史宜南，代偵勇，劉 鵬

（1.武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖武漢 430079；2.武漢大學(xué) 中國(guó)南極測(cè)繪研究中心，湖武漢 430079）

激光點(diǎn)云建模與傳統(tǒng)建模方法的比較

史宜南1，代偵勇1，劉 鵬2

介紹了激光點(diǎn)云建模與傳統(tǒng)3DMax建模技術(shù)的工作原理、實(shí)現(xiàn)流程和成果表達(dá)形式，結(jié)合實(shí)例從數(shù)據(jù)獲取途徑與建模方法兩方面對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比，證明激光點(diǎn)云建模技術(shù)可以快速、精確地建立三維實(shí)體模型，對(duì)比結(jié)果能夠?yàn)閷?shí)際工程領(lǐng)域中的建模需求提供參考。

三維建模；激光點(diǎn)云；三維激光掃描系統(tǒng)； 3DMax建模

建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)中的技術(shù)核心，虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)世界反映的真實(shí)性狀況與建模技術(shù)有著密切的關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提升和可視化技術(shù)的快速發(fā)展,模型重建技術(shù)也更加成熟。傳統(tǒng)的建模方法按技術(shù)手段和表現(xiàn)形式分為2種：基于幾何模型建模技術(shù)和基于圖像建模技術(shù)[1-2]。常用的三維建模軟件有：3DMax、AutoCAD、Google SketchUp等?；趲缀文Ｐ偷慕＜夹g(shù)操作簡(jiǎn)單，但數(shù)據(jù)采集和建模流程費(fèi)時(shí)費(fèi)力；基于圖像的建模技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求較高，針對(duì)規(guī)則物體建模效果較好，但不適用于復(fù)雜物體。如何高效、準(zhǔn)確地獲得數(shù)據(jù)、建立模型，成為當(dāng)前普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

作為近年來(lái)出現(xiàn)的新型模型重建技術(shù)，激光點(diǎn)云建模技術(shù)拓展了模型重建技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段,在數(shù)字城市、工程規(guī)劃、古建筑保護(hù)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文通過(guò)新技術(shù)與傳統(tǒng)方法的對(duì)比，突出了激光點(diǎn)云建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景。

1 三維建模方法的應(yīng)用研究

三維建模主要環(huán)節(jié)包括：空間數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、模型建立、模型可視化。三維空間模型分為地形模型和地物模型。地物模型非常復(fù)雜，又可以歸納為：建筑物模型（簡(jiǎn)單建筑物、復(fù)雜建筑物）；構(gòu)筑物模型（雕像）；道路模型；環(huán)境景觀模型（草地、樹木、河流等）；其他地物模型（路燈、垃圾桶等）[3]。地物有自身的空間屬性特征,需要采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建模方法。

本文以某地區(qū)的奧特萊斯廣場(chǎng)為例，分別采用傳統(tǒng)3DMax建模和激光點(diǎn)云建模技術(shù)進(jìn)行主要模型重建，深入分析了二者的工作流程及特點(diǎn)。

1.1 傳統(tǒng)建模方法的應(yīng)用

傳統(tǒng)幾何模型建模技術(shù)工作原理是：以矢量幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用模型構(gòu)建軟件建立三維模型，模型紋理圖片用數(shù)碼相機(jī)獲得，再經(jīng)過(guò)照片糾正處理后進(jìn)行貼圖。采用3DMax、AutoCAD軟件進(jìn)行模型構(gòu)建，是幾何模型建模技術(shù)最常用的方法。利用3DMax軟件完成區(qū)域內(nèi)主要場(chǎng)景的建模,技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 3DMax建模流程圖

1.2 激光點(diǎn)云的建模方法應(yīng)用

激光點(diǎn)云建模技術(shù)是根據(jù)三維激光掃描儀獲取包含三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和配準(zhǔn)處理等操作，進(jìn)一步提取有效數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲面和實(shí)體構(gòu)造，最終得到三維模型。工作步驟包括：①數(shù)據(jù)采集，通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)地獲取目標(biāo)實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、紋理信息；②數(shù)據(jù)處理，包括多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接、去噪、重采樣等處理；③三維建模，根據(jù)不同的點(diǎn)云特征，建立三維空間數(shù)據(jù)模型；④紋理映射，紋理信息映射到模型上，形成模型的真實(shí)紋理。技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 激光點(diǎn)云建模的技術(shù)流程圖

