基于三維激光掃描技術的數字校園建模

梁晨　張安兵　杜賽賽　張新新　王炳靈

【摘 要】本文以河北省某高校某一校區為研究對象，利于天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀獲取學校內各建筑物點云數據，然后利用天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀的點云后處理軟件Realworks對點云數據進行處理，最后再利用SketchUp軟件進行建筑物三維建模，對模型進行紋理信息的補充，建立具有逼真視覺效果的三維數字化校園模型。

【關鍵詞】地面三維激光掃描技術；點云數據；三維建模；數字校園

中圖分類號： P208 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0163-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.072

【Abstract】This paper takes a certain campus of a university in Hebei Province as the research object，Tianbao （Trimble） TX8 3D laser scanner is used to get cloud data of buildings in schools.Then，we use Tian Bao（Trimble） TX8 3D laser scanner's point cloud post-processing software Realworks to process the point cloud data，Finally，the SketchUp software is used for building 3D modeling，Supplement of the texture information to the model，A three-dimensional digital campus model with realistic visual effects is established.

【Key words】3D ground laser scanning technology；Point cloud data；3D modeling

隨著科學技術的快速發展，地面三維激光掃描技術作為一門新興的測繪技術，成為了人們的關注熱點之一[1]。近年來，隨著人們對建筑物三維化信息的需求日漸增加，傳統的二維平面信息已經很難滿足人們的需求。而三維數字校園具有逼真的視覺效果，可以真實地展現校園景觀，提供更加豐富的建筑物信息，提供更加完善的信息化服務[2]。地面三維激光掃描技術作為一門新興的測繪技術，逐漸取代了傳統的測量方式，對測繪成果數字化、科學化具有重要的意義[3]。該技術采用激光進行測量，非接觸、高速度、高精度、大量地獲取目標物的三維坐標數據，這些數據被稱為“點云”數據，可以實時、動態、真實地反映客觀事物的現狀，為科學準確地建立數字模型提供一種全新的技術手段。

美國，加拿大，瑞典等國對三維激光掃描技術的研究起步較早，已經形成具備一定規模的新興產業。其中地面三維激光掃描技術是研究的熱點，并且已經取得了大量的成果及商業化產品，特別是機載三維激光掃描技術已經日趨成熟。如瑞典的SASB公司的Topeye系統，加拿大Optech公司的ALTM系統，美國John Chance公司的Fli--map系統等。由于基于TOF激光測距技術的三維激光掃描儀是近幾年研究的新成果，目前國內外對此技術的研究仍處于探索階段[4]。

隨著信息技術的發展，獲取更加全面、精細的建筑物三維信息及紋理信息已經成為數字校園的建設在全國已經形成一個勢不可擋的浪潮[5]。本文以河北省某高校某一校區為研究對象，利于天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀及SketchUp建模軟件，建立具有逼真視覺效果的三維數字化校園模型。

1 研究方法

本文以河北省某高校某一校區為研究對象，基于天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀與SketchUp建模軟件進行三維數字校園建設。

所用三維激光掃描儀的基本信息如表1所示。

表1 三維激光掃描儀基本信息

本文主要技術路線如圖1所示。首先利用天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀對校園內主要建筑物進行掃描，獲取點云數據，再利用天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀點云后處理軟件Realworks對點云數據進行配準、去噪、去遮擋物等處理，然后在形成的完整建筑物的點云數據中利用SketchUp軟件對建筑物進行三維建模，再對建好的三維模型添加合適的紋理[6]，最后利用已有的地形圖資料對構件好的三維模型根據實際比例進行縮放，再根據地形圖資料添加道路等地物信息，最后對數字三維校園進行后期渲染與修飾，形成完整的數字三維校園模型[7]。

2 數據獲取與處理

2.1 點云數據的獲取與處理

由于校園內教學樓等建筑較多，不可能一次性使用三維激光掃描儀將所有的建筑物點云數據都掃描到，所以本研究對建筑物進行分區掃描，最后將掃描到所有的建筑物點云利用已有的地形圖資料在SketchUp建模軟件中進行三維建模。

校園內某建筑物的數據獲取及處理過程如下。該建筑物掃描共設置8個測站，通過匹配各測站點的同名目標球，完成8個站點的點云配準與拼接。點云數據最終配準與拼接結果如圖2所示。所有建筑物的掃描點云配準與拼接過程中，相鄰測站點間均勻3個或3個以上同名目標球匹配，并且目標球的位置均掃描良好，滿足點云配準的精度和要求，配準結果最大誤差為0.015m，配準效果良好。

點云數據的處理包括去除噪聲、點云配準與拼接、數據精簡和三維建模幾個方面。點云數據配準與拼接完成后再將其進行去噪、數據精簡等處理，形成的完整建筑物的點云數據。

2.2 平面數據的獲取與處理

利用Google Earth 中的影像，在此基礎上進行矢量化處理，勾畫出建筑物平面圖及地物平面圖，如圖3、圖4所示。

3 數字模型的建立

基于掃描點云數據的三維模型建立，采用約束自動建立模型，并在此基礎上對模型進行修改[8]。本文采用對建筑物的角點檢測方法，在SketchUp中直接創建出建筑物的各個角點，并將創建的相應角點進行連接，形成建筑物的各個面，形成一個獨立的建筑物三維模型[9]，如圖5所示。

由于采用三維激光掃描技術利用點云數據對建筑物進行建模時，每個建筑物都是一個獨立的個體，所以需要對建筑物進行場景合并，并將所有建筑物及地物信息合并在同一坐標系中[10]。最后對校園模型進行渲染及修飾，建立具有逼真視覺效果的三維數字化校園模型，下圖為傳統的二維校園平面圖與三維建模數字化校園圖對比，如圖6、圖7所示。

4 結論

本文以三維激光掃描技術采集的建筑物點云數據作為校園建筑物建模數據，以Google Earth 提供的高分辨率影像為校園區域的主要平面數據及坐標系統依據，利用SketchUp軟件構建了河北省某高校某一校區的三維數字化校園模型，與傳統的二維校園平面圖形相比具有逼真視覺效果。該數字校園模型實現了三維校園的放大、縮小、查看屬性信息，對建立大范圍的“數字城市”等都具有重要的參考價值。

由于受時間等因素的限制，本文未對精度方面的研究進行嘗試，僅利用相對位置之間的誤差作為精度分析的依據。隨著計算機技術和三維模型景觀技術的發展，三維數字校園的建模還可以添加更多現實豐富的內容：如在數字校園模型中添加動態模型（例如運動中的人、行進的汽車和動態的噴泉等）和自然現象（風、雨、雪等）?？傊萌S激光技術進行三維模型的建立可以更加趨近于真實場景，實現真實場景的三維數字模型化。

【參考文獻】

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