一種基于三維激光點云建模的技術方案

史少維，李玉富，王瑞忠，李志寬，侯少聰，李 巖，靳振士

(北京東方新星石化工程股份有限公司(BNEC)，北京 100070)

一種基于三維激光點云建模的技術方案

史少維，李玉富，王瑞忠，李志寬，侯少聰，李 巖，靳振士

(北京東方新星石化工程股份有限公司(BNEC)，北京 100070)

隨著數(shù)字化城市建設的推進，大規(guī)模建筑物需要完成三維模型的工作，傳統(tǒng)根據(jù)全站儀采集數(shù)據(jù)制作模型的方法效率低下，特別是針對復雜建筑、煤化廠、煉化廠等廠區(qū)裝置進行建模，顯得更加困難。本文提出了利用三維激光儀掃描點云數(shù)據(jù)進行三維建模的方案，可以大大縮短外業(yè)數(shù)據(jù)采集的時間，減少外業(yè)工作量。

三維激光；點云數(shù)據(jù)；Autodesk ReCap；三維建模；3ds Max

三維建模的常規(guī)做法是利用全站儀測量二維地形矢量CAD底圖，并采集建筑物的特征點高程數(shù)據(jù)，根據(jù)CAD底圖和高程數(shù)據(jù)在3ds Max中進行建模、貼圖等操作來制作三維模型。外業(yè)采集數(shù)據(jù)效率低下，全站儀一站測點數(shù)據(jù)量有限，對于大規(guī)模范圍建模的項目，會耗費大量的人力物力。

隨著三維激光掃描儀技術的發(fā)展，三維激光儀應用范圍越來越廣，其具有掃描數(shù)據(jù)方便快捷高效的特點，本文提出利用三維激光儀采集點云數(shù)據(jù)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)來進行三維建模的方案，探索將點云數(shù)據(jù)加載到3ds Max中進行建模的方法，從而減少外業(yè)和內(nèi)業(yè)的工作量，提高作業(yè)效率。

1 建模方案設計

本文的整體思路是采用三維點云數(shù)據(jù)進行建模，對點云數(shù)據(jù)進行處理，導入到現(xiàn)有的成熟的三維建模軟件3ds Max中，進行三維建模。

以點云數(shù)據(jù)作為建模的參考依據(jù)，點云數(shù)據(jù)不僅包含空間三維信息，還包含影像色彩信息，能夠更加全面地反映實體，使得建模更加直觀、更加精準。

3ds Max作為專業(yè)級建模軟件，可以精準地制作復雜模型。為滿足三維激光點云數(shù)據(jù)的應用需求，在2015以上版本增加了加載及處理點云數(shù)據(jù)的功能模塊，為高效利用點云數(shù)據(jù)制作大規(guī)模復雜模型的方案提供了軟件支持。

(1) 進行外業(yè)點云數(shù)據(jù)采集，對采集的原始數(shù)據(jù)進行濾波、拼接、平差處理，得到點云數(shù)據(jù)模型。

(2) 為將點云數(shù)據(jù)導入3ds Max軟件中，需要對點云數(shù)據(jù)模型進行格式轉換，在Autodesk ReCap軟件中加載點云模型，進行裁剪切割，保留目標區(qū)域的點云模型，進行格式轉換導出。

(3) 將點云數(shù)據(jù)模型加載到3ds Max進行建模、貼圖，導出應用平臺需要的三維模型格式文件。

(4) 將三維模型導入到應用平臺上進行瀏覽、操作等。

建模方案設計流程如圖1所示。

2 建模主要步驟

2.1 三維激光點云數(shù)據(jù)采集

本文采用的是Z+F三維激光掃描儀，它可以進行免棱鏡采集，且具有采集數(shù)據(jù)快、相同區(qū)域內(nèi)的建筑物采集架設站數(shù)較少的特點。相較于激光掃描儀來說，全站儀人工參與太多，一站需要采集的特征點數(shù)太多，一站所需要的時間長。采集之前要設計掃描站點、掃描路線，保證建筑物的信息被完整采集，通過多站掃描，將數(shù)據(jù)整合到一個獨立坐標系，得到完整的三維激光點云數(shù)據(jù)。

圖1 方案設計流程

2.2 點云數(shù)據(jù)預處理

利用點云后處理軟件LaserControl進行濾波，通過距離或矩形濾波保留目標區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，將不需要的周圍非目標點云清除掉。

多站采集的數(shù)據(jù)需要進行拼接，點云預處理軟件具有面拼接功能，使得在外業(yè)采集數(shù)據(jù)時可以不擺設任何標靶，將兩站之間重疊區(qū)域的點云數(shù)據(jù)進行拼接，通過識別非常細小的公共面保證了點云數(shù)據(jù)的拼接精度，將采集的目標建筑群形成準確清晰的點云模型。

