三維激光掃描技術在建筑物重建中的應用

張亞

(陜西鐵路工程職業技術學院測繪工程系，陜西 渭南 714000)

三維激光掃描技術(又被稱之為“實景復制技術”)突破了傳統的單點測量方法，通過對物體表面進行無接觸掃描，把真實世界的信息轉換為計算機可以處理的數據信息的測量方法。由于其在測量中能應用于各種物體表面點云數據采集，且速度快、精度高、計算準確，近年來得到了長足的發展和廣泛的應用。

本文使用徠卡 ScanStation2三維激光掃描儀、尼康DTM352全站儀以及富士相機獲取數據信息。根據獲取的數據信息，探討了點云數據處理和三維建模等技術，提出了建筑物三維模型重建的方法。

1 實施方案

基于三維激光掃描數據的建筑物重建技術主要是對三維激光掃描儀獲取的點云數據進行一系列后續的處理完成的。本文首先對三維激光掃描儀的掃描數據進行拼接，形成的建筑物三維點云數據模型;其次，進行建筑物表面的點云數據進行分類和預處理，主要包括數據的拼接、點云濾波;再次，對符合要求的點云進行擬合、建模;最后，對建筑物進行紋理渲染，獲得建筑物逼真的三維模型。

2 數據采集

針對建筑物表面的數據采集有多種方法，根據數據的特點本文通過三維激光掃描儀獲取了大量的原始點云數據，同時借助數碼相機獲取建筑物表面的紋理數據。具體方法如下:

原始點云數據的采集是通過三維激光掃描儀獲取，首先把掃描儀架設在掃描區域中的控制點上完成掃描儀的定向，然后在Cyclone軟件中設置掃描過程中的參數，包括分辨率、掃描的范圍和距離等，由掃描儀自動進行掃描，獲取建筑物表面三維點云數據。

紋理數據采集主要使用的數碼相機采集。建筑物表面紋理的采集要選擇變形較小的區域拍攝，要盡量避免建筑物前樹木、車輛等其他物體的遮擋，同時要在光線充足且反光最小的角度拍攝。

3 數據處理

通過三維激光掃描儀獲取的原始點云數據量非常大，且有噪聲數據存在。根據建模要求需要對點云數據中的噪聲數據進行剔除，才能得到后續建模過程中需要的數據。

3.1 數據去噪

數據在獲取的過程中由于受外部環境和儀器本身等多種因素的影響，常常會產生一些噪聲點，這些噪聲點非常容易使模型在重建過程中產生誤差，所以在數據處理過程中必須剔除這些噪聲點。對于一些比較明顯的噪聲點(比如移動中的車輛、路上行人及樹木等對被掃描目標的遮掩或阻擋導致的外界因素使我們最終獲取的掃描點云數據中包含不穩定點或錯誤點)一般常采用肉眼判定然后直接刪除。對于那些不明顯的和由于儀器本身原因產生的噪聲根據激光掃描回波信號的強度來辨別，如果回波信號的強度小于閾值時，則距離信號值判為無效，利用中值濾波，剔除其中的奇異點，然后利用曲面擬合剔除前面的遮擋物。點云去噪根據情況的不同做相應的處理，主要通過手動和軟件相結合的方式，達到對噪聲點去除的目的(見圖1)。

圖1 去噪前后的建筑物點云模型對比

3.2 數據拼接

對于多視點的點云數據拼接采用基于控制點的拼接方式，這樣可以提高拼接精度。多視點云數據在基于控制點坐標形式拼接的時候把控制點坐標以約束條件的形式添加進去，這樣可以直接把掃描到的多個測站的點云數據轉換為實際需要的工程坐標系。本文方案是通過全站儀得到精度較高控制點，使得基于多視點的點云數據拼接精度也相對較高，數據拼接誤差一般都在2-4mm之間(見圖2)。

圖2 基于控制點三維坐標的多視點云數據拼接

3.3 紋理數據

在紋理數據采集的時候所拍攝的照片不可能都是正視拍攝，所以照片不可避免的出現變形，這樣就需要對采集的照片進行變形糾正處理。由于所用到的紋理數據大部分都是規則形狀的，根據這個特點選中所要編輯的部分，利用Photoshop中的變換工具，通過拉伸、切割等就可以將照片恢復到其規則形狀。

紋理數據的大小對三維模型數據量有著直接的影響，所以在不影響貼圖真實性的情況下調整紋理的大小，矩形貼圖的長寬必須是2的偶次冪，這樣有利于軟件對紋理數據的處理，在Photoshop中我們需要將紋理數據的大小調整為2的偶次冪，根據貼圖的大小來調整紋理的大小，過大的話會影響處理的速度，過小的話在紋理映射的時候會出現拉扯的情況而使貼圖扭曲變形。

