李強(qiáng)

(沈陽(yáng)市勘察測(cè)繪研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110004)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)被稱為“實(shí)景復(fù)制技術(shù)”，其能快速獲得原始的測(cè)繪數(shù)據(jù)，并完整、高精度地重建實(shí)體[1]。與激光測(cè)距技術(shù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的測(cè)量方法不同，地面三維激光掃描技術(shù)使傳統(tǒng)的人工單點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動(dòng)獲取批量數(shù)據(jù)，提高了量測(cè)的精度與速度[2]。地面三維激光掃描將傳統(tǒng)的點(diǎn)測(cè)量發(fā)展為面測(cè)量，可以高效率、高質(zhì)量、低成本地獲取海量的空間數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)的特征信息。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理，可以直接為CAD等軟件使用構(gòu)建高精度模型框架，還可以將真實(shí)的紋理映射到模型框架上，生成三維模型。

本文以沈陽(yáng)K11購(gòu)物藝術(shù)中心為實(shí)例，采用Leica Scan Station P40三維激光掃描儀對(duì)其進(jìn)行了掃描測(cè)量，利用全站儀測(cè)量對(duì)掃描精度進(jìn)行了評(píng)定，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了高精度三維模型，取得了較好的效果。

2 工程概況和作業(yè)流程

2.1 工程概況

本文的測(cè)量對(duì)象為沈陽(yáng)K11購(gòu)物藝術(shù)中心，位于青年大街渾河北岸，其建筑面積約26萬(wàn)平方米。整個(gè)綜合體項(xiàng)目集合K11購(gòu)物藝術(shù)中心、沈陽(yáng)新世界博覽館、五星級(jí)酒店、寫字樓、服務(wù)式公寓等業(yè)態(tài)于一體，是沈陽(yáng)市最大的單體建筑。整個(gè)綜合體外形設(shè)計(jì)現(xiàn)代時(shí)尚，正面博覽館設(shè)計(jì)具有傾斜線條美，整體向外傾斜，由多個(gè)方塊結(jié)構(gòu)錯(cuò)亂有序地疊置在一起，頂部形如“大鵬展翅”，如圖1所示。這些對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)量方式都是極大的挑戰(zhàn)。

圖1 沈陽(yáng)K11購(gòu)物藝術(shù)中心效果圖

2.2 作業(yè)流程

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物三維建模的作業(yè)流程主要可分為三大部分：外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和實(shí)體建模，其流程圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)流程圖

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 掃描方案設(shè)計(jì)

此次掃描采用的是Leica Scan Station P40三維激光掃描系統(tǒng)，其主要性能優(yōu)勢(shì)有以下三點(diǎn)：

(1)掃描速度快，精度高，掃描范圍廣。掃描速率最高可以達(dá)到 1 000 000點(diǎn)/秒，點(diǎn)密度最高可以達(dá)到 2 mm/10 m，其最遠(yuǎn)射程可達(dá) 270 m，點(diǎn)位精度可以達(dá)到毫米級(jí)別。

(2)集成了高分辨率相機(jī)。掃描儀機(jī)身集成了自動(dòng)調(diào)焦的數(shù)碼相機(jī)，在進(jìn)行激光掃描的同時(shí)獲取掃描場(chǎng)景的高清照片，可用作三維模型數(shù)據(jù)的紋理貼圖。

(3)配備了專業(yè)的點(diǎn)云后處理軟件。利用專業(yè)的點(diǎn)云后處理軟件，可以更加方便和高效地處理海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，提取高精度的特征點(diǎn)、線、面，制作三維模型。

方案制定應(yīng)考慮三個(gè)方面問(wèn)題：①站點(diǎn)布設(shè)。測(cè)站布設(shè)應(yīng)考慮掃描數(shù)據(jù)的完整性，保證測(cè)站間的通視，測(cè)站與測(cè)站之間不小于20%的重疊度。②設(shè)置掃描分辨率。根據(jù)不同的掃描距離設(shè)置不同的掃描分辨率。③標(biāo)靶布設(shè)。各測(cè)站重疊區(qū)域應(yīng)布設(shè)了不少于3個(gè)的公共標(biāo)靶，并盡量避免位于同一條直線上。最終確定在K11周圍布設(shè)26個(gè)測(cè)站，其中在K11周圍布設(shè)了20個(gè)測(cè)站，K11頂部布設(shè)了6個(gè)測(cè)站。

3.2 控制測(cè)量

為了更精確地獲得建筑物的三維坐標(biāo)，以便將三維模型成果納入沈陽(yáng)市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)中，我們?cè)诮ㄖ镏車荚O(shè)了8個(gè)控制點(diǎn)。控制點(diǎn)采用的是網(wǎng)絡(luò)RTK現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的方式，利用了“沈陽(yáng)市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測(cè)量綜合服務(wù)系統(tǒng)(SYCORS)”和沈陽(yáng)市似大地水準(zhǔn)面，RTK定位精度可以達(dá)到 2 cm左右。

