激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)在建筑小品精細(xì)建模中的應(yīng)用

王洪蜀,汪仁銀,朱逍賢

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪地理信息系，四川成都 611231)

三維激光掃描技術(shù)又叫實(shí)景復(fù)制技術(shù)，能夠快速、主動、無接觸地獲取目標(biāo)物高精度、高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模技術(shù)在文物遺產(chǎn)保護(hù)、建筑物監(jiān)測、室內(nèi)場景還原、災(zāi)害模擬預(yù)警、城市規(guī)劃、城市數(shù)字化等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在文化遺產(chǎn)方面，化蕾等人開展了客家土樓真實(shí)感、精細(xì)化三維建模的應(yīng)用研究[1]，為文物保護(hù)作出了重要的貢獻(xiàn)；賈小鳳等人利用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對室內(nèi)場景物體進(jìn)行三維模型建立，并與基于幾何測量數(shù)據(jù)建立的三維模型進(jìn)行對比，表明點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行室內(nèi)物體精細(xì)建模更有優(yōu)勢[2]。孫杰等人提出了基于三維激光點(diǎn)云的礦區(qū)建筑物形變特征提取方法，通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的可用性[3]。朱曙光等人詳細(xì)論述了基于 Leica Scan Station P40 三維激光掃描系統(tǒng)在建筑物精細(xì)建模中的應(yīng)用[4]。以上是目前一些學(xué)者利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)展開的三維重建方面的應(yīng)用研究，而在建筑小品方面的應(yīng)用研究涉及非常少。建筑小品作為一種獨(dú)立的地物，是布置在街頭、廣場、綠地等處室外環(huán)境中的小型建筑設(shè)施，大部分除具有使用功能外，還具有觀賞和裝飾功能，造型獨(dú)特，富有藝術(shù)性，比如常見的雕塑、石盆景。用傳統(tǒng)的測量手段獲取建筑小品表面三維數(shù)據(jù)難度大、工作繁瑣、精度差，鑒于這個問題，本文主要研究以三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，構(gòu)建建筑小品(日晷)精細(xì)三維模型。

1 激光點(diǎn)云測量原理

三維激光掃描技術(shù)是一項(xiàng)高新測量技術(shù)，突破傳統(tǒng)單點(diǎn)測量方法、能夠快速海量地測量目標(biāo)物體表面的三維空間坐標(biāo)，海量點(diǎn)的集合，稱為“點(diǎn)云”。三維激光掃描儀向目標(biāo)物體發(fā)射激光，激光束按設(shè)定分辨率依次掃過測區(qū)，測量每個激光脈沖從發(fā)出經(jīng)目標(biāo)物表面返回儀器所經(jīng)過的相位差(或者時間差)來計(jì)算掃描儀至掃描點(diǎn)的距離r；同時測量每個激光脈沖橫向掃描角度值α和縱向掃描角度值β，最后根據(jù)獲得的距離和角度值計(jì)算出每個掃描點(diǎn)相對于測站點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)。如圖1所示，在這樣的一個三維激光掃描儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)中，坐標(biāo)原點(diǎn)O為激光發(fā)射點(diǎn)，X軸、Y軸在儀器橫向掃描平面內(nèi)，X軸與Y軸相互垂直；Z軸在儀器縱向掃描方向面與橫向掃描面垂直，構(gòu)成右手坐標(biāo)系[5]。每個點(diǎn)的三維坐標(biāo)計(jì)算公式如下[6]。

(1)

圖1 儀器內(nèi)部坐標(biāo)系

2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集和處理

2.1 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集

本研究利用Leica ScanStation C10三維激光掃描儀進(jìn)行建筑小品(日晷)點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集。Leica ScanStation C10是一種脈沖式掃描儀，可實(shí)現(xiàn)360 °×270 °范圍的掃描，掃描速度可達(dá)50 000點(diǎn)/s，單點(diǎn)的測量精度可達(dá) mm 級，點(diǎn)云最小間隔可達(dá)1 mm。

