梅曉丹，李 響，劉瀚文，蘇冬玲，李湘媛，李 剛

(黑龍江工程學(xué)院 測(cè)繪工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050)

隨著三維建模點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取手段的逐漸成熟，地面激光掃描技術(shù)作為1種通過(guò)三維掃描的方法獲取掃描對(duì)象表面信息的三維測(cè)量技術(shù)，以線(xiàn)陣采樣的方式獲得掃描視界內(nèi)地物的全景數(shù)據(jù)，從而使虛擬地理場(chǎng)景的重建模型能夠真實(shí)模擬自然地理環(huán)境和地物的幾何結(jié)構(gòu)和形態(tài)分布，因而其在數(shù)字城市、文物保護(hù)、形變監(jiān)測(cè)以及建筑物三維重建等領(lǐng)域已成為業(yè)界研究的熱點(diǎn)[1-7]。本文以黑龍江工程學(xué)院的攝影測(cè)量與遙感仿真模擬實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，該實(shí)景由建筑和辦公設(shè)施、地面沙盤(pán)和高架航空模擬軌道等專(zhuān)業(yè)設(shè)施組成。采用地基三維激光掃描方式獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件和三維建模軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)實(shí)景的三維重建。

1 基于激光點(diǎn)云的航測(cè)實(shí)驗(yàn)室三維重建總體方案

軟件環(huán)境主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、分析軟件以及三維建模軟件。本研究使用地面三維激光掃描儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)景的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，采用LiDAR360V4.0軟件和Autodesk ReCap2019軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。LiDAR360是北京數(shù)字綠土科技有限公司自主研發(fā)的激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和分析軟件，支持海量點(diǎn)云的可視化及編輯、自動(dòng)/半自動(dòng)分類(lèi)、數(shù)字模型生成及編輯等一系列操作，以及多元數(shù)據(jù)格式導(dǎo)出；AutoCAD Autodesk ReCap是1個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，通過(guò)引用多個(gè)索引的掃描文件(RCS)來(lái)創(chuàng)建1個(gè)點(diǎn)云投影文件(RCP)，支持多種點(diǎn)云數(shù)據(jù)格式。采用3ds Max軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景的三維重建，使用Photoshop軟件進(jìn)行三維模型貼圖操作。3ds Max 2019是Autodesk公司開(kāi)發(fā)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。借助多種工具的組合可在短時(shí)間內(nèi)高效地創(chuàng)建三維模型和虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象，還可生成專(zhuān)業(yè)高品質(zhì)的三維動(dòng)畫(huà)，支持多平臺(tái)的軟件發(fā)布。本研究的具體技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線(xiàn)

2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取和處理

2.1 數(shù)據(jù)獲取

以黑龍江工程學(xué)院的攝影測(cè)量與遙感仿真模擬實(shí)驗(yàn)室為研究對(duì)象，本研究的數(shù)據(jù)獲取類(lèi)型主要包括基于地面三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和室內(nèi)場(chǎng)景的紋理數(shù)據(jù)。使用Z+F IMAGER?5010X三維激光掃描儀，該儀器具體參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。設(shè)置測(cè)站高度為相對(duì)高程1 m，采用標(biāo)靶方法獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)東、西、南和北4個(gè)方位分別擺放標(biāo)靶作為各測(cè)站點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接的公共參考點(diǎn)。通過(guò)轉(zhuǎn)換激光雷達(dá)所獲取的掃描文件為點(diǎn)云格式，保存為L(zhǎng)AS格式。由于該三維激光掃描儀無(wú)法同時(shí)獲取掃描對(duì)象的紋理數(shù)據(jù)，因此，本研究采用相機(jī)單獨(dú)拍攝獲取的方法，共采集貼圖270余張，保存為.jpg格式。

表1 Z+F IMAGER?5010X三維激光掃描儀參數(shù)

