賴建民，卜鵬飛

（1.廣州南方測(cè)繪科技股份有限公司，廣州 510630；2.湖南南方測(cè)繪科技有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

近年來(lái)，傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)已無(wú)法滿足現(xiàn)代建模要求，其主要利用二維平面矢量圖和正射影像圖為基礎(chǔ)構(gòu)建白膜，通過(guò)將紋理數(shù)據(jù)和高程數(shù)據(jù)應(yīng)用在白膜上，從而完成傳統(tǒng)測(cè)量工作。但由于傳統(tǒng)建模方式存在生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、建模方法效率低等問(wèn)題，被逐漸淘汰在人們視線中。而三維激光掃描技術(shù)可以有效解決人工建模中存在的問(wèn)題，通過(guò)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理技術(shù)來(lái)提高場(chǎng)景精細(xì)三維模型制作速度和精度，徹底突破傳統(tǒng)測(cè)量收集數(shù)據(jù)單一的局限性，將建筑物局部細(xì)節(jié)和層次感完全體現(xiàn)出來(lái)。另外，通過(guò)利用三維激光掃描技術(shù)來(lái)收集各種紋理信息數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成TIN 格網(wǎng)模型和實(shí)景建模模型，深度還原現(xiàn)實(shí)三維場(chǎng)景。但目前很多測(cè)量工作人員都遇到如何建立基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高效率采集和高精度三維模型的技術(shù)難題?；诖?，本文主要目的是建立一個(gè)高精度三維模型，利用三維建模軟件，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)建筑物的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作[1]。

1 三維建模技術(shù)概述

三維建模是利用虛擬三維空間信息技術(shù)，來(lái)建設(shè)三維模型空間。從某方面來(lái)看，三維建模是隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)演化的信息化技術(shù)，在城市規(guī)劃測(cè)量方面具有重要作用，能將土建信息、三維建模技術(shù)、二維地籍?dāng)?shù)據(jù)信息相互結(jié)合，從而合理規(guī)劃土地，提高土地利用率。同時(shí)，能根據(jù)實(shí)際情況，收集三維信息技術(shù)處理測(cè)量數(shù)據(jù)，建立城市三維數(shù)據(jù)庫(kù)，給城市規(guī)劃提供豐富數(shù)據(jù)資源。分割后的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)能有效降低建筑物建模難度。工作人員采用L1-mean 算法提取單個(gè)建筑物的骨架線點(diǎn)云數(shù)據(jù)，給其選擇建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片方向提供豐富的數(shù)據(jù)資源，保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)切片工作能順利進(jìn)行，為建筑物建模工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 三維建模技術(shù)

2 點(diǎn)云建模問(wèn)題分析

無(wú)論是地面3D 激光掃描還是機(jī)載3D 激光掃描，對(duì)于建筑行業(yè)而言，除了對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)角度、平整度、距離等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析外，還必須將各類云數(shù)據(jù)集中起來(lái)，自動(dòng)生成三維模型，使三維建模技術(shù)發(fā)揮到極致。目前，三維建模軟件趨于多元化，如草圖大師、3dmax、Revit 等軟件，其中點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能可以在3dmax 和Revit 中實(shí)現(xiàn)，但需要事先轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)格式。但從目前實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，這2 個(gè)軟件在向建模傳輸點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)存在問(wèn)題：①點(diǎn)云數(shù)據(jù)承載量出現(xiàn)問(wèn)題。雖然Revit 和3dmax 都可以導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，但通常只能滿足輕量級(jí)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)瀏覽，當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)超過(guò)千萬(wàn)時(shí)，軟件一旦出現(xiàn)卡頓嚴(yán)重問(wèn)題，根本無(wú)法正常使用。②點(diǎn)云建模問(wèn)題。通常采用Revit軟件和3dmax 軟件作為三維建模常用軟件，即根據(jù)項(xiàng)目?jī)?nèi)容進(jìn)行三維建模，有利于提高其在二維圖紙基準(zhǔn)上的操作性和便捷性，而點(diǎn)云數(shù)據(jù)如果使用其他軟件基礎(chǔ)工具來(lái)構(gòu)建基礎(chǔ)三維模型，再應(yīng)用Revit 軟件和3dmax 軟件進(jìn)行建模，這種建模方式對(duì)模型的精確性無(wú)法保證，且造型效率較低，一般要測(cè)很多遍才能出來(lái)[2]。3dmax 軟件可以導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，進(jìn)行建模、紋理映射、渲染和導(dǎo)出，圖2 為根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的三維模型。

