樊 琦，姚頑強(qiáng)，陳 鵬，2

(1.西安科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西西安710054;2.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430077)

一、引 言

三維激光掃描技術(shù)的誕生和發(fā)展被稱為“繼GPS技術(shù)之后測(cè)繪領(lǐng)域的又一次技術(shù)革命”［1］。與傳統(tǒng)的測(cè)繪技術(shù)不同，該技術(shù)獲取的是物體表面的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一。

近年來(lái)很多學(xué)者都對(duì)三維建模的方法及軟件進(jìn)行了研究。王瀟瀟以涼亭為掃描對(duì)象，對(duì)掃描得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重建，并利用半自動(dòng)提取出的特征線與輪廓線，完成該建筑各圖件的繪制，其試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)測(cè)繪方法相比，地面三維激光掃描技術(shù)在測(cè)量的速度與精度方面有很大優(yōu)勢(shì)，在建筑物測(cè)繪領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［2］;劉麗惠等以大連英雄紀(jì)念碑“一滴血”為例，探討其在雕塑重建工程中的應(yīng)用，通過(guò)介紹三維激光掃描儀及數(shù)據(jù)獲取方法，提出一個(gè)可行方案［3］;孫德鴻結(jié)合三維激光掃描系統(tǒng)在將軍崖巖畫的掃描實(shí)例，重點(diǎn)介紹三維激光掃描技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理和建模的過(guò)程和方法［4］;王田磊等根據(jù)獲取的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，探討了點(diǎn)云處理和建模實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，并提出了一套行之有效的建筑物三維模型快速重建方法［5］;陸益紅等利用三維激光掃描儀對(duì)徐州獅子山楚王陵墓道及周圍建筑進(jìn)行掃描，對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行三維重建，制作出完整模型及其線劃圖［6］。

但是以上文獻(xiàn)中都只是將Cyclone作為一種點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理軟件，在該軟件中所做的工作僅僅是點(diǎn)云的拼接、去噪、點(diǎn)云統(tǒng)一等基本處理，建模的工作都是在其他建模軟件(如Geomagic Studio、Polyworks等)中進(jìn)行的。而實(shí)際上作為一款與徠卡三維掃描系統(tǒng)配套的專業(yè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)［7］，Cyclone操作簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大，在建模方面也有著自己的優(yōu)勢(shì)。

本文以西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)的行政樓為例，獲取該建筑的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)使用Cyclone進(jìn)行模型創(chuàng)建，針對(duì)該軟件提出建模方法并證實(shí)該方法的可用性。

二、點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

采集數(shù)據(jù)對(duì)象為西安科技大學(xué)臨潼校區(qū)的行政樓，所用儀器為L(zhǎng)eica ScanStation C10，該掃描儀的具體參數(shù)見用戶手冊(cè)。根據(jù)實(shí)際情況，整個(gè)行政樓的數(shù)據(jù)采集共布設(shè)6個(gè)測(cè)站，布設(shè)圖如圖1所示，圖中黑點(diǎn)表示測(cè)站的布設(shè)位置。

圖1 測(cè)站的布設(shè)

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)使用高分辨率、窗掃描方式預(yù)先掃描標(biāo)靶，然后使用中等分辨率、全景掃描方式對(duì)其余場(chǎng)景進(jìn)行掃描。這樣既可以增加標(biāo)靶表面的點(diǎn)云密度，提高點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度，又減少了一定的數(shù)據(jù)量，提高了工作效率。

掃描完成后，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cyclone軟件中，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云配準(zhǔn)、點(diǎn)云統(tǒng)一、數(shù)據(jù)縮減、點(diǎn)云去噪等基本處理后，就可進(jìn)行三維建模。在Cyclone軟件中，點(diǎn)云配準(zhǔn)在register模塊中進(jìn)行?？捎胾nify clouds進(jìn)行點(diǎn)云統(tǒng)一，同時(shí)可選擇合適的采樣距離，以縮減數(shù)據(jù)。點(diǎn)云噪聲的去除需要手動(dòng)操作，根據(jù)噪聲點(diǎn)位置，調(diào)整好視角及l(fā)imit box的大小后，選擇噪聲點(diǎn)的范圍并刪除噪聲。經(jīng)過(guò)以上基本處理后的行政樓如圖2所示。

