基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型重建

(蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院，安徽蚌埠 233000)

基于三維激光掃描技術(shù)的建筑物模型重建

姜如波?

(蚌埠市勘測設(shè)計(jì)研究院，安徽蚌埠 233000)

三維激光掃描是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的測繪技術(shù)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、自動(dòng)化程度高、全方位、非接觸式測量、數(shù)據(jù)獲取海量等諸多優(yōu)點(diǎn)，為建筑物三維建模提供了一種全新的方法。本文在介紹三維激光掃描原理的基礎(chǔ)上，通過某建筑物掃描的實(shí)例，詳細(xì)說明了三維激光掃描獲取數(shù)據(jù)的流程、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)匹配的方法，最后采用兩種不同的建模方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

三維激光掃描；模型重建；點(diǎn)云數(shù)據(jù)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)新興測繪技術(shù)，將傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方式轉(zhuǎn)變成面域點(diǎn)云數(shù)據(jù)測量，它可以對(duì)各種復(fù)雜、不規(guī)則物體的表面進(jìn)行全方位、快速、非接觸式掃描，同時(shí)獲取海量的精確點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)的一項(xiàng)重要意義在于將“實(shí)物精確的數(shù)字化”，它可以真實(shí)描述掃描對(duì)象的三維結(jié)構(gòu)及形態(tài)特征。傳統(tǒng)三維建模采用的方法是以物體近景照片為基礎(chǔ)，通過相應(yīng)的三維建模軟件手工建模，在模型尺寸方面僅僅靠人為估算或者采用傳統(tǒng)測量方法量取個(gè)別點(diǎn)的坐標(biāo)，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，精度不高，建立的三維模型不可量測。而三維激光掃描則克服傳統(tǒng)建筑測量建立三維模型的局限性，使得人們從建筑物大量的長寬高的測量中解脫出來，實(shí)現(xiàn)快速、精確、高效率地建立建筑物三維模型，最終將數(shù)字三維模型存儲(chǔ)到電腦中。正因?yàn)槿S激光掃描技術(shù)如此眾多的優(yōu)點(diǎn)，不少研究學(xué)者正嘗試將其應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，如古建筑文物保護(hù)[1，2]、數(shù)字城市[3]、自然災(zāi)害調(diào)查[4]等領(lǐng)域。

本文在介紹三維激光掃描原理的基礎(chǔ)上，通過對(duì)某建筑物進(jìn)行掃描的實(shí)例，詳細(xì)說明了三維激光掃描獲取數(shù)據(jù)的流程、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)匹配的方法，最后采用兩種不同的建模方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。

2 三維激光掃描原理

三維激光掃描儀的主要構(gòu)造是由一臺(tái)精確的激光測距儀與一個(gè)以均勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)儀器組成。三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個(gè)激光脈沖信號(hào)，經(jīng)物體表面漫反射后，傳回到儀器的接收器，從而獲取到目標(biāo)物的距離和角度，同時(shí)精密時(shí)鐘控制編碼器同步測量每個(gè)激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值θ，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行精確測量，獲得目標(biāo)物的線面等外表特征。三維激光掃描儀采用內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)(如圖1)，其中坐標(biāo)系定義為:坐標(biāo)原點(diǎn)位于激光發(fā)射處，掃描儀初始轉(zhuǎn)動(dòng)軸為X軸，Y軸在橫向掃描面內(nèi)與X軸垂直，Z軸與橫向掃描面垂直，構(gòu)成右手坐標(biāo)系。由此可得到各個(gè)掃描點(diǎn)相對(duì)于儀器的坐標(biāo):

圖1 三維激光掃描儀坐標(biāo)系統(tǒng)

為了獲取建筑物的三維激光掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)，本文采用Trimble GX 200全站式三維激光掃描儀對(duì)一個(gè)標(biāo)志性建筑物進(jìn)行掃描，該儀器測距范圍2m～200m，最大能達(dá)到300m，在100m時(shí)單點(diǎn)精度和測距精度為12mm和7mm，掃描分辨率在100m處可達(dá)到3mm。

3 三維激光掃描數(shù)據(jù)模型重建

三維激光掃描技術(shù)通過激光掃描測量的方法對(duì)物體的整體或局部進(jìn)行高精度的測量，以獲得物體的線面特征、空間關(guān)系等三維數(shù)據(jù)，從中所采集的離散點(diǎn)幾何稱之為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