圖2 3dmax 軟件導(dǎo)出模型

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集和三維模型重建

3.1 建模算法

在將二維圖形轉(zhuǎn)變?yōu)槿S圖形的過(guò)程中，其具有較強(qiáng)靈活性特征，只需要簡(jiǎn)單掃描圖形設(shè)計(jì)，就能自動(dòng)生成三維圖形。根據(jù)截面和路徑個(gè)數(shù)不同，工作人員可將掃略面分為多路徑單截面線、多路徑多截面線、單路徑多截面線的掃略面，只需輸入沿路徑方向的截面形狀曲線和路徑曲線，就能自動(dòng)生成完整物體。在路徑上的線段有弧線段和直線段2 種類型，工作人員要針對(duì)不同線段提出對(duì)應(yīng)處理方法，要將弧線段進(jìn)行等分，計(jì)算出等分點(diǎn)坐標(biāo)信息，將其作為沿路徑方向截面坐標(biāo)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。另外，工作人員在計(jì)算出截面形狀曲線數(shù)據(jù)時(shí)，全面分析頂點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)順序，計(jì)算多邊形中心點(diǎn)坐標(biāo)，作為形體變換基點(diǎn)，再利用圖形變換技術(shù)掃略截面形狀曲線，將截面形狀曲線頂點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)移到截面頂點(diǎn)坐標(biāo)，保證截面法線方向和切線方向不存在嚴(yán)重差異性，有利于工作人員建立日常工作所需物體[3]。

3.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

這片測(cè)試區(qū)是由大量附屬建筑圍合而成的老式住宅樓，整體人流較大，給測(cè)量人員的采集增加了點(diǎn)云采集的難度。因此，在進(jìn)行建筑物外業(yè)測(cè)量前，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)建筑物掃描范圍、路線等進(jìn)行規(guī)劃，避免后期出現(xiàn)重復(fù)測(cè)量、補(bǔ)測(cè)等工作內(nèi)容。同時(shí)，在規(guī)劃路線時(shí)盡量回到原起點(diǎn)，構(gòu)建閉合環(huán)路，以減少數(shù)據(jù)解算過(guò)程中誤差累積嚴(yán)重的現(xiàn)象。綜合各方面外業(yè)采集條件，制定架站、車載、機(jī)載3 種點(diǎn)云采集相結(jié)合的作業(yè)方式，以便于全面地收集建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

在進(jìn)行三維激光掃描前，根據(jù)掃描需求收集掃描區(qū)域內(nèi)已有的測(cè)繪信息，包括控制點(diǎn)、各類地形圖，確保在掃描作業(yè)前全面地了解區(qū)域內(nèi)的地形地貌、人文信息、交通道路等信息。根據(jù)收集到的信息，初步確定掃描頻率、掃描點(diǎn)云質(zhì)量、掃描角度等相關(guān)掃描參數(shù)。

為了順利開展三維激光掃描的數(shù)據(jù)采集工作，獲取目標(biāo)體空間三維點(diǎn)云，需組織現(xiàn)場(chǎng)踏勘，實(shí)地了解掃描區(qū)域的自然地理、人文及交通狀況，并核對(duì)已有資料的真實(shí)性和適用性。任何的掃描操作都是在特定的環(huán)境下進(jìn)行的，因此，對(duì)于環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣的場(chǎng)地，在掃描工作前一定要對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行詳細(xì)的踏勘，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地形、交通等進(jìn)行了解，對(duì)掃描物體目標(biāo)的范圍、規(guī)模、地形起伏做到心中有數(shù)，然后再根據(jù)調(diào)查情況對(duì)掃描的站點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在采用架站測(cè)量時(shí)，采用南方SD-1500 地面式三維激光掃描測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，測(cè)量范圍為1.5～1 500 m，測(cè)量速度可達(dá)200 萬(wàn)點(diǎn)/s，測(cè)量建筑物外立面，由于受三維掃描儀角度和視角的影響，距離過(guò)近會(huì)導(dǎo)致不能獲取建筑最高處數(shù)據(jù)，架站掃描儀時(shí)應(yīng)與建筑物保持10～20 m的距離；而更高的建筑，如幾十米甚至幾百米高，則需要在建筑的近處和遠(yuǎn)處都擺放，確保獲取到完整的建筑信息。測(cè)量建筑物內(nèi)立面時(shí)，通常建筑都是兩邊對(duì)稱，所以內(nèi)部架設(shè)站點(diǎn)是鏡像擺放。掃描儀與對(duì)象要保持一定距離，保證掃描到完整的對(duì)象；同時(shí)要根據(jù)項(xiàng)目合理規(guī)劃測(cè)站間距和測(cè)站數(shù)，提高作業(yè)效率和數(shù)據(jù)完整度。