圖2 經(jīng)過(guò)基本處理的點(diǎn)云圖

三、三維建模

一個(gè)模型可看作是多個(gè)簡(jiǎn)單的幾何模型的“組合”，只要逐個(gè)完成所有“拆分”的簡(jiǎn)單幾何模型的建模工作，那么整個(gè)實(shí)體模型就可成功重建。

1.規(guī)則幾何模型的創(chuàng)建

與其他建模軟件相比，Cyclone 軟件的特點(diǎn)之一在于它擁有一個(gè)三維模型組件庫(kù)。不過(guò)庫(kù)里的組件都是規(guī)則的幾何模型，分別為 patch、cylinder、sphere、corner、box、cone、elbow、reducing elbow、steel section、line segment、blind flange、concentric reducer、eccentric reducer、valve、tee、torus。

(1)墻體、長(zhǎng)方體柱子和臺(tái)階的創(chuàng)建

墻體的創(chuàng)建有兩種方式:一種是用多個(gè)patch來(lái)“組合”，然后用extend(延伸)和corner命令使墻角、墻角間沒有縫隙;另一種就是直接做一個(gè)box模型，延伸模型使其緊貼點(diǎn)云，然后打散box即可。前者適合多種建筑的墻體，后者只適合規(guī)則的長(zhǎng)方體建筑，該實(shí)例采用的是后者。

由于行政樓模型的墻體外形不是一個(gè)簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方體，因此需要多個(gè)打散的box來(lái)組合。需要注意的是，相鄰兩個(gè)box連接部位打散后是兩個(gè)面，需要?jiǎng)h掉從外邊看不見的面。可使用slice切割多余的面，但要保證盡量減少碎面的產(chǎn)生。

長(zhǎng)方體柱子和臺(tái)階都是用box創(chuàng)建的，根據(jù)點(diǎn)云先將其6個(gè)面延伸到合適的位置，再用copy at offset或copy at angle來(lái)做其他的同類型模型，最后將這些box打散，切割并刪去多余的面即可。需要注意的是，在復(fù)制前一定要測(cè)量好距離或角度，復(fù)制成功后要與實(shí)際點(diǎn)云作比較，查看是否剛好使點(diǎn)云與模型重合。創(chuàng)建完成的墻體、部分長(zhǎng)方體柱子和臺(tái)階如圖3、圖4所示。

圖3 墻體模型

圖4 部分長(zhǎng)方體柱子和臺(tái)階模型

(2)圍欄的創(chuàng)建

圍欄模型是用cylinder創(chuàng)建的，在創(chuàng)建模型時(shí)最好選取一塊質(zhì)量最好的點(diǎn)云來(lái)擬合，然后根據(jù)點(diǎn)云將欄桿延伸至適當(dāng)?shù)奈恢谩．?dāng)一段圍欄做好后，可使用copy at offset或copy at angle來(lái)做其他的欄桿模型，一定要注意旋轉(zhuǎn)的角度和每段欄桿之間間距的測(cè)量，最好測(cè)量多次求均值。在復(fù)制完成后要根據(jù)實(shí)際點(diǎn)云調(diào)整模型創(chuàng)建不合理的地方，尤其是要注意檢查欄桿的結(jié)合部位連接點(diǎn)是否吻合。

如果仔細(xì)觀察的話，不難發(fā)現(xiàn)在每段圍欄轉(zhuǎn)折處會(huì)有一根欄桿是用一個(gè)平滑的曲面封閉的，而用cylinder創(chuàng)建的欄桿是一根兩頭沒有封閉的圓柱體，因此需要在轉(zhuǎn)折處的欄桿上“加蓋”。方法是選中需要添加封閉曲面的欄桿，根據(jù)-end caps-add flat cap closest to pick即可完成。創(chuàng)建完成的部分圍欄模型如圖5所示。