3.3 掃描儀數(shù)據(jù)采集

根據(jù)制定好的掃描方案完成對(duì)建筑物的三維激光掃描，同時(shí)利用掃描儀集成的相機(jī)獲取掃描場(chǎng)景的高清照片。為保證點(diǎn)云配準(zhǔn)精度，在場(chǎng)景掃描完成后，對(duì)公共標(biāo)靶以及測(cè)量控制點(diǎn)進(jìn)行掃描，以便后期點(diǎn)云配準(zhǔn)。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需要去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲點(diǎn)，其結(jié)果直接影響后期建模的質(zhì)量。點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的噪聲來(lái)源主要有兩種：一是外界因素干擾，譬如目標(biāo)前方遮擋物、掃描有效范圍外的地物點(diǎn)；二是激光多路徑干擾，由于激光光束的離散度，使得一個(gè)發(fā)射光束可接收到不同實(shí)體返回的反射光束而產(chǎn)生噪聲以及激光穿透透明物體造成的噪聲點(diǎn)。

因不同實(shí)體反射而產(chǎn)生的噪聲點(diǎn)可在點(diǎn)云后處理軟件中利用濾波方法處理，其原理是通過(guò)在指點(diǎn)區(qū)域內(nèi)采用賦有權(quán)重的高斯分布，可以在保留原有點(diǎn)云數(shù)據(jù)特征的前提之下有效地過(guò)濾掉指定區(qū)域內(nèi)的高頻信息，去除噪點(diǎn)；因遮擋物和激光穿透造成的噪聲點(diǎn)，可在Leica Cyclone中通過(guò)人工交互的方式批量去除，僅保留掃描目標(biāo)表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

4.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是將基于各個(gè)測(cè)站的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并為一個(gè)完整統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點(diǎn)云[8]，其方法主要有三種：基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)，基于多視點(diǎn)云的配準(zhǔn)和基于控制點(diǎn)的配準(zhǔn)。

基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)方法通過(guò)精確識(shí)別同名標(biāo)靶完成配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度較高，處理流程為自動(dòng)化；基于多視點(diǎn)云的配準(zhǔn)方法是基于具有一定重疊區(qū)域的點(diǎn)云，通過(guò)人工交互指定同名點(diǎn)完成配準(zhǔn)，一般作為不宜布設(shè)標(biāo)靶情況下的補(bǔ)充手段；基于控制點(diǎn)的配準(zhǔn)方法是通過(guò)識(shí)別已知坐標(biāo)信息的控制點(diǎn)，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到特定的坐標(biāo)系統(tǒng)中，配準(zhǔn)的精度取決于控制點(diǎn)識(shí)別的精度以及控制點(diǎn)測(cè)量精度。

本次的點(diǎn)云配準(zhǔn)主要是通過(guò)基于標(biāo)靶的方式分別完成地面布設(shè)的20站和K11頂部6站的點(diǎn)云配準(zhǔn)，之后這兩大部分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采用的是基于多視點(diǎn)云的配準(zhǔn)方式合并成一個(gè)整體，最后利用基于控制點(diǎn)的配準(zhǔn)方式將點(diǎn)云數(shù)據(jù)納入沈陽(yáng)市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)中，拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度分析

(1)測(cè)量精度分析

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的點(diǎn)位精度誤差來(lái)源主要包括：儀器測(cè)量誤差和點(diǎn)云配準(zhǔn)誤差。

三維激光掃描儀的儀器測(cè)量誤差主要包括測(cè)角誤差和測(cè)距誤差，這兩方面誤差對(duì)點(diǎn)云點(diǎn)位精度的影響為[8]

(1)

式(1)中md為儀器測(cè)距誤差，mβ為儀器測(cè)角中誤差，D為測(cè)站點(diǎn)和目標(biāo)指點(diǎn)的距離。Leica P40的測(cè)距誤差為 1.2 mm+10 ppm，測(cè)角誤差為8″，掃描目標(biāo)與儀器距離大約為 50 m，則可計(jì)算得到儀器測(cè)量誤差為m1=3 mm。

本次點(diǎn)云配準(zhǔn)中誤差m2=5 mm，根據(jù)誤差傳播定律，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的誤差理論值為：

(2)

根據(jù)式(2)，可得點(diǎn)云理論上點(diǎn)位中誤差為m=5.8 mm。

(2)測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析

本次檢核在點(diǎn)云模型上選取并量測(cè)了掃描對(duì)象10條特征邊長(zhǎng)，然后和全站儀觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1所示。其中邊長(zhǎng)較差最大值為 3.3 cm，中誤差為 1.3 cm，相對(duì)誤差在1‰以下。測(cè)量精度滿足《城市測(cè)量規(guī)范》(CJJ/T 8-2011)中1∶500 DLG成圖標(biāo)準(zhǔn)。