本文通過對(duì)一個(gè)標(biāo)志性建筑物進(jìn)行掃描獲取其點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)加工處理，最后對(duì)建筑物進(jìn)行三維重建。利用三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建的主要步驟是:數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)重建和模型貼圖。

3.1 三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取

在三維激光掃描儀采集目標(biāo)點(diǎn)云過程中，受到掃描儀視場角、場景的大小的限制，往往儀器不能一次獲取完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，需要從不同角度架站，進(jìn)行多次的掃描獲取多組重疊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在掃描之前，應(yīng)根據(jù)掃描物體的特征、掃描的精度，制定詳細(xì)的掃描方案及確定掃描的點(diǎn)云間隔。同時(shí)，在掃描時(shí)應(yīng)將儀器架在遮擋物少、視野開闊、能更多更好掃描目標(biāo)特征的地方。

本文采用Trimble儀器配套的掃描軟件PointScape進(jìn)行掃描，由于本文只研究點(diǎn)云數(shù)據(jù)重建模型的過程，不需要測量掃描物體精確的大地坐標(biāo)，所以實(shí)驗(yàn)沒有對(duì)測站點(diǎn)及標(biāo)靶所在的位置布設(shè)控制網(wǎng)測量其坐標(biāo)，而是采用任意點(diǎn)設(shè)站。首先對(duì)3個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行掃描識(shí)別，求取其精確的標(biāo)靶中心三維坐標(biāo)，為后面點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)提供參考坐標(biāo)系，再通過PointScape軟件截取需要掃描的區(qū)域及掃描的點(diǎn)云密度，從而在保證掃描點(diǎn)云質(zhì)量的前提下，提高掃描速度，縮短外業(yè)工作時(shí)間。如圖2所示，為其中一站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖3為拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖2 掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

圖3 拼接后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在數(shù)據(jù)采集時(shí)不免受到一些樹木、車流及行人等因素的影響，從而造成獲取的數(shù)據(jù)存在與掃描物體不相關(guān)的噪聲，需要使用一些濾波算法過濾掉遮擋物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以及一些離散點(diǎn)，保留目標(biāo)物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)以便下一步處理，這一過程叫做點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理。數(shù)據(jù)的預(yù)處理是處理過程中尤為重要的一步，這一步直接影響到以后的三維模型三角網(wǎng)重建的效果及建模精度。正因?yàn)檫@一步的重要性，不少學(xué)者進(jìn)行了對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理進(jìn)行了研究，大致可以分為:基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波方法[5]、基于先驗(yàn)信息的濾波方法[6]、基于坡度的濾波方法[7]、移動(dòng)窗口最小二乘擬合的方法濾波[8]等幾種方法。這些方法有的需要反復(fù)迭代，有的只適用于地面高程濾波，有的需要將離散點(diǎn)生成規(guī)則網(wǎng)格再進(jìn)行內(nèi)插影響點(diǎn)云的精度，有的則只針對(duì)特定的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，總體說來每種方法都有其適用性和局限性，目前還沒有一種濾波方法能適用于任何特征的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所以只有根據(jù)掃描目標(biāo)特有的結(jié)構(gòu)，選擇特定的濾波方法。本文采用半自動(dòng)濾波的方法，首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析出目標(biāo)物的點(diǎn)云范圍，設(shè)定一個(gè)閾值，剔除掃描物體范圍外的噪聲。最后，通過人工操作的方式剔除一些無法自動(dòng)濾除的噪聲。