在采用車載測(cè)量時(shí)，在車子啟動(dòng)前開啟掃描，盡量減少在停車過(guò)程中造成的數(shù)據(jù)冗余。因相機(jī)文件較好進(jìn)行處理且不影響點(diǎn)云精度，則遇紅綠燈時(shí)相機(jī)可自主選擇是否暫停拍照工作。遇到橋底隧道等信號(hào)失鎖路段，應(yīng)盡快通過(guò)，通過(guò)減少衛(wèi)星失鎖時(shí)間來(lái)盡可能減少點(diǎn)云精度的損失。

外業(yè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集完成后，要對(duì)主體點(diǎn)云明顯偏離的漂移點(diǎn)進(jìn)行刪除，以免后期在特征提取時(shí)產(chǎn)生誤判，給建模精度帶來(lái)嚴(yán)重的影響[4]。等到點(diǎn)云消音工作完成后，再對(duì)消音后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高后期處理的便捷性（圖3）。

圖3 技術(shù)路線圖

4 三維模型重建

將預(yù)處理好點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到3dmax 軟件。導(dǎo)入后，使用工具進(jìn)行點(diǎn)云的調(diào)整和顯示，創(chuàng)建表面模型，使用建模工具將其轉(zhuǎn)換為表面模型。使用多邊形建模工具，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行建模、填充表面，并添加細(xì)節(jié)，使用“Editable Poly”或“NURBS”工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行建模、細(xì)分表面或生成曲線等，使用“ProOptimizer”等工具對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行優(yōu)化、簡(jiǎn)化，將紋理映射文件導(dǎo)入到3ds Max 中，并將其應(yīng)用于模型，使用“UVW Mapping”工具將紋理映射到模型的表面。對(duì)模型進(jìn)行渲染，選擇適當(dāng)?shù)妮敵龈袷胶蛥?shù)，如分辨率、幀率等，調(diào)整相機(jī)視角和位置，確保獲得所需的渲染結(jié)果。

一般情況下，建筑物窗戶的大小基本一樣，如果在施工模型中發(fā)現(xiàn)有1 cm 以內(nèi)的差異，則要按照相同尺寸造型，再綜合考慮點(diǎn)云采集要求，預(yù)處理誤差數(shù)據(jù)；若誤差值超過(guò)1 cm 時(shí)，應(yīng)對(duì)照點(diǎn)云進(jìn)行建模處理（圖4）。

圖4 三維建模

在完成建模工作后，要檢查點(diǎn)云，如果發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)有不能貼合的現(xiàn)象，要進(jìn)行刪除重建，建筑物建模，要確保點(diǎn)云與模型相互吻合，如果有些點(diǎn)云觀察細(xì)節(jié)不足，就說(shuō)明模型較大；如果發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云和模型中間可以看到明顯的空間，說(shuō)明模型的推拉度不夠，且在尺寸空間上較小。因此，在改造模型的時(shí)候，為了便于工作人員觀察，要把模型設(shè)置成透視圖。本文提出一種模型自動(dòng)生成算法，主要包括路徑掃略、形體放樣、布爾運(yùn)算3 種方法。其中路徑掃略是根據(jù)截面形狀參數(shù)曲線和圖形變換技術(shù)，設(shè)置內(nèi)插截面法線，建立完整的三維模型；形體放樣是將放樣截面中不同位置的頂點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合，建立三角形小平面，將其作為建筑物表面，進(jìn)一步完善三維建筑物形狀；布爾運(yùn)算作為常見(jiàn)的幾何計(jì)算法，能完成復(fù)雜模型的三維建模[5]。

5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件采用南方SouthLidar 軟件，具有海量點(diǎn)云瀏覽、點(diǎn)云渲染、點(diǎn)云糾正、點(diǎn)云裁剪、DEM 生產(chǎn)、點(diǎn)云量測(cè)、全景疊加量測(cè)、地圖定位和DLG 矢量繪制等功能。

5.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理。進(jìn)行去除噪聲、濾波、降采樣等。去除噪聲可以通過(guò)高斯濾波、中值濾波實(shí)現(xiàn)。濾波可以去除點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的離群點(diǎn)，使得點(diǎn)云數(shù)據(jù)更加平滑。降采樣可以減少點(diǎn)云數(shù)據(jù)的數(shù)量，降低計(jì)算復(fù)雜度。