拼接處理后的點云模型如圖2所示。

圖2 拼接的點云數(shù)據(jù)模型

2.3 在Autodesk ReCap中進行切割格式轉換

三維激光掃描儀采集的原始數(shù)據(jù)由LaserControl軟件預處理后導出的數(shù)據(jù)格式為XYZ，3ds Max軟件加載的點云數(shù)據(jù)格式為RCP或RCS格式，因此需要在Autodesk ReCap軟件中進行格式轉換。

將三維激光點云數(shù)據(jù)加載到軟件中，可以打開頂視模式進行瀏覽，利用裁剪工具選擇非目標建筑物的點云進行刪除，保留目標建筑物的有效點云，在該步驟中裁剪不會影響原始點云數(shù)據(jù)，裁剪處理后保留的數(shù)據(jù)存為新的點云數(shù)據(jù)，將其導出存為RCP或RCS格式文件即可。

圖3 Autodesk ReCap處理點云數(shù)據(jù)

2.4 在3ds Max中制作三維模型

在Autodesk ReCap軟件中對拼接的整體點云數(shù)據(jù)進行目標范圍選擇，選擇要建模的單個建筑物的點云數(shù)據(jù)進行單獨保存，以便使在3ds Max中加載的點云數(shù)據(jù)操作流暢；同時為了將做好的三維模型加載在平臺中顯示，需要將三維模型的左下角平移到坐標原點的位置，避免模型遠離坐標原點，出現(xiàn)加載到三維應用平臺時找不到模型的問題。

在3ds Max中制作模型的操作步驟包括：①加載點云數(shù)據(jù)(RCP或RCS格式)；②使用限制框功能鎖定目標點云；③依據(jù)目標點云進行建模；④對模型進行貼圖、渲染；⑤導出模型，適用于三維應用平臺的文件格式。

點云數(shù)據(jù)在3ds Max中建模的主要操作步驟如圖4—圖7所示。

圖4 點云模型導入

圖5 限制框鎖定目標點云

圖6 目標點云建模

圖7 模型貼圖渲染

3 模型應用效果

在3ds Max 2016中進行貼圖渲染做出三維模型之后，需要導出在三維平臺中的數(shù)據(jù)格式，本文項目使用的是Skyline平臺，需要X文件格式，在3ds Max上安裝支持導出X格式的第三方插件。

點云數(shù)據(jù)采集的是實際的坐標數(shù)據(jù)，掃描的建筑物是實際大小，在平臺顯示時根據(jù)平臺地形圖比例尺設置相應的顯示比例尺，與平臺的比例尺要統(tǒng)一。將模型導入Skyline三維平臺進行展示，按照建筑物的實際坐標進行放置，設置與平臺統(tǒng)一的比例尺，效果如圖8所示。

圖8 模型應用到Skyline平臺

4 結 語

本文設計了利用點云數(shù)據(jù)進行三維建模的方案，通過項目進行了實踐，具有可行性。對于大規(guī)模范圍的復雜建筑和復雜廠區(qū)裝置，相比于傳統(tǒng)的全站儀測圖建模，利用三維激光點云數(shù)據(jù)進行建模的方法具有數(shù)據(jù)采集高效、點云數(shù)據(jù)導入3ds Max進行建模更加方便直觀快捷的優(yōu)勢。

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A Modeling Technical Scheme Based on 3D Laser Point Cloud

SHI Shaowei，LI Yufu，WANG Ruizhong，LI Zhikuan，HOU Shaocong，LI Yan，JIN Zhenshi

(Beijing New Oriental Star Petrochemical Engineering Co.Ltd., Beijing 100070， China)

With the development of digital city construction, large- scale buildings need to build 3D models. The traditional method of total station is very difficult, especially for the complex modeling construction, coal plant, refinery equipments and so on. In this paper, a 3D modeling method of 3D laser point cloud data is proposed, which can greatly shorten the time of data collection and reduce the workload.

3D Laser; point cloud data; Autodesk ReCap; 3D modeling; 3ds Max

2016- 07- 13 作者簡介： 史少維(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事數(shù)據(jù)庫、三維GIS應用與開發(fā)方面的工作。E- mail：shishaoweivc@126.com

史少維,李玉富,王瑞忠,等.一種基于三維激光點云建模的技術方案[J].測繪通報，2017(3)：83- 85.

10.13474/j.cnki.11- 2246.2017.0090.

P237

A

0494- 0911(2017)03- 0083- 03