掃描前應(yīng)踏勘現(xiàn)場情況，根據(jù)掃描目標(biāo)物位置、形狀及周圍地物的分布合理設(shè)置測站位置和數(shù)量，測站位置應(yīng)選在地勢平坦、視野開闊、地基穩(wěn)定的地方，盡量以較少的測站數(shù)獲取目標(biāo)物的全部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于各個測站數(shù)據(jù)是各自內(nèi)部獨(dú)立的坐標(biāo)系，為了統(tǒng)一在一個固定的坐標(biāo)系中，在采集數(shù)據(jù)時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和具體需求，考慮后期的配準(zhǔn)方法。本研究采用公共標(biāo)靶進(jìn)行各測站數(shù)據(jù)的拼接，測站與標(biāo)靶布設(shè)如圖2所示。公共標(biāo)靶應(yīng)布設(shè)在各測站掃描范圍的重疊區(qū)域，測站之間至少布置3個標(biāo)準(zhǔn)靶，且滿足這3個標(biāo)準(zhǔn)靶不在同一高度線上，以免產(chǎn)生線性關(guān)系，降低軟件解算的結(jié)果誤差。現(xiàn)場布置好之后，通過設(shè)置掃描儀的視場范圍、分辨率等參數(shù)依次進(jìn)行目標(biāo)掃描、標(biāo)靶粗掃描、標(biāo)靶精掃描、場景拍照完成對目標(biāo)物(日晷)點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的獲取。

圖2 測站點(diǎn)與標(biāo)靶分布

2.2 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理主要是利用Leica高清晰測量系列掃描儀配套的數(shù)據(jù)后處理軟件 Cyclone完成，其處理過程包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、粗噪點(diǎn)的剔除、格式轉(zhuǎn)換等內(nèi)容。

點(diǎn)云配準(zhǔn)是將多個不同ScanWorld向一個基準(zhǔn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，此過程不同的ScanWorld通過同名點(diǎn)對約束條件旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的三個方向坐標(biāo)軸，合并到基準(zhǔn)坐標(biāo)上，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并沒有改變，只是相對于位置有了變化。本研究是將標(biāo)靶中心作為同名點(diǎn)對，通過自動添加約束條件，實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)，研究所用數(shù)據(jù)配準(zhǔn)最大誤差為1 mm。由于儀器誤差、物體表面、周圍環(huán)境等因素的影響，掃描點(diǎn)云中必然存在許多與目標(biāo)對象無關(guān)的點(diǎn)云，必須剔除，以提高數(shù)據(jù)處理效率和保證后期建模精度，Cyclone軟件中主要是對一個肉眼可判的一些噪聲點(diǎn)進(jìn)行剔除。為便于后期建模軟件Geomagic Studio的使用，可將IMP格式的數(shù)據(jù)庫文件，輸出為TXT、PTX、XYZ等多種數(shù)據(jù)格式。

3 三維精細(xì)建模

將Cyclone軟件導(dǎo)出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助Geomagic Studio軟件構(gòu)建建筑小品(日晷)的三維精細(xì)模型，一般會經(jīng)過點(diǎn)處理、多邊形處理、曲面處理三個階段。

3.1 點(diǎn)處理階段

點(diǎn)處理階段主要是對處理后的點(diǎn)云做進(jìn)一步的處理，使之更為精簡，完成后封裝為可用的多邊形模型。導(dǎo)入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)默認(rèn)顯示為黑色，為了更加清晰、直觀地查看點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要對其進(jìn)行著色處理。由于Cyclone軟件是通過肉眼判讀去除噪聲點(diǎn)，在此可以設(shè)置系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值選擇非連接項(xiàng)、體外孤點(diǎn)進(jìn)行去除。“減少噪音”操作刪除了移動偏差較大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使其變得平滑，提高曲面精度，其中“棱柱形(積極)”方式適用于物體表面有尖銳邊角的曲面模型，適合本研究對象的處理。“封裝”實(shí)質(zhì)是將散亂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)在空間生成多個三角網(wǎng)，用來更加逼真呈現(xiàn)點(diǎn)云的三維模型。