5.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

由于測(cè)量人員真實(shí)場(chǎng)景掃描范圍較廣，掃描時(shí)采用架站、車載、機(jī)載3 種方式進(jìn)行掃描，才能保證掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，但也導(dǎo)致每次掃描后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)自不同坐標(biāo)控制點(diǎn)。而在進(jìn)行三維建模時(shí)，工作人員要將全部掃描結(jié)果導(dǎo)入到同一個(gè)工程文件，要對(duì)架站、車載、機(jī)載中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。在配準(zhǔn)過(guò)程中，地面的點(diǎn)云占比較大，卻沒(méi)有帶太多的特征信息，會(huì)對(duì)配準(zhǔn)造成干擾，配準(zhǔn)前先進(jìn)行地面去除，為了提高拼接精度，通過(guò)全站儀確定控制點(diǎn)的坐標(biāo)，用三維激光掃描儀對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行精確掃描。以控制點(diǎn)為基站直接將掃描的多測(cè)站的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與其拼接，完成點(diǎn)云配準(zhǔn)。

5.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合

配準(zhǔn)后的點(diǎn)云，需要進(jìn)行點(diǎn)云融合，局部點(diǎn)云部分點(diǎn)存在嚴(yán)重飄逸的情況，會(huì)給完整點(diǎn)云帶來(lái)錯(cuò)誤信息，所以需要對(duì)局部點(diǎn)云地圖進(jìn)行分割篩選，判斷重疊區(qū)域，然后對(duì)重疊區(qū)域和完整點(diǎn)云進(jìn)行加權(quán)融合，對(duì)于非重疊區(qū)域，通過(guò)聚類進(jìn)行分割，篩選出需要的點(diǎn)云，最后完成點(diǎn)云融合。

5.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)檢查

確保三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的完整性與質(zhì)量，不允許存在明顯的空洞，不允許存在點(diǎn)云錯(cuò)層與雜點(diǎn)；三維激光點(diǎn)云的精度，如掃描精度、拼接精度及轉(zhuǎn)換坐標(biāo)精度；三維激光影像點(diǎn)云數(shù)據(jù)的質(zhì)量，不允許存在白色的浮動(dòng)影像噪點(diǎn)。

5.5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出

數(shù)據(jù)過(guò)濾采用手動(dòng)選擇和軟件自動(dòng)篩選2 種模式進(jìn)行冗余數(shù)據(jù)和噪點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)濾刪除的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，保留主體數(shù)據(jù)，能有效地減少數(shù)據(jù)量，提高作業(yè)效率。然后再利用裁剪框工具將建筑物框選出來(lái)，導(dǎo)出點(diǎn)云。

6 精度分析和成果生成

6.1 模型精度分析

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木_度，以全站儀測(cè)量成果資料為基礎(chǔ)資料，模型成果資料為對(duì)照資料，選取陽(yáng)臺(tái)、房屋拐角、窗沿等區(qū)域作為測(cè)量對(duì)象，進(jìn)行5 組對(duì)比，見(jiàn)表1。

表1 模型精度檢驗(yàn)分析m

通過(guò)分析表1，對(duì)比三維模型和全站儀測(cè)量的外立面特征點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)兩者尺寸差異性較小，最高尺寸差異程度為1 cm，最小尺寸誤差值為3 mm，平均偏差是6.2 mm，能滿足常規(guī)測(cè)量中外立面精度要求[6]。

6.2 成果生成

直接基于激光點(diǎn)云構(gòu)建的建筑物模型是白模，雖然模型具有建筑物的三維外觀輪廓，但缺乏真實(shí)感，為盡最大程度地達(dá)到逼真效果，還需要對(duì)其進(jìn)行側(cè)面紋理貼圖。以構(gòu)建的白模為基礎(chǔ)，利用建筑物自動(dòng)紋理貼圖軟件，可以將采集的建筑物4 個(gè)方面的影像數(shù)據(jù)快速貼在白模上，真實(shí)地再現(xiàn)建筑物外觀?？梢詫?gòu)建好的建筑物模型，通過(guò)與全息影像融合進(jìn)行紋理提取，在三維模型中顯示與其對(duì)應(yīng)的貼圖紋理；利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)為參考繪制建筑物平面、立面圖，對(duì)建筑物門窗、空調(diào)機(jī)位、樓頂女兒墻、樓梯間及下水管等進(jìn)行繪制標(biāo)注，整理成果資料。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到建筑物三維建模方面，有利于解決傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)中存在的問(wèn)題，如數(shù)據(jù)精度低、無(wú)法呈現(xiàn)建筑物立面形狀、數(shù)據(jù)效率低等問(wèn)題。同時(shí)，三維激光掃描技術(shù)提升外業(yè)數(shù)據(jù)采集效率，控制測(cè)量工作外業(yè)工作強(qiáng)度，增強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，解決以往建筑物立面數(shù)據(jù)總量不清楚的問(wèn)題，提供三維模型、平面和立面圖。