基于激光掃描技術的室內外三維場景構建方法

靳亞杰，吳文壇

(河北省測繪資料檔案館，河北 石家莊 050031)

1 引 言

隨著健身房、寫字樓、商場等集中化的大規模活動場所的建立，足不出戶的現象日益普遍，基于二維地圖的室內外導航與定位服務已不能完全滿足社會各行業各領域的需求，人們不再滿足于單方面的位置信息，更關心所處位置具體環境做出更佳的選擇[1]。例如消防隊員在陌生的商場救援時，不僅迫切地想確定著火的位置，更需要了解救援途中消防通道的建筑結構、走哪條路線能更快到達現場等情況，這就對具備導航定位功能的可量測室內外一體化高精度三維場景地圖的制作提出了更高的要求。

室內定位技術的方法有多種，包括藍牙、無線網絡、熱紅外、偽衛星、地磁等[2]，許多研究機構、公司和大學利用這些技術開展了大量的研究工作，并開發了相應的室內定位系統，然而這些工作都是基于二維地圖展開的，并且存在抗干擾性差、依賴環境、前期投資成本高等問題[3]，難以達到厘米級的定位精度。在三維場景構建方面，林選妙[4]和趙春林[5]盡管利用360°全景技術分別實現了可視化、可交互性的漓江流域生態旅游資源展示系統與三維變電站，但這些電子地圖沒有將位置信息引入系統中，未能從真正意義上實現三維場景的導航定位功能。

本文以河北野三坡服務區主樓為例，探討性提出一種面向室內外定位的三維場景構建方法。首先對具有真實地理坐標的室內外一體化三維場景點云數據的采集與處理方法進行介紹，其次通過得到的厘米級的點云信息，利用3DMax軟件進行點云的精細建模；最后融合現有DOM、DEM數據，制作室內外一體化三維地形場景地圖，并通過Skyline軟件對其進行還原展示，實現了從實景到模型的等比例同位置的仿真還原。

2 三維場景的數據采集與處理

2.1 數據采集

河北野三坡服務區的數據采集主要包括三個方面：①主樓室內外的點云數據，②主樓室內外控制點的坐標，③主樓室內外紋理特征。

(1)點云數據采集

采用Z+F 5010x地面式三維激光掃描儀對野三坡服務區主樓一二層室內外、樓梯、走廊進行了三維掃描，共經歷一天半時間，架設40站，鋪設粘貼標靶紙70多張，采用標靶球6個。在采集過程中，掃描儀的采集質量設成Normal，分辨率設成High，測站位置距離外墻不超過 20 m并且保證掃描儀的發射激光與標靶紙的入射夾角小于45°。標靶紙和標靶球的布設需滿足不在同一直線同一高度上。

(2)坐標控制網建立與測量

坐標控制網的建立與測量是整個三維地圖的基準，控制點主要用于后期點云數據的坐標轉換，將測站坐標系下的三維點云數據轉換到真實地理坐標系(CGCS2000)。本次控制點選擇兼顧GNSS一般選點要求和后期室內點云精度驗證的全站儀觀測通視要求，共選取5個GNSS控制點(如圖1所示)，參照C級GNSS觀測要求進行邊連式同步觀測，并與河北CORS周邊基準站數據進行聯合解算，經高斯投影后得到控制點在CGCS2000坐標系下的平面坐標和高程。點云數據采集時在控制點上粘貼標靶紙并進行掃描，獲取控制點在掃描坐標系下的相對坐標，需要注意標靶紙的十字中心和控制點的中心絕對吻合，如圖2所示。

圖1 控制點分布圖

圖2 標靶與控制點重合觀測示意圖

(3)紋理拍照

用數碼相機對建筑物的內外墻、地板、屋頂、樓梯、水泥地等處局部細節和整體外觀進行拍照，并分別編號加以區分，保存在不同的文件夾下供后期精細建模使用，命名格式舉例為“1#樓-外墻-貼磚”。拍照時應根據不同的天氣狀況對相機進行適當的調整保證照片與實物的色差基本為0。

2.2 數據處理

利用隨機軟件Z+F LaserControl對外業采集的點云數據進行拼接、去噪、著色和坐標轉換。

點云數據拼接是將不同視角下的掃描數據進行配準形成整體點云，完整表現主樓的空間形狀，各站間采用公共特征點和標靶紙/球作為拼接的已知條件，計算拼接精度，通過查看拼接報告(如圖3所示)來檢查配準是否合理。

三維激光掃描獲得的海量點云數據不可避免地存在許多冗余點和噪聲點[6]。噪聲來源多種多樣，比如超出掃描設定范圍的孤立點；不屬于建筑物本身的冗余點；玻璃鏡面反射光束造成的混雜點；掃描過程中物體隨掃描鏡頭移動造成的漂移點等。

利用隨機軟件的蒙版和過濾工具對上述噪聲進行剔除后生成的是黑白相間的點云(如圖4所示)，不能真實地反映建筑物的色彩信息，不利于后期的屬性添加，應對黑白點云進行一鍵式著色處理得到帶有RGB和反射強度信息的彩色點云(如圖5所示)。同時將2.1.2中控制點坐標導入軟件，通過拼接模塊將彩色點云從測站相對坐標系轉換到真實地理坐標系，得到在CGCS2000坐標系下的點云數據(.las格式)。在隨機軟件中，還可根據實際需要將數據以不同格式(如pts、asc、ply)、不同比例進行抽樣輸出供其他平臺使用。

