基于地面激光掃描的物體建模研究

李新雙，董竹，劉化冰，李金朋

(成都市勘察測繪研究院，四川成都 610081)

1 引言

三維空間信息獲取，其實質是空間定位數據采集。三維激光掃描測量技術是最近發展迅速的一種新技術，已成為空間數據獲取的一種重要技術手段［1］。基于地面的激光掃描技術可獲取被測物體面狀點的三維坐標和反射信息，對于城市三維重建和局部區域空間信息獲取具有極其重要的作用，目前正引起廣泛的關注和研究［2］。

三維激光掃描技術通過高速激光掃描測量的方法，以點云的形式獲取物體或地形表面的三維空間尺寸信息和反射率信息，結合高分辨率的外置數碼相機，可以逼真地保留物體的紋理［3］，為快速建立物體的三維模型提供了一種全新的技術手段。

本文以地面激光掃描系統Leica ScanStation C10為例，通過介紹地面激光掃描進行物體重構的工作流程，針對幾種不同類型的物體，結合實例，通過比較幾種不同的建模方式，探討適合不同領域的建模方法。

2 工作流程

應用地面激光掃描技術對物體進行三維重構的工作流程包括三部分:外業數據采集、內業數據處理及三維建模。

外業數據采集主要包括現場踏勘與布設控制網、控制測量、靶標布設、掃描、靶標坐標測量等［4］。數據采集采用激光掃描儀和全站儀配合的方法，激光掃描儀掃描標靶和物體目標，全站儀主要進行控制測量和標靶測量。本項目試驗采用的是Leica ScanStation C10掃描儀，它的掃描速度為 50 000點/s，可進行360°×270°掃描。

內業數據處理主要包括點云拼接、去除噪聲等。點云拼接是利用標靶將多站掃描的點云拼接成一個整體，使之具有相同的空間參考或控制網坐標系。對于無標靶或標靶不齊全的點云，可采用同名點方式進行拼接。點云去噪是將與建模無關的部分點云刪除。拼接去噪等處理主要在Cyclone軟件下進行。

對于物體的三維建模，經過大量的實踐提出，針對不同類型的物體應采取不同的建模手段。下面分別對組件式物體、建筑物和復雜形體的建模方法展開討論。

3 組件式物體建模

由于Cyclone軟件提供了常用的組件模型以及與組件相對應的點云匹配算法，如柱體、球體、管體等，故對組件式的物體，如變電站、管道等可在該軟件下對物體點云進行幾何形狀的擬合，精確地表現物體模型。方法是選擇要進行建模的部分點云，畫框進行分割，并單獨對該部分點云進行擬合，從而生成三維模型。圖1是一個罐體的原始點云，圖2是在Cyclone下根據點云生成的罐體模型。

圖1 罐體原始點云

圖2 建模后罐體模型

4 建筑物建模

對于建筑物的三維重構，單獨使用Cyclone軟件非常不方便，可結合使用 CloudWorx for CAD和3ds Max軟件，完成建筑物的重構。建模流程如圖3所示。

圖3 建筑物的建模流程

具體步驟如下:

(1)坐標糾正。目的是將坐標軸方向糾正到與建筑物一致的方向，便于沿坐標軸方向對建筑物進行切片。方法如下:分割出建筑物的一個平面點云擬合成mesh平面，使XZ或YZ坐標平面在生成的mesh平面上，坐標軸的第3個方向與該平面垂直，并保存當前坐標系。圖4為坐標糾正前后的點云數據。

圖4 坐標糾正前后的建筑物點云

(2)生成輪廓線。在CAD中以糾正后的坐標系打開建筑物點云，沿著垂直軸方向切片，描繪并擬合生成建筑物的平面輪廓線;沿著水平軸方向依次對建筑物的幾個立面切片，生成建筑物的立面輪廓線。在細部結構處，如窗戶、陽臺等加點或加線。圖5是生成的建筑物平面、立面輪廓線和幾何結構。

圖5 建筑物平面、立面輪廓線和幾何結構

(3)坐標糾正至原始坐標系。將生成的幾何結構導出成coe格式后導入Cyclone的建筑物點云空間，并改回為原始坐標系，導出dxf格式的幾何結構即為和原始坐標系一致的坐標。

(4)貼紋理建模。在3ds Max下導入dxf格式的幾何結構，參照該幾何結構，貼紋理建模。

5 復雜形體建模

對于雕塑、文物等復雜形體的建模，利用上述建模方式很難對其細節進行精確擬合，可借助于逆向工程軟件Geomagic Studio對物體進行真實復原。該軟件通過對點云進行去噪、包裹、修補等處理，可將三維掃描數據和多邊形網絡轉換成精確的三維數字模型。由于它采樣間隔非常小，生成的三角面非常多，導致數據量非常大，故在實際應用中可采用濾波和壓縮的方法來簡化數據，從而提高速度。圖6是西南交通大學內某雕塑的原始點云及應用該方法形成的雕塑模型。

圖6 西南交大雕塑原始點云及重構的三維模型

6 比較和結論

通過對幾種激光點云建模方式進行對比得出:逆向工程Geomagic Studio軟件在自動化程度、模型的精細化程度和制作效率上均高于其他軟件的建模，但是由于它生成的數據量巨大，給三維系統帶來很大的壓力，故在三維數字城市的建模中不建議使用，常用于文物保護和精細工程領域;基于CloudWorx和3ds Max建模，由于生成的模型數據量小，能體現建筑物的細部結構，故常用于三維數字城市建模;而對于工廠、管道、變電站等組件式的點云建模，常使用Cyclone軟件。比較結果如表1所示。

幾種激光點云建模方式比較表1

如何壓縮和減少Geomagic Studio生成模型的數據量，以及如何快速映射外業掃描時獲取的紋理，減少貼圖工作量，是下一步要思考和解決的問題。

［1］Dinesh M，Ryosuke S.Auto.extraction of Urban Features from Vehicle－Borne Laser Data［C］.Symposium On Geospatial Theory Processing and Applications，Ottawa，2002.

［2］劉春，楊偉.三維激光掃描對構筑物的采集和空間建模［J］.工程勘察，2006(4).

［3］李濱.徠卡三維激光掃描系統在文物保護領域的應用［J］.測繪通報，2008(6).

［4］王峰，陳煥然，程效軍.基于地面激光掃描儀的建筑物數字化方法［J］.測繪通報，2011(6).

［5］盛業華，張卡，張凱等.地面三維激光掃描點云的多站數據無縫拼接［J］.中國礦業大學學報，2010(3).

［6］劉春，陸春.三維激光掃描數據的壓縮與地形采樣［J］.遙感信息，2005(2).