攝影測量和GIS方面的研究。

楊林，盛業(yè)華，王波.利用三維激光掃描技術進行建筑物室內外一體建模方法研究[J].測繪通報，2014(7)：27-30.

10.13474/j. cnki.11-2246.2014.0218