(3)窗子的創(chuàng)建

窗子是在墻面上做出來(lái)的，因此必須保證在創(chuàng)建窗子之前，墻面是patch類型，或者是經(jīng)explode命令處理過(guò)的box，否則會(huì)提示出錯(cuò)。

圖5 部分圍欄模型

首先建立參考面，建議將其建立在需要?jiǎng)?chuàng)建窗戶的墻面上，并將觀察視線設(shè)置為正射投影方式，這在一定程度上可提高模型的精度。

其次用draw rectangle命令畫出窗戶(本例中為長(zhǎng)方形)，調(diào)整位置和尺寸后確認(rèn)。為了使畫出的線框在窗戶“摳除”后能保存下來(lái)，應(yīng)先用set from selection命令選中線框，選擇窗戶所在墻面后用subtract from patch命令即可完成窗戶的“摳除”。

然后是窗體的填補(bǔ)，使用from curves-patch即可將線框用平面填充。建議使用align-coplanar命令以防止填補(bǔ)的面和墻面不在同一平面上。

最后，為了提高建模效率，建議根據(jù)已畫出的線框使用copy at offset做出其他窗子的線框，根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)大小，“摳除”和填充窗戶后，將所有線框刪掉。創(chuàng)建完成的窗戶模型如圖6所示。

圖6 部分窗戶模型

2.可擠壓的不規(guī)則模型的創(chuàng)建

與其他建模軟件相比，Cyclone軟件還有一個(gè)特點(diǎn)是可以將平面擠壓成體。這就使一些不能直接在組件庫(kù)中建模的不規(guī)則物體在該軟件中可實(shí)現(xiàn)建模。這類模型的特點(diǎn)是:至少有兩個(gè)相互平行的、形狀大小完全一致的平面P、P'，連接P、P'的面Q(至少一個(gè))垂直于P，并且Q的兩條邊界線都在P與P'的邊界線上。

與窗戶的創(chuàng)建類似，可擠壓的不規(guī)則模型的創(chuàng)建也要建立參考面，不過(guò)參考面建立在P和P'中點(diǎn)云較密集的一個(gè)上，在繪制P或P'邊界時(shí)應(yīng)根據(jù)其形狀選取適當(dāng)?shù)漠媹D工具，確認(rèn)后將線框填充成面，選擇另一個(gè)平面，使用extrude-extrude to last pick即可。創(chuàng)建完成的臺(tái)階模型如圖7所示。

圖7 臺(tái)階模型

3.不可擠壓的不規(guī)則模型的創(chuàng)建

除了以上兩種類型的模型外，其余的都是不可擠壓的不規(guī)則模型。這種模型可分為兩類:一類是可以用不同方法實(shí)現(xiàn)的面經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)、延伸、剪切等組合而成，如本文實(shí)例中的樓頂裝飾，首先創(chuàng)建擠壓形成的不規(guī)則模型，用copy at angle命令做出另一個(gè)同類模型，然后用explode命令將體打散成面，最后用slice命令修剪模型。樓頂裝飾模型如圖8所示。另一類是無(wú)法直接用Cyclone軟件建模的，這類模型最好用 Geomagic Studio或其他軟件建模。以Geomagic Studio為例，先將點(diǎn)云初步處理后按最近原則構(gòu)成三角曲面，然后模擬一個(gè)多面體，經(jīng)過(guò)修補(bǔ)、光滑等操作后，得到光順的 NURBS曲面即可［8］。

圖8 樓頂裝飾模型

4.彩色紋理貼圖

使用Cyclone軟件可直接對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行彩色紋理貼圖。向工程導(dǎo)入合適的照片后打開貼圖管理器，根據(jù)點(diǎn)云添加照片，因?yàn)橥敢晥D找點(diǎn)模式比正視圖找點(diǎn)模式精度高，所以選擇透視圖找點(diǎn)。然后在點(diǎn)云和照片上選出一一對(duì)應(yīng)的點(diǎn)(至少7對(duì))，經(jīng)過(guò)計(jì)算，刪除誤差較大的點(diǎn)直到計(jì)算通過(guò)為止，保存后重啟軟件即可。