掃描儀與全站儀邊長(zhǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比 表1

5 實(shí)體建模

一般來(lái)講，利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建主要有兩種方法：一種是幾何模型重建，也就是建立輪廓模型；另一種是表面模型重建，主要是構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)來(lái)表示物體表面。

前者是在點(diǎn)云模型上面提取建筑物的特征線，生成CAD模型框架，適用于較規(guī)則的建筑物實(shí)體建模；后者構(gòu)網(wǎng)方法簡(jiǎn)單，適用于對(duì)不規(guī)則連續(xù)曲面的模擬，但是數(shù)據(jù)量較大，處理相對(duì)復(fù)雜。本次建模對(duì)K11的主體結(jié)構(gòu)采用第一種方法，對(duì)其翼型屋頂及其他不規(guī)則曲面的藝術(shù)造型部分采用第二種方法。

5.1 幾何模型重建

較規(guī)則的建筑物其形狀一般可以由特征線來(lái)定義，特征線一般包括建筑物的邊界線、輪廓線、屋脊線等等，特征線提取的過(guò)程即是通過(guò)三維點(diǎn)云復(fù)原其建筑結(jié)構(gòu)圖的過(guò)程。

特征線的提取主要有三種方式：①特征點(diǎn)擬合法，即在三維點(diǎn)云模型中選取若干特征點(diǎn)，通過(guò)特征點(diǎn)擬合獲得特征線，該方法適用于提取曲線形狀的特征線；②切片法，通過(guò)定義切平面，提取某一高度區(qū)間的點(diǎn)云，這些點(diǎn)云形如一連串密集碎部點(diǎn)，根據(jù)一定的取舍原則連接起來(lái)即是建筑物的特征線，該方法適用于分層繪制建筑物的特征線；③投影法，通過(guò)定義不同的投影面，將三維點(diǎn)云模型投影到二維平面，繪制特征線，該方法適用于建筑物立面圖的繪制。

利用Leica Cyclone軟件，綜合運(yùn)用上述三種特征線提取方法，根據(jù)特征線完成幾何模型的重建，結(jié)果如圖4所示。

圖4 幾何模型重建成果圖

5.2 表面模型重建

(1)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)

在Leica Cyclone軟件中將目標(biāo)點(diǎn)云孤立出來(lái)，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，模擬對(duì)象表面形態(tài)特征。構(gòu)網(wǎng)比較常用的是Delaunay三角網(wǎng)，可以有效地避免狹長(zhǎng)三角形的出現(xiàn)，提高表面重建的精度。

(2)三角網(wǎng)模型化簡(jiǎn)

由于掃描點(diǎn)云比較密集，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)難免產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，譬如一個(gè)平面兩個(gè)三角網(wǎng)即可表達(dá)，但實(shí)際生成的三角網(wǎng)個(gè)數(shù)會(huì)有很多，造成數(shù)據(jù)冗余。為此需要在保證精度的前提下對(duì)三角網(wǎng)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕?jiǎn)，在曲率較大的地方保留足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在曲率小的區(qū)域保留較少的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而不是簡(jiǎn)單地均勻抽稀，以減小數(shù)據(jù)冗余。

(3)三角網(wǎng)模型優(yōu)化

由于目標(biāo)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及掃描距離、范圍的限制，最終掃描結(jié)果可能會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)不是很完整，在構(gòu)建三角網(wǎng)時(shí)會(huì)造成表面空洞。這就需要根據(jù)建筑物的表面特征來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，形成比較完整的三角網(wǎng)模型，譬如對(duì)于屋頂?shù)奈菁咕€以及邊緣輪廓線進(jìn)行重點(diǎn)增強(qiáng)處理。通過(guò)三維表面模型重建的“翼型屋頂”如圖5所示。

圖5 三維表面模型重建效果圖

5.3 模型優(yōu)化

為了增加模型的逼真性和現(xiàn)實(shí)性，可以在三維模型上增加紋理使其成為具有紋理屬性的三維模型。利用掃描儀拍攝的高清相片可以制作紋理貼圖，再通過(guò)3ds Max進(jìn)行紋理貼圖和三維渲染，使建筑物模型更具有美感，模型更加逼真。制作好的三維模型如圖6所示。

圖6 K11三維模型

6 結(jié) 語(yǔ)

地面三維激光掃描測(cè)量?jī)x使得傳統(tǒng)的單點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的測(cè)量方式變?yōu)槊芗?、連續(xù)地自動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的測(cè)量方式，獲取的信息量也從點(diǎn)的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)的紋理和顏色灰度信息。本文以沈陽(yáng)K11藝術(shù)購(gòu)物中心為例，驗(yàn)證了利用三維激光掃描技術(shù)制作高精度三維模型的有效性和可行性。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜建筑物的高精度三維建模將是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向，如何快速、自動(dòng)地提取特征線，完成紋理映射，提高建模效率則是需要研究的地方。