2.2 數(shù)據(jù)的處理

本研究采用LiDAR360軟件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，主要包括去噪聲、重采樣、識(shí)別與分類(lèi)、地形信息提取和格式轉(zhuǎn)換等一系列操作，從而為后續(xù)的實(shí)體三維模型提供高精度高質(zhì)量的數(shù)據(jù)支持[8]。為了提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理效率和精度，將多個(gè)點(diǎn)云掃描文件聚合到一起，作為1個(gè)整體處理使得多個(gè)點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)具有相同的處理精度，保存在1個(gè)工程文件中，文件格式為.LiData。1)去噪聲：這里使用點(diǎn)云的【去噪】工具，將鄰域點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置為40，標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)設(shè)置為5，去噪聲處理，同時(shí)精簡(jiǎn)冗余數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量[9-10]；2)重采樣：選擇【重采樣】工具，采用“最小點(diǎn)間距”方法，最小點(diǎn)間距設(shè)置為0.001，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣，以達(dá)到提高三維建模效率的目的；3)識(shí)別與分類(lèi)：使用【分類(lèi)】工具，分別通過(guò)地面點(diǎn)分類(lèi)、孤立點(diǎn)分類(lèi)、噪聲點(diǎn)分類(lèi)、建筑物分類(lèi)和電力線(xiàn)分類(lèi)等對(duì)沙盤(pán)中地物和地形信息進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)處理；4)地形信息提取：使用【地形】工具，通過(guò)坡度、坡向、生成TIN和點(diǎn)云生成等高線(xiàn)等工具進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)中地形信息的提取，特別是通過(guò)【點(diǎn)云生成等高線(xiàn)】工具生成的沙盤(pán)地形等高線(xiàn)，為后續(xù)的三維地形建模提供數(shù)據(jù)支持；5)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：采用Autodesk ReCap軟件將當(dāng)前所加載的點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)作為點(diǎn)云掃描RCS文件保存及導(dǎo)出，將LAS格式轉(zhuǎn)換為3ds Max所支持的RCS文件格式和RCP文件格式。

3 實(shí)驗(yàn)室模型構(gòu)建

攝影測(cè)量與遙感模擬仿真實(shí)驗(yàn)室主要包括沙盤(pán)、航空模擬軌道、攝影測(cè)量數(shù)字工作站、投影儀、門(mén)、窗戶(hù)、柜子、吊燈、桌子、椅子及其它環(huán)境附屬物(墻體、地面、展板、洗手臺(tái)和暖氣片等)。在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，采用3ds Max軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室對(duì)象和場(chǎng)景的三維重建，并通過(guò)大量紋理貼圖，達(dá)到實(shí)景建模逼真的效果。

