基于激光掃描技術的三維仿真與管理系統(tǒng)應用

程建平，劉昶，杜書柱，丁士文，王俊，李犁，曹磊

(合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230061)

1 引 言

傳統(tǒng)測繪技術難以完整、精細地記錄樓宇空間復雜的結構體系、以及紋理信息的采集[1]，此時面對大范圍的樓宇空間的三維數(shù)據(jù)采集與建模，三維激光掃描技術的優(yōu)勢便凸顯出來。三維激光掃描技術可以在不接觸物體表面，直接采集物體表面的全部點云[2]，背包式三維掃描技術更具有便捷、靈活、快速、精度高等特點，可以顯著地提高工作效率[3，4]，通過平臺開發(fā)，建立三維模型信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)樓宇的三維智能化管理。近年來，隨著三維激光掃描技術的不斷發(fā)展，在三維測量和建模管理方面也得到不斷的應用[5～7]。

本文基于背包式三維激光掃描技術進行樓宇位置、外立面以及房間面積信息采集，結合照片紋理信息實現(xiàn)樓宇真三維場景的仿真建模，以及室外周邊地物地形信息的DEM，DOM模型，進行聯(lián)合建模，構建樓宇及周邊一體化的三維仿真模型，開發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)樓宇空間的三維可視化、數(shù)據(jù)查詢、二三維聯(lián)動以及漫游導航等功能。

2 測區(qū)數(shù)據(jù)采集與處理

背包式三維激光掃描儀采用實時定位與地圖構件技術(SLAM)與分段平差技術相結合，并內置多傳感器，適合室內、室外等多種環(huán)境的快速測繪，能夠實時確定室內外場景掃描源所處的位置和姿態(tài)，在點云采集的同時，對全景照片進行采集，結合數(shù)據(jù)處理軟件完成SLAM行走軌跡解算及平差，最終實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的自動拼接和輸出。背包式三維激光掃描系統(tǒng)的三維仿真建模流程如圖1所示：

圖1 仿真建模流程圖

2.1 控制點布設與測量

為了將點云數(shù)據(jù)轉換到統(tǒng)一坐標系下，控制點布設在測區(qū)均勻分布，且密度為 150 m～200 m一組控制點(每組3個控制點，帶高程信息)。控制點采用棋盤標靶，如圖2所示，使用A4紙打印，將標靶貼在地上或者墻上。控制點坐標采用全站儀導線測量方式確定，高程信息采用三角高程確定。

圖2 標靶

2.2 三維信息采集

開機初始化完成后，點擊開始進行掃描采集。數(shù)據(jù)掃描采集時，應平穩(wěn)行走，不急轉彎、急停，有利于提高數(shù)據(jù)質量和掃描精度。

按預先規(guī)劃好的路徑行走掃描測量，局部掃描規(guī)劃路線如圖3所示，對樓宇空間進行三維激光掃描，獲取三維點云數(shù)據(jù)信息，在掃描采集數(shù)據(jù)的同時對全景照片進行采集，為后期實景建模提供基礎。

圖3 踏勘掃描路線

2.3 點云數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完，按軌跡解算、數(shù)據(jù)分段、閉環(huán)平差、去除移動物體等操作，最終導出點云。將數(shù)據(jù)分測段處理，分別解算各測段掃描軌跡，利用SLAM技術與分段平差技術相結合，特征點云數(shù)據(jù)匹配，解算軌跡，并對軌跡閉環(huán)平差處理，提高數(shù)據(jù)解算精度。同時采用軟件對采集過程中移動物體的點云進行處理和移除，提高數(shù)據(jù)采集的質量。其數(shù)據(jù)處理過程中的軌跡解算、數(shù)據(jù)分段、閉環(huán)平差、去除移動物體分別如圖4、圖5、圖6和圖7所示。

