基于海量點云數據的建筑物三維模型重建

權玲，張官進 （.安徽理工大學，安徽 淮南 3000；.安徽科技學院，安徽 滁州 3300）

0 引言

古建筑在中國文化中占據舉足輕重的地位，更是世界建筑文化中不可缺少的部分，承載著國人的智慧，寄托著“國”和“家”的思念，其價值不言而喻。建筑物在破損修繕、異地重建過程中，因傳統測量方法的限制而費時費力，三維激光掃描技術的零接觸、大數據、高性能等特點，在古建筑的保護中發揮顯著優勢，國內外研究人員對點云數據在建筑物模型重建中的應用進行了深入探索。文獻[5]以西北民族大學蝴蝶廳異地重建項目為例，提出了室內外一體化三維建模的研究思路；文獻[6]以朱德故居為例，闡述了基于三維激光掃描技術的古建筑精細數字化建模過程；文獻[7]提出基于激光三維掃描的建筑空間結構虛擬重建系統；文獻[8]針對甕城古城墻內側包砌城磚的損失問題，提出了一種掃描古城墻數據的實地采集、拼接去噪、修補孔洞以及三維建模的方法；文獻[9]以沈陽金融博物館，利用三維激光掃描技術進行數據處理、建模。

本文以安徽理工大學“紅樓”為例，在“紅樓”拆除前利用HS650三維激光掃描儀完成了數據的采集，并結合HD-3LS-SCENE、AUTODESK Re Cap 與3Dmax三款軟件進行模型重建。以期為“紅樓”數字化存檔和后期異地重建工作提供參考依據。

1 建模流程

主要流程：準備工作、數據采集、數據處理、建模。建模流程如下圖所示。

三維建模流程

①準備工作。主要包括確定掃描儀最佳掃測距離、測區踏勘、掃描點選擇、布設標靶、確定掃描參數。

②數據采集。每測站設置合理掃描區域，保證測站間的最佳掃測重合度，同時拍攝建筑物照片，做好記錄。

③數據處理。數據處理質量決定建模精度，使用中海達HD-3LS-SCENE軟件拼接、去噪。

④建模。將處理后的數據經AUTODESK Re Cap壓縮、轉換格式后，導入3Dmax建模，并進行紋理貼圖。

2 基于三維點云的建模

安徽理工大學“紅樓”位于老校區中央，共三棟。開工于1950年，與縣級淮南市同時誕生；落成于1952年，與市級淮南市一起到來。是淮南城市發展的見證，是淮南市的歷史文化建筑。這三棟“紅樓”，集蘇式風格和中式對稱審美元素于一體，因紅磚紅瓦的中國紅元素，稱為“紅樓”，頗具美學價值，2019年已全部拆除。

2.1 點云數據的獲取

①確定掃描距離。數據采集前，通過實驗確定數據采集的最佳距離。在相同外部條件下，掃描儀分別在10 m，30 m，50 m，100 m，125 m，150 m距離處進行掃描，每個距離掃描5次取平均值，同時在設站處使用全站儀進行測量。根據掃描、測量結果，計算各距離掃測中的誤差及內、外符合精度。結果表明，100 m范圍內，掃描儀精度及穩定性較高，距離越近，精度越高，符合建模精度要求。綜合考慮精度及外業掃描工作量，確定25 m為三維建模時數據采集距離。

②現場踏勘。“紅樓”周邊綠植較多，部分墻體被樹木遮擋，增大了數據采集的難度。測站數多，固然能獲取足夠數據，但數據冗余度大；同時，測站過多，會降低測站整體拼接精度。

③掃描點布設。結合現場踏勘情況，挑選合適角度，最終確定四個掃描點，分別位于“紅樓”的四角。

④布設標靶。點云拼接時，需要標靶提供特征點。標靶不能集中，必須均勻分布，拼接時需要三個以上標靶同時出現在兩個測站內，并且標靶不能在同一直線上。

⑤數據采集。數據正式采集前，先預掃，確定掃描角度，同時確定掃描參數，保證數據充足而不冗余、數據精度高。數據采集時，每個測站做好詳細記錄，如遇突發情況，隨時暫停并重測。點云采集完成后，進行紋理采集，采用高分辨率照相機，控制拍攝角度、拍攝光線、所拍墻體部位，確保紋理完整、清晰。

2.2 數據處理

①點云拼接。拼接時需要確定至少三個同名點，組成大致等邊三角形。結果顯示，X、Y、Z三個軸向的拼接精度，最大為1.3cm，最小為0.08cm，整體拼接誤差為0.3mm，拼接精度較高。

②點云降噪。三維掃描點云數據量特別大，在掃描中，雖然已經進行最優設置，但仍然存在很多與建模無關的數據，除建筑物與標靶外，任何數據都是多余的。這些多余的數據會造成數據處理較慢、建模精度低，應當刪除。在軟件中，肉眼識別噪聲點與軟件識別噪聲點相結合，刪除所有噪聲點，降噪后，點云數據減少了百分之八十。

2.3 建模

點云數據拼接與降噪后，經AUTODESK Re Cap處理、轉換格式，導入3Dmax軟件中建模，三維模型完成后，進行二維紋理貼圖。

①建模。處理后數據導入3Dmax軟件中，確定模型外部輪廓線，包括底部、上部等邊緣線，構成樓體的輪廓。輪廓線進行實體填充后，生成白膜。

②貼圖。貼圖是為了使模型更加美觀、真實。在3Dmax軟件中，導入處理后的紋理圖片，進行渲染、UVW貼圖，獲得“真實”“紅樓”模型。

3 模型評價

模型評價包括兩個方面，一是尺寸精度，二是紋理貼圖效果。評價精度，需要模型尺寸與真實建筑物尺寸相比較，確定二者尺寸誤差是否在精度允許范圍內。“紅樓”模型尺寸可以在軟件中直接量測，實體數據使用全站儀測得，多次測量取均值。部分數據如上表所示。

模型與實體尺寸偏差

如上表所示，單個物體和墻面與墻面之間掃描清晰，數據易采集，精度較高；窗戶對角線數據可以反映模型變形情況，從表中可以看出，模型尺寸還原度高，幾乎沒有形變。整體考慮，模型尺寸與實體尺寸差值均在5cm范圍內，精度較高，符合精度要求。

紋理貼圖效果評價，將現場拍攝的高精度照片作為主要參考標準，并結合實物材質及歲月痕跡，考查紋理與實物是否相符、清晰。結果表明，貼圖效果與實體基本保持一致，貼圖效果較好。

4 結語

基于零接觸現代測量技術完成安徽理工大學“紅樓”的三維重建，得出以下結論。

①零接觸現代測量技術結合專業軟件，建模速度快、精度高，模型可以360°旋轉，得到任何角度的效果圖，真實感強。

②數字化的“紅樓”便于存檔，也可以做成虛擬漫游演示效果供校友欣賞，為“紅樓”的未來提供更多可能。