點(diǎn)云建模需要滿足2個(gè)條件,第一，數(shù)據(jù)必須是配準(zhǔn)的,融合為一個(gè)整體；第二，重建的表面與融合的數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系一致。這就要求在進(jìn)行建模前，需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)在StudioClouds軟件中進(jìn)行處理操作。數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)糾正是數(shù)據(jù)采集時(shí)在相鄰區(qū)域設(shè)置至少3個(gè)以上的標(biāo)靶點(diǎn)，將不同站點(diǎn)不同角度掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，再根據(jù)得到的大地坐標(biāo)，將拼接好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下；數(shù)據(jù)去噪是利用軟件中去除噪聲、去除特征等功能，結(jié)合人工分析的方法刪除遮擋被測(cè)實(shí)體的樹木、行人等障礙數(shù)據(jù)；重采樣是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)重采樣獲得大于2 mm任意間距的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)量，提高效率。處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

2 對(duì)比分析

2.1 數(shù)據(jù)采集對(duì)比

傳統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)方法是通過(guò)外業(yè)測(cè)量和資料收集，獲取空間實(shí)體的CAD地形圖、模型照片等數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)通過(guò)記錄激光脈沖從發(fā)射到接收回波之間的時(shí)間差得到實(shí)體與掃描儀中心的距離。編碼器通過(guò)測(cè)量脈沖的角度來(lái)獲取被測(cè)物體的三維坐標(biāo)，獲取實(shí)體表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理信息，包含被測(cè)物體空間尺寸和反射率信息，同時(shí)其內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)也相應(yīng)地采集到被測(cè)物體的照片[4-5]，獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。

本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)為了更好地突出三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，分別采用Reigl VZ-1000三維激光掃描儀和傳統(tǒng)的全站儀對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。結(jié)果顯示，采用Reigl VZ-1000三維激光掃描儀和StudioClouds系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行掃描，3個(gè)外業(yè)測(cè)量人員用了1 d的時(shí)間，通過(guò)設(shè)置32個(gè)站點(diǎn)就完整地掃描了奧特萊斯廣場(chǎng)上共11座建筑，獲取的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)4千多萬(wàn)。同樣的區(qū)域，通過(guò)傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量需要6個(gè)人花費(fèi)3 d的時(shí)間才能完成，數(shù)據(jù)獲取的能力有限，外業(yè)工作量大。因此，利用三維激光掃描儀可以省時(shí)省力并獲取豐富精確的數(shù)據(jù)。

2.2 建模方法及效果對(duì)比

基于3DMax，構(gòu)建地形、地貌模型，一般利用軟件的功能模塊由等高線和高程點(diǎn)生成DEM。構(gòu)建建筑物模型，根據(jù)得到的地形圖數(shù)據(jù)構(gòu)筑建筑物的幾何輪廓，在3DMax中，以實(shí)地測(cè)量的建筑物長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照實(shí)體輪廓拉伸成具有高度的實(shí)體模型[6]，生成的實(shí)體模型如圖4所示。構(gòu)建環(huán)境景觀和其他地物模型一般通過(guò)紋理貼圖或直接使用三維模型庫(kù)中模型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是通過(guò)建模的過(guò)程和最后模型的呈現(xiàn)可見，3DMax建模方式單一，獲取的數(shù)據(jù)離散，失去了很多細(xì)部特征，幾何信息不準(zhǔn)確。特別是對(duì)復(fù)雜實(shí)體建模時(shí)不能很好地表現(xiàn)建筑的細(xì)節(jié)特征。

