三維激光掃描技術在城市地標建筑三維模型重建中的應用

趙 磊,毛芳芳

(1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司,鄭州 450000; 2.鄭州升達經貿管理學院,鄭州 450000)

0 引言

城市地標建筑具有建筑藝術和美學價值,在城市規劃、文化傳承、旅游推廣等方面具有十分重要的意義。三維模型作為城市規劃、設計的重要參照物,能夠提供更加真實的建筑高度、形狀、結構等信息,既是創建城市特色及品牌形象的重要手段,也是智慧城市發展的重要組成部分,對城市規劃建設、提升城市智慧化及數字化、促進可持續發展起著至關重要的作用[1-2]。

傳統的三維建模方法通常需要應用全站儀等測量儀器在場地進行實地測量,由于地標建筑一般位于城市廣場中心,人流量較大,傳統測量儀器逐點采集外業數據的時間較長,且地標建筑一般具有復雜結構、大量細節及不規則形狀,故此傳統的三維建模方式難以完整展示建筑細節。三維激光掃描技術精準快速,可以快速獲取被測物體的表面形態及高精度的坐標數據,具有高效自動化處理能力,能夠生成精確的三維模型,在采集數據的過程中保留了建筑結構及細節信息,亦滿足了高精度、高效率、高質量的測繪要求,可減少現場數據采集時間及成本,為數字化建造及智慧城市建設提供強有力的技術支持及保障[3]。三維激光掃描系統的測量原理是利用發出的激光脈沖束照射物體,對物體表面進行掃描,記錄每個位置激光的發射及反射時刻,通過記錄光傳播時間,計算出激光束傳播路徑的距離與間距,再根據接收激光束返回的反射波水平及垂直方向的偏向值得到物體表面各個位置的三維坐標信息。如圖1所示,X軸在橫向掃描面內,Y軸在橫向掃描面內與X軸垂直,Z軸與橫向掃描面垂直,獲得P點坐標[4]。

1 測區概況及點云數據處理

1.1 測區概況

實驗目標對象為某城市標志性雕塑,高達30 m,直徑27 m,重達500余噸,為大型鋼質城市雕塑。該雕塑輔以火紅色的外層噴涂,造型采用螺旋向上的鋼板結構組合,具有較強的歷史、文化及藝術價值。需建立該地標建筑三維模型,便于后期在城市vr全景地圖上展示當地特色。由于該地標建筑較為復雜,傳統建模方式難度較大,擬基于三維激光掃描技術進行三維建模,整體技術流程如圖2所示。

圖2 整體技術路線設計

開展實地踏勘并確定掃描儀設站數量及位置,架設掃描儀并在儀器上進行參數設置,逐站進行點云數據采集及數據預處理,包括點云拼接、點云去噪及精簡等。將點云數據導入到建模軟件中,應用建模工具及技術進行三維模型重建,對模型精度進行分析。

1.2 外業數據采集及預處理

為確保能夠采集完整的地標建筑點云數據,避免補測或重復測量,根據整體技術設計要求進行踏勘及實地考察,按照測區實際情況進行測站布設,發現目標體整體較高,普通地面掃描儀因視角偏差原因難以獲得建筑物完整的點云數據,采用專用升降三腳架放置三維激光掃描儀,調整掃描儀的高度與角度,使掃描儀可以高效、準確地采集目標建筑的點云數據,減少點云數據采集造成的盲區。外業數據采集測站布設方案如圖3所示[5]。

圖3 外業數據采集測站布設

從該雕塑西南角逆時針進行數據采集,共架設8個測站,為完整采集雕塑頂部點云數據,測站間遠近交錯以減少遮擋帶來的掃描偏差,在獲得完整細節數據的基礎上避免造成數據冗余。為提高點云拼接精度,現場布設一定數量的靶標球,為減小數據解算過程中的誤差累積,路線規劃時回到原始起點,構成閉合環路。待以上工作準備好后,將掃描儀升至合適高度,連接電源與計算機等設備,設置掃描參數進行掃描作業。

內業預處理主要包括點云拼接、點云去噪及點云精簡。點云數據配準是將不同視角的點云數據轉換到統一視角下;點云去噪是根據場景需求進行幾何或統計學濾波,去除干擾或不必要的點,獲得更純凈的點云數據;點云精簡是根據場景需求進行稀疏化或密集化處理,以便后續操作獲取良好的處理效果。待以上處理完成后,對點云數據進行分割,對主體部分及底座點云分別進行裁剪另存。預處理效果如圖4所示[6-7]。

圖4 預處理后的地標建筑物點云數據

2 模型重建及立面圖繪制

對目標建筑實地踏勘后發現,該雕塑既有規則結構如長方體底座等,又有不規則構造如螺旋鋼板等,需針對不同構造應用不同技術分別建模。

2.1 三維模型重建

螺旋鋼板屬于曲面構造,應用傳統建模工具難度較大,故應用Geomagic Studio軟件進行逆向建模。需要注意的是,逆向建模時,點云數據的質量及分辨率對生成的三維模型精度及準確度有很大影響,在導入點云數據前要盡量保證數據質量,提高點云數據的采集精度及分辨率。根據建模需求選擇合適的參數配置際編輯工具,對建模過程進行優化及調整,以獲得高質量的三維模型。將點云數據導入到Geomagic Studio軟件中,對導入的點云數據進行去除體外孤點及去噪處理,再點擊封裝命令,并對封裝參數進行設置,從而對復雜曲面構造進行擬合建模。選擇模型觀察封裝情況,對模型進行優化處理,如對網格面片存在凹凸不平的面進行平滑、磨砂及三角網修復等精細化處理[8]。

對于規則結構,將點云數據導入3d max軟件中建模,使用3d max插件轉換點云格式,以點云數據為參考,對點云數據進行縮放、旋轉等操作,使用3d max中的各種建模工具建立基座模型,并對模型形狀、顏色、質感等進行調整及優化,導入Geomagic Studio軟件中,與建立好的螺旋鋼板模型進行合并,目標地標建筑整體模型效果如圖5所示。

圖5 合并后的地標建筑三維模型

2.2 三維模型精度驗證

通過圖5可以看出,外觀上,建立好的三維模型整體結構完整,真實感較強,模型質量較高。對模型進行驗證分析,對比實地量測特征點間的距離與模型上量測相應特征點的距離,選擇平面與高程檢查點共12個(YZD1-YZD10),評定方法是直接測量三維實景模型上兩個檢查點的邊長與全站儀實測的邊長,進行偏差計算,結果如表1所示。

表1 實測邊長與模型量測邊長偏差

根據表1實測邊長與模型量測偏差得到邊長中誤差為2.78 cm,最大相對偏差為4.74%,整體來看精度較高。

通常情況下,模型相對誤差不超過建模精度的5%即能滿足相關應用要求,本方法最大相對誤差不超過相關規范,建模精度達到相關要求。

3 結束語

應用三維激光掃描技術對地標建筑進行無接觸掃描,快速獲取目標建筑密集點云數據,基于點云數據建立三維模型,通過精度分析得出模型效果較佳。研究結果表明,三維激光掃描技術在地標建筑三維模型重建中具有較好的應用效果,可為城市規劃、景觀設計、旅游推廣等提供新手段,未來可為智慧城市建設提供可靠的數據支持,令城市管理及服務更加高效、便捷。