圖3 點云拼接報告

圖4 主樓未染色前點云側視圖

圖5 著色后的主樓點云俯視圖

3 基于點云的3DMax精細建模

河北野三坡服務區主樓的三維實體模型重建在3ds Max 2015軟件中進行，以點云為參考對建筑樓進行幾何體的分區單體構建，創建平面多邊形并賦予紋理和貼圖，然后將建好的單體模型分區組合成塊，渲染優化后輸出。

3.1 數據導入

將處理后的整體點云數據(.las格式)導入Autodesk Recap 2016軟件，加載完畢后框選所需建模的區域并裁剪，以.rcs格式導出。在3ds Max 2015軟件中通過“創建幾何面板”-“點云對像”-“PointCloud”模塊將.rcs格式的點云數據導入。

3.2 參照點云建模

參照點云數據構建三維模型就是將點云數據的輪廓結構、位置、大小等信息作為三維底圖進行立體空間上的臨摹，達到模型與實物在大小、位置、內部結構等屬性上的高度一致，在任一視圖任意分辨率下放大查看模型都能和點云完全重合[7](如圖6樓頂墻角所示)，從而避免了后期的尺寸對比，位置偏移分析等工作，從真正意義上實現了實物到模型的完美復制。

圖6 樓頂模型與點云重合

以服務區的主樓為例，在透視圖中調節顯示框，隱藏其余部位點云，使主樓在左視圖中只顯示主樓的最底部，利用創建標準基本體命令創建平面四邊形，頂視圖下調整四邊形頂點移動到主樓相對應的位置，重新切換到左視圖或其他視圖，上下豎直移動四邊形與主樓底部完全重合，再利用修改器中的拉伸，擠出、優化附加等命令再配合移動、旋轉、縮放等操作完成主樓模型的幾何體構建。

3.3 紋理賦予和貼圖

紋理貼圖就是將實物的材質信息和建筑物內外立面上的商標logo、文字標志等墻面信息賦給模型，使其在視覺效果接近實物[8]。由于實際建筑各墻表面上材質信息不同，需在不同表面賦予對應的紋理，因此有必要在建好的模型上進行平面的分割和創建多邊形等操作。

在PhotoShop里對采集到的照片進行色澤飽和度、亮度、角度的調整處理，選取視覺效果真實自然的照片，再利用3ds Max里uvw貼圖工具進行細微地調節，使其更貼合實際，部分區域效果如圖7所示。

圖7 紋理貼圖后的室內模型

3.4 場景優化

賦予紋理貼圖后的模型盡管和實物已經很接近，然而個別模型表面上會存在陰影，建好的室內外模型還會存在亮度較暗，色澤度不夠飽滿，色彩不夠鮮艷等現象[9]。因此需要對上述模型進行燈光處理、VRay渲染等，同時在室內外添加適當數量的攝影機并調整它們的位置，以求不同角度下的室內外模型都能符合大眾的視覺習慣，如圖8所示。

圖8 優化后的三維模型場景

4 基于Skyline的三維場景展示與發布

SkylineGlobe是世界上領先的三維地理信息處理平臺，支持多種格式數據(如max、fbx、obj、shp、dwg、dxf、dem、dom等)，也可以同時加載這些數據并融合成可交互式操作的三維地形場景文件，在平臺中我們可以仿人類第一視角身臨其境地瀏覽融合后的場景，還可以做路徑分析與規劃，讓場景自動地從起始位置漫游到終點，中途可以暫停查看每一位置的詳細坐標。

將已有野三坡服務區1∶10 000比例尺下的dom和dem數據導入Skyline中TerraBuilder模塊，生成MPT格式的三維地形場景文件，并將此文件與上述經3DMax精細化處理后的三維模型文件(.max格式)一并導入TerraExplorer Pro，經位置和角度進行微調處理后得到綜合場景文件，打包生成fly格式的工程文件并發布[10]，如圖9所示。

圖9 融合后野三坡三維場景

5 結 語

本文以野三坡服務區主樓的室內外場景構建為例，詳細地介紹了三維激光掃描中需要采集和處理的內容、3Dmax建模過程和Skyline平臺展示與發布的操作流程，得到了CGCS2000坐標系下厘米級的點云數據和三維模型，制作了野三坡服務區三維地形場景地圖，還原展示了融合后的三維場景，實現了從實景到模型的等比例同位置的仿真還原，滿足了從地下隧道到地上廣場、室外到室內、一層到二層的高精度無縫導航定位的需求。

試驗結果表明，采用本方法構建中小范圍的建筑場景，作業效率高，模型精細，建立的場景效果逼真，精度可達厘米級。在各作業環節中還可生成各種常用的數據格式，能夠與不同的三維地理信息平臺兼容，數據可利用率高，對相關生產單位的作業具有一定的借鑒意義。