4 三維模型重建

對點云數據的模型重建可以分為以下兩種方法:一種是點云數據的三維表面模型的重建，主要是通過構造網格也就是三角面片來逼近掃描物體的表面;一種是幾何模型的重建，常見的是輪廓模型或斷面輪廓。重建的重要的前提就是點云數據拼接匹配和濾波完成，對于三維點云數據表面模型的重建，就是將統一坐標系里的點云數據快速的生成三角面片，三角面片的間隔由用戶自己設定，間隔小生成的面片就越多，所以此時就應該根據計算機所能處理數據的能力來設定間隔，生成的三角面片是把重復的部分變為單層和一個完整的模型。［2］對于幾何模型的重建，主要是根據點云數據，利用幾何體比如點、線、面體等對物體進行擬合，如對房屋輪廓、管道、馬路等進行幾何擬合。由于本次點云數據量龐大，通過構造三角面片進行重建的效率較低，幾何模型重建的方法相比較而言比較適用于建筑物的輪廓重建，所以本次重建模型就是利用幾何模型重建的方法根據相應軟件進行建模。

4.1 坐標系調整

調整坐標系使x、y軸和房屋的中心軸平行，這樣可以建立房屋一半的模型，利用復制、旋轉、粘貼完成其余對稱部分的建模，減少工作量。另外這種情況下也可以很好的使用參考面，提高建模的效率。

4.2 數據切割

點云數據中的每個數據包含點自身的三維數據信息，但是每個點之間彼此孤立，沒有明確對應的信息。大多數點云分割的方法均用點云的一致性法矢或三角網格來實現高階微分計算或點云鄰域遍歷，或者通過使用諸如多叉樹等復雜數據結構或者選擇耗時的迭代過程。這些方法都離不開計算大量點云之間的拓撲關系，計算量大，分割效率低。［3］本文通過基于圖像(反射面強度信息)的方法，根據每個點云數據的強度信息，從這些強度信息中分割出感興趣的且強度信息一致的目標物體區域，將繁瑣的點云分割變為簡單的圖像處理，避免了大量點云數據之間的拓撲計算。

4.3 分區建模

對于三維模型的重建，主要是根據點云數據，利用幾何體比如點、線、面體等對物體進行擬合，本文是利用的Cyclone軟件的建模功能。Cyclone軟件的一個強大的功能是利用點云去進行精確計算，擬合出幾何體的形狀，通過這些幾何體來建模表現建筑物。本次建模是對建筑物的精細建模，在建模的過程中把切割出來的各個墻面、窗戶、臺階、房檐等分別進行建模(見圖3)，分區建模是為了避免其他點云數據的影響;通過上述處理擬合出各個面的基本形狀，但是還不足以反映建筑物的三維輪廓，還需進一步對模型進行編輯，通過對各個面進行延伸、裁剪，得到精確的建筑物三維模型(見圖4)。

4.4 紋理映射

把經過前面步驟得到的三維模型，它已經具有很好的幾何準確性，但是我們為了能滿足可視化的需要，還原真實的三維建筑物，就需要對三維模型添加真實的紋理色彩。3ds MAX提供了一個強大的材質制作平臺，依靠這個平臺可以制作出質感高度逼真、形式千變萬化的材質效果。首先是編輯建筑物的墻面，對墻面做切割處理，使墻面的形狀有利于后面的貼圖工作，然后把各個面歸類，如房頂、臺階、窗戶、墻面等。最后把處理好的紋理數據分別對房子的各個部分進行紋理映射，使所建立的模型達到逼真的效果(見圖5)。

圖5 紋理映射后的三維模型

5 問題與探討

三維激光掃描技術雖說具有非接觸測量、數據采樣率高、高分辨率、高精度等特點，并且在三維重建中能很好的還原建筑物的真實面貌，但是在實際應用中還存在很多問題:

(1)在對點云數據的平滑、去噪等方面的具體方法還需要進一步研究。

(2)數據盲區的修補。在掃描過程中有些地方是沒有辦法掃描到點云數據的，但是這部分區域數據的缺失對于后續的建模會帶來一定的影響。

(3)點云數據質量的評價。高質量的點云數據能得到精確的三維模型，但是現在對點云數據質量的評價方面所做的工作非常有限，一般是基于點云應用方面的研究，如果對采集到的點云數據作出質量評價，分析出點云質量的好壞，確定采集點云的可利用性，對后續的研究有很大的幫助。

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