3.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

為了得到被掃描物體的全方位立體點(diǎn)云，仍需將各測站掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)，建立統(tǒng)一的獨(dú)立坐標(biāo)系，形成一組完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。目前，三維激光掃描配準(zhǔn)大體可分為兩種方式:①基于控制點(diǎn)或標(biāo)靶的配準(zhǔn)方法[9]；②最近點(diǎn)迭代配準(zhǔn)方法[10，11]。最近點(diǎn)迭代配準(zhǔn)方法又叫ICP算法，該算法首先需要搜索給定一組點(diǎn)云內(nèi)的點(diǎn)在另一組點(diǎn)云中最近點(diǎn)，然后計(jì)算與最近點(diǎn)的距離，轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下，經(jīng)過反復(fù)迭代直到需找到一組能使兩組點(diǎn)云匹配最佳的轉(zhuǎn)換參數(shù)。該方法由于迭代計(jì)算量大，當(dāng)遇到大場景或點(diǎn)云數(shù)量龐大時(shí)，配準(zhǔn)的精度和速度大大降低。本文采用基于標(biāo)靶匹配的方法，通過3個(gè)同名標(biāo)靶在3組點(diǎn)云中不同的坐標(biāo)求取一組轉(zhuǎn)換參數(shù)，再將3組點(diǎn)云數(shù)據(jù)按式(2)轉(zhuǎn)換到統(tǒng)一坐標(biāo)系下。由于本文采用任意點(diǎn)設(shè)站方式進(jìn)行掃描的，各組點(diǎn)云中標(biāo)靶沒有統(tǒng)一的大地坐標(biāo)，采用以第一站標(biāo)靶的獨(dú)立坐標(biāo)作為基準(zhǔn)坐標(biāo)，后兩站依照第一站的坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)結(jié)果如表1所示。從表1中看出，3站標(biāo)靶的配準(zhǔn)誤差為±2 mm，該精度完全滿足建立三維模型的要求。

式中，(λ，φ，ω，κ，△x，△y，△z)為通過同名標(biāo)靶坐標(biāo)求取的一組轉(zhuǎn)換參數(shù)，其中λ為兩坐標(biāo)系之間尺度縮放系數(shù)；(φ，ω，κ)為旋轉(zhuǎn)參數(shù)；(△x，△y，△z)為平移參數(shù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度 表1

由于生成的點(diǎn)云是由多組數(shù)據(jù)拼接而成，不可避免地存在點(diǎn)云數(shù)據(jù)重疊、疏密不一、數(shù)據(jù)冗余的情況，給后續(xù)三角格網(wǎng)的建立帶來困難，所以需要對(duì)點(diǎn)云整體進(jìn)行重采樣，對(duì)點(diǎn)云的密度進(jìn)行限定。如果重采樣后的點(diǎn)云過密，則生成三角格網(wǎng)過多，造成數(shù)據(jù)量龐大，不利于三維建模的進(jìn)行，如果重采樣后的點(diǎn)云過于稀疏，則生成三維模型表面會(huì)丟失一部分細(xì)節(jié)，因此在點(diǎn)云數(shù)據(jù)重采樣時(shí)，根據(jù)建模精度的要求選定一個(gè)合適的距離閾值，在保障建立模型的精細(xì)程度的基礎(chǔ)上，盡量縮減點(diǎn)云的數(shù)量。

3.4 三維模型重建

激光測距掃描儀獲取的只是點(diǎn)云數(shù)據(jù)，而在實(shí)際應(yīng)用中需要具有應(yīng)用價(jià)值的是含有物體拓?fù)潢P(guān)系及幾何信息的三維模型。模型重建的方式大致范圍兩種:一種是三角網(wǎng)格模型[12，13]，另一種是基于物體特征的實(shí)體模型[14～16]。三角格網(wǎng)模型是將空間中離散點(diǎn)云用三角面片構(gòu)建成物體的表面，這種方法可以通過相應(yīng)的算法自動(dòng)恢復(fù)物體表面。實(shí)體模型是根據(jù)物體的幾何特征構(gòu)建物體表面的面線。

本文分別利用這兩種方法對(duì)匹配后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，對(duì)比分析兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)三角網(wǎng)格建模

筆者對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維格網(wǎng)建模時(shí)借助一款專業(yè)逆向工程軟件Geomagic Studio，首先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成?.asc坐標(biāo)格式的數(shù)據(jù)，再利用Geomagic對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣(如圖4所示)，獲取合適的點(diǎn)間距，為自動(dòng)建立三角網(wǎng)格做準(zhǔn)備，最后通過軟件中自動(dòng)生成Delaunay三角格網(wǎng)(如圖5所示)。由于在數(shù)據(jù)采集時(shí)不免受到樹木遮擋、模型本身形狀的限制，致使獲取的數(shù)據(jù)并不完整，造成在模型表面存在空洞，這些地方無法構(gòu)建三角網(wǎng)，所以在生成三角網(wǎng)格模型后，需要根據(jù)物體本身特征對(duì)模型進(jìn)行修補(bǔ)。