如果要對(duì)模型貼紋理，最好使用3ds Max和PhotoShop軟件。本文即是用PhotoShop軟件做圖片處理，并將做好的圖片作為材質(zhì)，在3ds Max中將其貼在模型上。建議將圖片的寬和高均設(shè)為2n(n為正整數(shù))，格式為TIF。貼紋理完成的整體模型如圖9所示。

圖9 行政樓整體模型

5.三維模型和實(shí)際測(cè)量的比較分析

為了檢驗(yàn)行政樓三維模型是否合格，本文選取了8條邊，分別用兩種方式測(cè)量邊長(zhǎng):第1種是用鋼尺(50 m)對(duì)每條邊分別進(jìn)行3次測(cè)量并求平均值;第2種是用Cyclone軟件對(duì)模型進(jìn)行二維線劃圖提取(俯視圖)，導(dǎo)入AutoCAD中進(jìn)行測(cè)量。計(jì)算對(duì)應(yīng)邊的兩種方式測(cè)量結(jié)果的較差，繪制成表格如圖10所示。

圖10 測(cè)量結(jié)果較差

由圖10可得，較差隨邊長(zhǎng)的增大而增大，最小為5 mm，最大為22 mm，它們對(duì)應(yīng)的邊長(zhǎng)(鋼尺測(cè)距)分別是3.211 m和68.499 m。根據(jù)《城鎮(zhèn)地籍調(diào)查規(guī)程》中對(duì)界址點(diǎn)精度的規(guī)定，一、二、三級(jí)相鄰界址點(diǎn)之間的允許誤差分別為10 cm、15 cm、20 cm。而本文中模型尺寸與實(shí)際測(cè)量結(jié)果較差都在3 cm以下，符合精度規(guī)定，因此可認(rèn)為本文提出的建模方法是可行的，所建模型在一些工程中是可用的。

四、結(jié) 論

由模型創(chuàng)建的整個(gè)過(guò)程和結(jié)果分析，可得出以下結(jié)論:

1)本文中將常見的模型分為3種，分別是規(guī)則幾何模型、可擠壓的不規(guī)則模型、不可擠壓的不規(guī)則模型。在建模時(shí)，需要針對(duì)模型特點(diǎn)選擇建模方式。尤其是對(duì)于不可擠壓的不規(guī)則模型，不建議使用Cyclone軟件建模。

2)本文通過(guò)該軟件進(jìn)行建模所用的方法是可行的，建模的最終結(jié)果可滿足一些實(shí)際工程的需要。

3)Cyclone是一款功能較強(qiáng)大、實(shí)用的建模軟件。它不但能對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行彩色紋理映射，而且還可提供模型的線劃圖，其三維模型組件庫(kù)使它在創(chuàng)建規(guī)則的幾何模型方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。

［1］張會(huì)霞，朱文博.三維激光掃描數(shù)據(jù)處理理論及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012.

［2］王瀟瀟.地面三維激光掃描建模及其在建筑物測(cè)繪中的應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2010.

［3］劉麗惠，薛勇，蔣濤，等.逆向工程在“一滴血”紀(jì)念碑重建中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011(6):86-89.

［4］孫德鴻，劉世晗，劉麗惠.三維激光掃描在巖畫保護(hù)中的應(yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2011(1):35-37.

［5］王田磊，袁進(jìn)軍，王建鋒.三維激光掃描技術(shù)在建筑物三維建?？梢暬械膽?yīng)用［J］.測(cè)繪通報(bào)，2012(9):44-47.

［6］陸益紅，趙長(zhǎng)勝，武宜廣，等.楚王陵激光點(diǎn)云三維重建［J］.測(cè)繪地理信息，2013，38(1):55-57.

［7］謝宏全，侯坤.地面三維激光掃描技術(shù)與工程應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2013.

［8］詹長(zhǎng)根，唐祥云，劉麗.地籍測(cè)量學(xué)［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2009.

［9］周華偉.地面三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理與模型構(gòu)建［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2011.