圖4 解算軌跡

圖5 數(shù)據(jù)分段

圖6 閉環(huán)平差

圖7 去除移動物體

數(shù)據(jù)處理完，利用軟件實現(xiàn)點云間自動拼接，且根據(jù)標靶的真實絕對坐標，將拼接后的點云數(shù)據(jù)進行絕對坐標定向獲取絕對坐標。輸出點云數(shù)據(jù)成果，三維點云成果如圖8所示。

圖8 局部三維激光點云成果

2.4 室內外三維模型建立

本次三維建模范圍為某政務中心建筑的精細單體建模及地面模型，建模內容包括建筑模型、地形模型、交通模型、植被模型、水系模型及其他模型等。其中，地上建筑模型反映維度變化的 0.3 m的細節(jié)需精細表達。為便于后期對測區(qū)內模型精細管理，本次需將建筑模型分層、分戶制作，建筑內部走廊、墻體(除墻體外，不含室內其他設施)等進行制作，建筑物及附屬設施屬性信息需表達完整準確。

室外建模時，在3ds Max中導入整理好的Dwg文件、影像圖等，在CAD和影像圖的基礎上創(chuàng)建建筑模型，其建筑模型位置與CAD文件保持一致，如圖9所示。

圖9 建模前準備

對模型面數(shù)進行控制，能夠準確表達建筑物的特征即可，無須將所有細節(jié)建模，同時去除多余的面，模型建好后，應刪除多余的或沒用到的點、線、面，對模型結構與貼圖坐標起不到作用的面進行刪除以節(jié)省數(shù)據(jù)量。

紋理映射(貼圖)，對于需要疊加在物體表面的，例如建筑立面的字或一些招牌廣告等，做成片疊加在物體表面，面片與該物體的立面距離至少要達到 0.03 m，保證重疊面不閃爍，同時在側面不能看到特別明顯的兩個面間的距離，如圖10所示。

圖10 紋理映射與貼圖

室內建模時，首先紋理采集，通過現(xiàn)場對室內外環(huán)境拍照的方式，采集室內外環(huán)境的紋理照片，為后續(xù)室內外建模提供素材。

室內建模：導入3ds Max后，首先對墻體進行建模，然后運用畫樣條線和矩形等操作，采用擠出功能拉伸出合適的長度，進行墻體建模。一些沒有實測的內部細物，例如門窗、裝飾物等，根據(jù)所得尺寸和現(xiàn)場所拍照片進行建模，將建好的附件合并到主體建筑物的模型上。

紋理映射：對于建筑模型的紋理通常要到現(xiàn)場用數(shù)碼相機獲取照片，對照片進行正射糾正處理為正射影像，更改材質，將修改好的圖片貼到材質球上面并賦給建筑物，再運用貼圖坐標進行修改，盡量做到與實際相同的效果，最后渲染輸出效果圖。

建筑物輪廓及室內墻體建模完成之后，將所有的墻體都移動至正確的位置，然后找到相應的材質附到建筑物主體模型上。并賦予相應的磚墻材質、玻璃材質等，再做相應調整，提高視覺效果，最后得到與實際建筑物一致的模型。室內局部建模效果及整體區(qū)域建模效果分別如圖11和圖12所示。

圖11 室內局部建模效果

圖12 區(qū)域整體建模效果

3 質量檢查與精度評價

三維模型建立過程是點云之間的一體化自動拼接和輸出，因此模型內點云的數(shù)據(jù)質量情況難以體現(xiàn)，因此本文基于全站儀、測距儀等實地測量數(shù)據(jù)對模型的精度進行檢查，從整個模型環(huán)境中提取距離、坐標與檢測相對應的距離、坐標，進行比較，包括相對精度檢測和絕對精度檢測。

3.1 相對精度檢測

相對精度的檢測主要是通過模型中特征點間的實際量測尺寸和模型中量測尺寸進行統(tǒng)計比較，本文分別在實地和模型中量取了12個特征部位的尺寸，見表1特征部位的尺寸相對精度統(tǒng)計比較。