圖4 重采樣后的點(diǎn)云 圖5 三角格網(wǎng)模型

(2)基于特征提取建模

基于特征提取建模方法首先尋找物體表面的特征線(如轉(zhuǎn)折處、尖銳邊)，再采用簡單的線面構(gòu)建物體的外輪廓。本文在參考物體的外表的基礎(chǔ)上，采用AutoCAD和3ds Max等軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成模型的外部輪廓。圖6為基于特征提取的模型。

圖6 基于特征提取建立的模型 圖7 賦予材質(zhì)的三維模型

本文通過兩種建模方法對(duì)比分析得出:三角網(wǎng)模型能根據(jù)算法自動(dòng)構(gòu)建三角格網(wǎng)，節(jié)省大量建模時(shí)間，同時(shí)表現(xiàn)建筑物更精細(xì)、準(zhǔn)確，如圖所示的細(xì)節(jié)都能很好地表現(xiàn)出來，但是這種方法數(shù)據(jù)量較大，無法直接地表示物體的幾何特征；而基于特征提取建模工作量太大，而且沒有三角網(wǎng)模型精細(xì)，一些細(xì)節(jié)部分或不規(guī)則物體難以表達(dá)，但是數(shù)據(jù)量很小，物體表面特征表現(xiàn)較為明顯。兩種建模方法對(duì)比表如表2所示。

三角網(wǎng)建模與特征線建模對(duì)比表 表2

4 結(jié) 語

三維激光掃描儀采用獨(dú)特的點(diǎn)云建模方式，為建筑物建模提供了一種全新的思路。本文通過三維激光掃描儀對(duì)一建筑物掃描，并建立該建筑物的三維模型，同時(shí)介紹了三維激光掃描的原理、獲取數(shù)據(jù)流程、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)匹配的方法，最后采用兩種不同的方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。在利用三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行建模的過程中得出以下結(jié)論:

(1)相比傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量方法，三維激光掃描儀具有數(shù)據(jù)獲取速度快、自動(dòng)化程度高、全方位、非接觸式測量、數(shù)據(jù)獲取海量等諸多優(yōu)點(diǎn)，大大減少了外業(yè)測量的工作量，以其獲取的三維空間數(shù)據(jù)，可快捷地建立精確的三維模型。

(2)通過對(duì)三角網(wǎng)格建模方法和基于特征提取建模方法進(jìn)行對(duì)比分析，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此在重建一個(gè)建筑物模型時(shí)，應(yīng)首先分析建筑物的復(fù)雜程度，結(jié)合兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的建模方法，這樣才能在保證建模精度的同時(shí)，提高建模效率。當(dāng)遇到較為復(fù)雜的物體表面時(shí)，應(yīng)采用三角格網(wǎng)建模；當(dāng)遇到較為規(guī)則、特征明顯的表面時(shí)，應(yīng)采用基于特征提取的建模方法。

雖然三維激光掃描在建筑物建模方面存在很大的優(yōu)勢，但仍有一定局限或問題需進(jìn)一步研究。如受到三維激光掃描視角的局限性，掃描時(shí)很多地方無法掃到，尤其是物體的頂部，因此與航空攝影測量等其他測量手段相結(jié)合是以后的發(fā)展趨勢；快速、準(zhǔn)確將點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取物體的特征，建立完整、逼真的三維模型也是進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容。相信隨著三維激光掃描技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維激光掃描處理技術(shù)也會(huì)越來越成熟，其理論和應(yīng)用都將促進(jìn)空間測量、數(shù)字城市等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

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Building Model Reconstruction Based on the Technology of 3D Laser Scanning

Jiang Rubo
(Bengbu Geotechnical Engineering and Surveying Institute，Bengbu 233000，China)

3D laser scanning is a new surveying and mapping technology which is developed in recent years.It provides a new method to reconstruct3Dmodel of buildings，with high data acquisition speed，high degree of automation，omni-directional，non-contact-typemeasurement，huge data acquisition，andmany other advantages.Based on the introduction of the 3D laser scanning principle，through a case of a building scans，this article describes the process of getting the 3D laser scanning data，the data pretreatment and the datamatchingmethod in detail.At last，this article adopts two differentmodelingmethods to reconstruct 3D model by point cloud data，and analyze their advantages and disadvantages.

3D laser scanning；model reconstruction；point cloud data

1672-8262(2013)03-113-04

P234.4

B

2012—12—27

姜如波(1984—)，男，助理工程師，主要從事城市測量工作。