3.2 多邊形處理階段

掃描儀獲取數(shù)據(jù)時，由于遮擋或物體表面反射等因素存在一些地方點(diǎn)云數(shù)據(jù)不完整或缺失，封裝后的多邊形模型表面會出現(xiàn)孔洞、尖狀物等，因此需要對其進(jìn)一步處理，為后面的曲面階段奠定基礎(chǔ)。首先需要進(jìn)行填充操作，對一些漏洞進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)完后，多邊形模型表面有明顯凹凸不平的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行平滑處理，可使用“去除特征”、“刪除釘狀物”、“松弛”工具。平滑處理完成后，使用“網(wǎng)格醫(yī)生”工具檢測模型有問題的網(wǎng)格并對其進(jìn)行修復(fù)。一般情況下多邊形數(shù)據(jù)量大，為減少內(nèi)存占用提高建模速度，在保證模型精度的前提下可簡化多邊形，通過使用“簡化”工具用更少數(shù)量的多邊形來表示模型載體。

3.3 曲面處理階段

曲面處理階段可探測多邊形模型表面生成輪廓線，并對效果不好的輪廓線利用編輯輪廓線工具進(jìn)行修復(fù)；然后根據(jù)輪廓線構(gòu)造曲面片并進(jìn)行編輯處理使曲面平滑；再對曲面片構(gòu)建柵格將其處理為指定分辨率的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)；最后將曲面片擬合成NURBS曲面，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的逆向曲面造型。本研究擬合日晷的曲面效果如圖3所示。

圖3 日晷曲面模型

4 三維建模精度分析

在虛擬的環(huán)境下，為用戶呈現(xiàn)逼真的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，三維模型就必須精確地描述每個地物的真實(shí)三維尺寸，模型精度檢驗(yàn)是三維模型重建中的一個重要環(huán)節(jié)。精度包括絕對精度和相對精度，本研究進(jìn)行點(diǎn)位精度分析和距離對比分析。

4.1 點(diǎn)位精度分析

由計(jì)算式(1)可知，點(diǎn)的坐標(biāo)直接受儀器系統(tǒng)的測距誤差和測角誤差的影響，此外儀器對中誤差、標(biāo)靶精度、點(diǎn)云配準(zhǔn)等都會對點(diǎn)的坐標(biāo)產(chǎn)生影響[7]。本文選取6個全站儀觀測、且容易識別的特征點(diǎn)作為研究數(shù)據(jù)，將全站儀獲取的坐標(biāo)值與模型上點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行對比分析。結(jié)果見表1。

分別計(jì)算X、Y、Z3個方向的坐標(biāo)較差，然后由坐標(biāo)誤差計(jì)算式(2)得到點(diǎn)位精度。

(2)

由表1可以看出坐標(biāo)點(diǎn)位最大誤差4.3 mm，能夠滿足大多數(shù)三維建模工作的需求。

表1 點(diǎn)坐標(biāo)對比

4.2 距離對比分析

本研究以鋼尺量測的特征邊長作為真值，在點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)上分別選取對應(yīng)的特征邊進(jìn)行對比，并計(jì)算較差和相對誤差，結(jié)果如表2所示。

表2 距離對比

縱觀表2可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)與鋼尺測量的值對比，點(diǎn)云數(shù)據(jù)上量測的邊長比三維模型上量測的對應(yīng)邊長與真值偏差較小，且分布穩(wěn)定。點(diǎn)云數(shù)據(jù)邊長變形檢驗(yàn)最大偏差是4 mm，最小偏差為1 mm，最大相對誤差是1/214，最小相對誤差為1/1 843；由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)、多邊形、曲面建模處理，三維模型對應(yīng)邊長變形檢驗(yàn)最大偏差是7 mm，最小偏差為1 mm，最大相對誤差為1/214，最小相對誤差為1/2 309。

5 結(jié)論

本研究以建筑小品(日晷)為研究對象，利用三維激光掃描儀非接觸、高效地獲取激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理后利用Geomagic Studio逆向建模軟件建立了日晷的三維模型，并與全站儀實(shí)測坐標(biāo)和鋼尺實(shí)測距離數(shù)據(jù)進(jìn)行了精度方面的對比分析。結(jié)果表明：利用三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速高精度、真三維模型的構(gòu)建是可行的，且基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型構(gòu)建更加形象直觀。在未來的發(fā)展中，三維激光掃描技術(shù)可在精細(xì)模型構(gòu)建等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作業(yè)。