圖4 3DMax生成的實(shí)體模型

激光點(diǎn)云建模的方法有2種：①點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面模型制作,通過(guò)構(gòu)造三角網(wǎng)格逼近掃描物體表面來(lái)構(gòu)建實(shí)體的三維模型。②幾何模型制作,通過(guò)分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)提取實(shí)體的幾何輪廓從而進(jìn)行模型重建[7]。由于激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)是離散的，需要把點(diǎn)云分類，采用的是數(shù)據(jù)濾波分類與點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的方法。對(duì)于不同的實(shí)體類型，應(yīng)參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及建模需求采用相應(yīng)的建模方法[8-9]，主要有：

1）地形模型建模。采用投影后構(gòu)建平面三角網(wǎng)的方法，即將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到平面坐標(biāo)上，利用X、Y坐標(biāo)構(gòu)建二維三角網(wǎng)，然后再給各點(diǎn)賦Z值，從而構(gòu)建DEM模型。

2）規(guī)則建筑物建模。規(guī)則建筑物一般由連續(xù)的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成，采用幾何模型制作方法建模。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和曲面擬合，采用人機(jī)交互的方式來(lái)提取特征輪廓線繪制成實(shí)體的幾何線框圖，進(jìn)而構(gòu)建模型，進(jìn)行紋理貼圖。圖5為簡(jiǎn)單建筑物的線框模型和實(shí)體模型。

3）不規(guī)則的復(fù)雜物體和構(gòu)筑物建模。這類空間模型表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求比較高，表面是任意的，采用點(diǎn)云重建算法構(gòu)建三角網(wǎng)的方式來(lái)構(gòu)建表面模型，得到了物體準(zhǔn)確的幾何細(xì)節(jié)信息,通過(guò)拓?fù)錂z查修復(fù)，對(duì)缺失的部分進(jìn)行遺漏修補(bǔ)，最后進(jìn)行紋理貼圖。圖6為復(fù)雜建筑物的實(shí)體模型。

圖5 簡(jiǎn)單建筑物的三維模型圖

圖6 復(fù)雜建筑物的三維模型圖

4）對(duì)于其他地物（如電桿、郵筒、花圃花壇等），這些實(shí)體幾何形狀比較復(fù)雜，一般只需要作為一種符號(hào)表示其位置即可，因此可根據(jù)實(shí)際需要，采用建模軟件三維模型庫(kù)中的單體模型和人工特征提取輪廓線建模相結(jié)合的辦法。激光點(diǎn)云建模針對(duì)不同的場(chǎng)景采用相應(yīng)的方法，成果表現(xiàn)形式多樣，在建模效率、模型精度、實(shí)現(xiàn)的可能性和可靠性上都高于3DMax建模方法。

表1為基于3DMax建模與基于激光點(diǎn)云建模的各項(xiàng)指標(biāo)比較，相對(duì)于傳統(tǒng)的建模方法，激光點(diǎn)云的建模具有很大的優(yōu)越性。特別是三維激光掃描儀能夠采集到傳統(tǒng)測(cè)量方法難以獲得的不規(guī)則建筑物角點(diǎn)，對(duì)一些細(xì)微特征的描述比較精細(xì)，因此激光點(diǎn)云建模方法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大規(guī)模建筑物建模中具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

表1 激光點(diǎn)云建模技術(shù)與3DMax建模技術(shù)比較

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要從數(shù)據(jù)獲取手段和建模方式兩方面對(duì)以3DMax為代表的傳統(tǒng)建模和激光點(diǎn)云建模方法進(jìn)行實(shí)例比較，結(jié)果表明，利用三維激光掃描系統(tǒng)采集的點(diǎn)云適合于構(gòu)建復(fù)雜模型，可以有效地建立完整的模型，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建模方法的不足。但是，激光點(diǎn)云建模方法也存在著一些問(wèn)題：在數(shù)據(jù)采集方面，原始數(shù)據(jù)冗余；數(shù)據(jù)處理方面，如果受外界干擾過(guò)多會(huì)產(chǎn)生大量噪聲點(diǎn)，增加了處理工作量等。如何在實(shí)際應(yīng)用中改善這些問(wèn)題，是下一步需要深入研究的內(nèi)容。

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1672-4623（2016）08-0041-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.014

史宜南，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镚IS數(shù)據(jù)處理與三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用。

2014-09-23。