3.1 三維地物對(duì)象構(gòu)建

3.1.1 三維沙盤(pán)模型

由于本研究沙盤(pán)對(duì)象中地物和地形相對(duì)復(fù)雜，采用1∶500和1∶1 000兩種比例尺展示，其主要包括道路、樹(shù)木、建筑物和地形等，高度為0.2 m，長(zhǎng)為6 m，寬為5 m。這里先將實(shí)驗(yàn)室中的沙盤(pán)對(duì)象分別進(jìn)行單體三維建模，再將各個(gè)模型集成整合處理為1個(gè)整體沙盤(pán)模型。1)道路模型：采用中線(xiàn)生成法，即通過(guò)繪制道路中間樣條線(xiàn)的方法完成道路模型構(gòu)建。在道路中線(xiàn)彎曲路段處理，使用【圓角】工具修改其屬性值，使道路中線(xiàn)變得圓滑。道路交叉口的創(chuàng)建方法為繪制交叉的2條樣條線(xiàn)，采用【附加】工具將其合并為1個(gè)整體。由于沙盤(pán)所包含的道路都是相同的道路，只有個(gè)別道路需要單獨(dú)處理，其他道路均可采用【實(shí)例】克隆工具，然后進(jìn)行相應(yīng)的空間三維處理，從而達(dá)到與沙盤(pán)道路位置吻合，可以很大程度上提高三維建模的效率。根據(jù)沙盤(pán)點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)繪制道路中線(xiàn)輔助線(xiàn)網(wǎng)圖，再由道路生成復(fù)雜的道路網(wǎng)；2)樹(shù)木對(duì)象：在創(chuàng)建的道路網(wǎng)模型基礎(chǔ)上，創(chuàng)建道路兩側(cè)的樹(shù)木對(duì)象。使用【植物】工具進(jìn)行樹(shù)木模型的創(chuàng)建，選擇樹(shù)種，使用點(diǎn)云捕捉工具和相應(yīng)的三維位置變換工具，完成樹(shù)木模型的空間位置擺放；3)建筑物對(duì)象：沙盤(pán)中校區(qū)的建筑物進(jìn)行三維建模時(shí)，主體建筑物多為規(guī)則形狀，使用【長(zhǎng)方體】工具創(chuàng)建建筑物標(biāo)準(zhǔn)幾何體，通過(guò)擠出、拉伸、圓滑和布爾等工具修改外部形態(tài)。采用材質(zhì)編輯器進(jìn)行建筑物的貼圖和紋理處理，再調(diào)整建筑物三維模型進(jìn)行幾何位置擺放。對(duì)于特殊形狀的建筑物，則使用【復(fù)合對(duì)象】工具進(jìn)行建筑物部件組合操作。由于沙盤(pán)中建筑物尺寸較小，其貼圖的現(xiàn)場(chǎng)采集比較困難，本研究采用獲取室外實(shí)景校園建筑物紋理貼圖方法，用于沙盤(pán)建筑模型的貼圖，以達(dá)到模型的美觀(guān)性和實(shí)景效果；4)三維地形構(gòu)建：加載等高線(xiàn)數(shù)據(jù)，選中等高線(xiàn)整體，通過(guò)【地形】工具生成三維地形模型，獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型；5)三維沙盤(pán)構(gòu)建：將沙盤(pán)內(nèi)的所有地物和地形的三維建模導(dǎo)入合并，并嚴(yán)格按照點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)各種地物和地形進(jìn)行X，Y和Z軸坐標(biāo)的參數(shù)設(shè)置，使沙盤(pán)模型達(dá)到最佳整體集成效果。采用歸一化工具處理過(guò)程對(duì)于每一個(gè)點(diǎn)的高程值Z減去找到的最近地面點(diǎn)高程值，去除地形起伏對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程值的影響，再將三維沙盤(pán)模型與室內(nèi)模擬拍攝航片無(wú)縫拼接圖疊加構(gòu)建三維實(shí)景沙盤(pán)模型，如圖2所示。

3.1.2 三維航空模擬軌道和無(wú)人機(jī)模型

采用3ds Max軟件構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)的模擬航空飛行軌道，主要包括固定軌道和滑動(dòng)軌道，相對(duì)航高為3 m，長(zhǎng)度為6.3 m，寬度為5.6 m，設(shè)置4條航線(xiàn)，航向重疊度為60%，旁向重疊度為30%。另外，在滑動(dòng)軌道上，以四旋翼無(wú)人機(jī)為原型，由飛行器、旋翼和支架組成三維無(wú)人機(jī)模型。

3.1.3 三維攝影測(cè)量數(shù)字工作站模型

以JX-4G數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站為原型，主要由顯示器、機(jī)箱、電腦桌、手輪和腳盤(pán)等部件組成，采用3ds Max軟件構(gòu)建三維數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量工作站模型。

圖2 沙盤(pán)模型

圖3 三維實(shí)驗(yàn)室整體模型

3.2 室內(nèi)建筑和辦公設(shè)備三維建模

對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的投影儀，門(mén)、窗戶(hù)、柜子、吊燈、桌子、椅子及其它附屬物(墻體、地面、天花板、宣傳展板、洗手臺(tái)、暖氣片等)的三維建模方法與上述對(duì)象相似，這里就不再加以詳細(xì)說(shuō)明。在完成3 ds Max軟件實(shí)驗(yàn)室各個(gè)對(duì)象模型和場(chǎng)景模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)象的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何屬性和三維空間坐標(biāo)信息，調(diào)整各個(gè)模型的比例大小和空間位置，將各個(gè)模型進(jìn)行集成形成整個(gè)實(shí)驗(yàn)室三維實(shí)景模型。

