基于激光雷達與傾斜攝影的三維建模技術探析

孫時鐘

摘要：在經濟生活的飛速發展下，科學技術正在逐步向現代化發展，并被賦予了更多的生活元素，與人們的生產生活密切相關。在建工業，人們開始逐漸對三維數字城市的建設關注度日益增多，無形中給單位建模技術人員帶來了莫大的壓力。但隨著激光雷達與傾斜攝影技術的融入，使得三維建模技術有了突破性的進展。

關鍵詞：激光雷達;傾斜攝影;三維建模技術;探究與分析

隨著數字化城市、智慧化都市的發展，使得人們對城市建設中的地表及地質信息有了更高層次的需求。傳統意義上平面數字地圖的繪制和三維城市建模的呈現已經很難適應時代發展的需要。傳統方式下的三維建模技術，以簡便易于操作等特征在長期的發展中占據主導地位，但對于人工操作而言，技術工人的工作強度大，成效低，準確度也稍顯遜色，極難適應當下快節奏的城市建設趨勢，因此需要對三維建模技術進行優化升級。

1? ? 三維建模技術的概述及現狀分析

1.1 概述

三維建模是對物體的立體多邊形呈現，一般情況下是用電子計算機或是視頻設備，將物體的虛擬映像在顯示器上呈現，使其更形象準確地展現在信息使用者的面前。自然界上存在的任何物體都可以用三維建模的形式呈現。實物的三維模型通常有專業的建模工具和軟件，將數據、網格、紋理進行歸集，并生成立體的圖像信息，如圖1所示。三維建?？梢圆捎檬止せ蛴嬎銛祿蒲莩鰜?，雖然其在電子計算機系統中是虛擬的存在，但是在紙上的呈現就定義為三維模型，目前，三維建模普遍用于各行各業中涉及到三維圖形的領域。

三維建模在各領域的應用包括：醫療衛生行業的器官的模型、CT核磁，影視行業的電影、電視的制作，游戲娛樂行業的游戲人物、場景設置，科學領域的化學合成物的模型，建工業建筑物的圖紙、工程設計、工程應用領域設備整體架構，還有地球科學的三維地質模型，詳見表1。

三維模型本身是不具有實體表現的，是通過計算機技術和設計師的設計，讓其以線條勾勒出立體層次，再通過細節渲染，明暗調節，以立體圖像的方式呈現。在三維模型上會通過紋理進行具體的描繪，將紋理在三維模型上的呈現成為映射，實際中的紋理是圖像的一種表現方式，通過紋理的描繪使模型的構建顯得更加逼真，并且會將原物體上的數據及信息按比例進行縮小，使得三維建模對原物體盡可能做到高精度還原。還會通過曲面法線結構，進行局部提亮，使其形成明暗變化，同時，在曲面上加上凹凸的紋理映射，提升三維模型的立體渲染。在三維建模時，通常會以視頻動畫的形式呈現，并通過成百上千次的修改和調整，使模型的呈現更加精準，實用性、參考性價值更高。

三維建模技術是通過網格和紋理的組合實現的，首先通過三維立體坐標的繪制，激光的反射強度呈現和色彩調和形成云點，再由云點做成三維模型網格。這些網格通常情況下由多邊形、凹凸點構成[1]。而三維模型的紋理是物體表面的真實模擬呈現，復制了原物體表面的紋路和整體質感。三維模型的紋理還是物體表象上的彩色圖案表象，又稱紋理貼畫。對紋理重新進行排列組合，并對其形成的圖像進行加工調整，使得紋理在網格上映射出圖像，最終建成使用者所需的三維模型。

三維建模的方法主要包括：3D軟件建模，實際工作中的儀器設備測量建模，利用視頻、動畫、圖像的制作來建模。

1.2 現狀分析

就目前我國三維建模的實際情況而言，按照建模技術模式和呈現方式可分為：仿建，半仿建以及實際測量建模。但最實用的是實地測量建模，其主要是用航測的方式實施的，但由于受航空拍攝角度的限制，其所收集獲得的數據信息并不全面，可以大致上獲得空間位置數據以及頂端紋理數據，而缺少側邊曲面數據。

影像數據本身就存在技術缺陷，受空間、時間和收集方法的因素限制，使得現階段的三維建模存在成本高，操作強度大，環節復雜，以及呈現效果未知等發展的限制因素，阻礙了三維建模技術的進步和提升，對其影響巨大。

