激光點(diǎn)云建模與傳統(tǒng)建模方法的比較

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) 中國南極測繪研究中心，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二者進(jìn)行對比，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。基于幾何模型的建模技術(shù)操作簡單，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)對數(shù)據(jù)精度的要求較高，針對規(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。本文通過新技術(shù)與傳統(tǒng)方法的對比，突出了激光點(diǎn)云建模技術(shù)的優(yōu)勢及應(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實(shí)體的樹木、行人等障礙數(shù)據(jù)；重采樣是對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，通過重采樣獲得大于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 對比分析

2.1 數(shù)據(jù)采集對比

傳統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)方法是通過外業(yè)測量和資料收集，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。編碼器通過測量脈沖的角度來獲取被測物體的三維坐標(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)地采集到被測物體的照片[4-5]，獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。

本次對比實(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，分別采用Reigl VZ-1000三維激光掃描儀和傳統(tǒng)的全站儀對研究區(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)測量人員用了1 d的時(shí)間，通過設(shè)置32個(gè)站點(diǎn)就完整地掃描了奧特萊斯廣場上共11座建筑，獲取的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)4千多萬。同樣的區(qū)域，通過傳統(tǒng)的全站儀測量需要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)地測量的建筑物長寬高數(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紋理貼圖或直接使用三維模型庫中模型的方法來實(shí)現(xiàn)。但是通過建模的過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,通過構(gòu)造三角網(wǎng)格逼近掃描物體表面來構(gòu)建實(shí)體的三維模型。②幾何模型制作,通過分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)來提取實(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,通過拓?fù)錂z查修復(fù)，對缺失的部分進(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)云建模針對不同的場景采用相應(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)測量方法難以獲得的不規(guī)則建筑物角點(diǎn)，對一些細(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

本文主要從數(shù)據(jù)獲取手段和建模方式兩方面對以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。