4 實(shí)驗(yàn)室三維模型的應(yīng)用

在3ds Max軟件中使用【創(chuàng)建】工具，創(chuàng)建自定義攝影機(jī)，使用【設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)】工具調(diào)整攝影機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和運(yùn)動(dòng)路徑；當(dāng)攝影到達(dá)轉(zhuǎn)向節(jié)點(diǎn)時(shí)使用【鑰匙】工具，記錄攝影機(jī)在2個(gè)節(jié)點(diǎn)間運(yùn)動(dòng)的視場(chǎng)變化過(guò)程；使用【時(shí)間配置】工具設(shè)置攝影機(jī)漫游時(shí)間和幀數(shù)。從俯視、側(cè)視、前后視、遠(yuǎn)景和近景等多個(gè)角度，依次點(diǎn)擊設(shè)置關(guān)鍵點(diǎn)，按鑰匙圖標(biāo)記錄當(dāng)前位置，將磁頭滑到每間隔25幀位置，創(chuàng)建1 min的攝影機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑，以達(dá)到全面地展示實(shí)驗(yàn)室三維場(chǎng)景漫游效果的目的(見(jiàn)圖3和圖4)。秉持“虛實(shí)結(jié)合，資源共享”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，開(kāi)展基于實(shí)驗(yàn)室三維模型的應(yīng)用，深度融合信息化技術(shù)與教育教學(xué)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室三維模型的漫游、人機(jī)交互和可量測(cè)性功能，搭建1個(gè)開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，服務(wù)于教學(xué)、實(shí)習(xí)以及實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)，開(kāi)創(chuàng)1種實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新模式。例如：在《三維GIS建模》、《攝影測(cè)量學(xué)》、《數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量》和《航空與航天攝影》課程教學(xué)中，把教學(xué)從單純、抽象的理論和書(shū)本中抽離出來(lái)，變?yōu)橹庇^(guān)、立體和交互性；在《攝影測(cè)量外業(yè)實(shí)習(xí)》和《控制測(cè)量實(shí)習(xí)》中，模擬航空攝影測(cè)量的全過(guò)程以及地形測(cè)量的過(guò)程，將實(shí)習(xí)指導(dǎo)直觀(guān)分步演示，有效地攻破知識(shí)重點(diǎn)難點(diǎn)；在實(shí)驗(yàn)室的維護(hù)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，師生將不受時(shí)空的限制，開(kāi)展自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新研究，同時(shí)提供網(wǎng)絡(luò)一體化的管理功能，有效地提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果和質(zhì)量。

圖4 實(shí)驗(yàn)室模型的攝影機(jī)設(shè)置

5 結(jié)束語(yǔ)

由于三維激光掃描儀高度對(duì)地面點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響[12-13]，實(shí)際實(shí)驗(yàn)室沙盤(pán)中校園建筑物模型尺寸與實(shí)驗(yàn)室整體空間大小比例存在較大差異。因此，僅單純利用三維激光點(diǎn)云信息是很難做出具有真實(shí)比例的精細(xì)模型，本研究采用傳統(tǒng)三維建模和點(diǎn)云模型自動(dòng)構(gòu)建相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)三維重建?；诘孛嫒S激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，獲得較好質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)室三維實(shí)景模型和三維漫游顯示效果，且其具有可量測(cè)的三維模型特點(diǎn)，利用該模型可為測(cè)繪類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展控制測(cè)量、地形測(cè)量、三維激光掃描和三維空間分析應(yīng)用等提供有效的數(shù)據(jù)支持，達(dá)到教學(xué)、示范和實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)的目的[14]，但實(shí)際應(yīng)用中需要考慮沙盤(pán)地物和實(shí)物存在差異，如植被的反射強(qiáng)度。面對(duì)迅速發(fā)展的空間觀(guān)測(cè)技術(shù)和信息處理技術(shù)，今后的工作將進(jìn)一步研究“天-空-地-內(nèi)”多源立體觀(guān)測(cè)方式，通過(guò)多種手段獲取室內(nèi)高精度三維空間信息，以期獲得更高精度和質(zhì)量的室內(nèi)實(shí)景三維模型。