2? ? 激光雷達技術的分析

激光雷達技術設備是通過激光進行掃描、定位的測量裝置，可以通過激光實現高精度的測量與定位。激光雷達技術設備由激光發射器和接收器構成，其工作原理是通過發射器發出激光，經由物體表面發生折射，再被接收器接收。通過激光的折射原理和反射時長實現測距，再通過激光發射器、接收器的高度，掃描的角度實現對三維坐標的精準測算。

就激光雷達技術在現實中的實際應用，大中型的激光雷達設備類似于俯視視角的光學成像系統，通過同步的方式收集地表、物體表面的映像，激光云著色來實現更完美的視覺呈現。激光雷達技術以其顯著的優勢，在三維建模領域已逐漸嶄露頭角。

激光雷達技術的特點：通過精確度高、密集度高的激光點和云端數據，能直接映射出物體的三維成像坐標，省去了人工和機器測算的程序環節。該技術通過智能化或是與人工結合的方式，將人體映射到地表物體的點，進行云端的采集和歸置，構建云端圖像，智能化地提取三維數據。由于激光點和雷達在密度上、數量上的優勢，提高了三維數據采集的精準性和獲取速率[2]。再加上激光雷達設備的超強穿透力，可以測量植被覆蓋下的地表概況，根據這一特點，激光雷達技術往往也被應用在地形的考量、工程的勘探甚至工程測量，這就意味著激光雷達技術數據的精準程度，已達各行業的頂尖水平，并對其具有極高的指導性意義。

激光雷達技術獲取的緯度坐標，完全達到高精度影像儀器的要求，使得數字正攝影像圖的量化生產成為可能，無需昂貴的專業數字處理平臺加持，亦可通過遙感系統實現系統化的批量生產。因此，三維建模技術更需要激光雷達技術的加持。

3? ? 傾斜攝影的技術分析

傾斜攝影技術是近年來三維建模技術發展的時代產物，其與傳統航測技術存在質的差別。航測只限于處置角度的拍攝，信息數據的收集不全面，而傾斜攝影技術根本不存在這方面的困惑。傾斜攝影技術屬于將多個傳感器安裝在同一個飛行設備上，在采集器工作時，可以獲取到多角度的影像數據信息，為使用者呈現更直觀的數據信息。

將傾斜攝影技術應用到三維建模技術中，既利用了航空攝影大范圍、全方位成像的強大優勢，又便于獲取物體的紋理特征。在節約生產成本、時間成本的同時降低了技術工作的強度、難度，實現了操作的高效性。在三維建模的傾斜攝影技術實際應用中，通常采用相關度量來表示特征之間的相似程度，度量值越大，相似度越高，其度量計算公式如下：

而如果使用SIFT算法進行特征匹配時，把一個圖像的尺度空間L（x，y，σ），定義為原始圖像 I（x，y）與一個可變尺度的二維高斯函數G（x，y）卷積運算，其公式如下：

4? ? 基于激光雷達與傾斜攝影的三維建模技術的發展

隨著技術的不斷發展和進步，激光雷達技術與傾斜攝影技術也日漸成熟。近幾年，激光雷達技術、傾斜攝影技術被廣泛應用，尤其是在三維建模技術上，兩者都有各自的優勢，如果能夠將激光雷達與傾斜攝影共同融入到三維建模技術中，既可以彌補傳統三維建模技術上的缺陷，使其可以全方位、多角度地獲取數據信息，節約時間成本，提高測算工作的效力，雙技術并用，使得數據影像的獲取更加直觀。在未來的發展中，需切記堅持技術為本，不斷發展創新，勇于突破自我，實現三維建模技術的優化和提升[3]。

5? ? 結論

總之，時代發展，技術為先。只有在生產和建設的過程中，牢牢把握先進技術，才能更好地發展。將激光雷達、傾斜攝影與三維建模技術結合，可以保障建模的成果，提高建模的質量，促進三維建模技術的發展。

參考文獻

[1] 杜永亮，呂杰.傾斜攝影和激光雷達在某輸電工程三維建模中的應用研究[J].江西電力，2019，43（8）：12-20.

[2] 杜永亮，呂杰.基于某工程的傾斜攝影和激光雷達在三維建模中的應用研究[A].江西省電機工程學會.2018年江西省電機工程學會年會論文集[C].：江西省電機工程學會，2019：8.

[3] 張平.傾斜攝影和激光掃描技術在城市三維建模中的融合應用研究[J].城市勘測，2018（4）：99-103.