特征點相對精度統(tǒng)計 表1

續(xù)表1

3.2 絕對精度檢測

模型建立后，通過設置特征點的標靶坐標進行模型的投影坐標的轉換，使三維模型轉換到標靶控制點坐標系下。因此本文通過測量模型特征點的坐標與實地測量的坐標進行比較，來反映其模型的絕對精度情況。模型的絕對精度統(tǒng)計如表2所示。

絕對點位精度統(tǒng)計表 表2

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進一步計算得到：

4 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與應用

模型建立完畢后，對該模型進行管理系統(tǒng)搭建，采用Oracle 11g作為數(shù)據(jù)的物理存儲介質，采用MicroSoft Visual Studio 2010.NET作為開發(fā)平臺，利用Esri提供的GeoDatabase數(shù)據(jù)模型存儲和管理空間數(shù)據(jù)，利用C#和偉景行的CityMaker SDK 7.0開發(fā)核心組件庫，并以此組件庫來搭建所有應用系統(tǒng)，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)建庫、數(shù)據(jù)管理、可視化、空間分析、數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計、項目管理、二三維聯(lián)動等功能操作。三維展示系統(tǒng)可實現(xiàn)交互式瀏覽功能、選擇、信息查詢功能，可完成搜索定位、屬性查詢、信息標注等功能。部分功能展示如下。

視圖功能，視圖模塊直接與用戶的視覺產(chǎn)生交互，進入系統(tǒng)后首先展示出來的就是視圖，視圖包含二維視圖及三維視圖。

定位功能，用于地圖快速定位操作，主要包括路名定位、單位名稱定位等，用戶輸入要定位的關鍵字，便能自動漫游至目標樓宇。部分功能界面如圖13所示。

圖13 導航至四區(qū)四樓界面

系統(tǒng)查詢統(tǒng)計功能模塊主要包括要素屬性查詢、圖層屬性查詢、自定義屬性查詢、選擇集查詢、附件查詢、自定義空間查詢等，部分功能界面如圖14所示。

圖14 點擊房間查看屬性

統(tǒng)計分析功能，進行多種類型的統(tǒng)計分析功能，諸如統(tǒng)計工商管理局的辦公室使用情況，根據(jù)統(tǒng)計結果能夠合理地進行辦公室的使用分配；再如統(tǒng)計某部門的人員構成，以確定該部門的人員配置是否合理。系統(tǒng)預先定義多種統(tǒng)計模型供用戶使用，用戶也能夠自定義統(tǒng)計模型進行自定義統(tǒng)計。其部分功能界面如圖15和圖16所示。

圖15 分類統(tǒng)計

圖16 會議室管理統(tǒng)計

該管理應用平臺具有豐富的應用功能，除了上述介紹的功能外，還包括數(shù)據(jù)的可視化、空間分析、項目管理、二三維聯(lián)動等功能操作。可實現(xiàn)交互式瀏覽功能、選擇、信息查詢功能，可完成搜索定位、信息標注等一些自定義功能。從而對樓宇從層到戶的精細化管理以及三維智能化決策輔助提供了一種方法。

5 結 語

本文主要基于背包式三維激光掃描技術對樓宇位置、外立面以及房間尺寸等信息進行采集，通過點云之間的自動配準及自動拼接技術，完成樓宇的三維模型，同時結合周邊的地形信息、DOM、DEM模型等數(shù)據(jù)，構建樓宇及周邊一體化的三維仿真模型，其精度表現(xiàn)相對較好。同時開發(fā)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，完成樓宇空間的三維可視化、數(shù)據(jù)查詢、二三維聯(lián)動以及漫游導航等功能，實現(xiàn)對樓宇空間的實時查詢和管理。相比于傳統(tǒng)測量手段大大提高了工作效率，但海量的點云數(shù)據(jù)，處理相對麻煩，還有待在之后的工作提供點云利用率和解算效率。