基于3維激光掃描技術建筑物建模研究

張會霞

(太原師范學院地理科學學院，太原030012)

引 言

地面3維激光掃描技術是一項新興的測繪新技術，已成為空間數據獲取的重要技術手段。同傳統的測量手段相比［1］，3維激光掃描測量技術擁有許多獨特的優勢:(1)數據獲取速度快、實時性強;(2)數據量大、精度高;(3)主動性強，能全天候工作;(4)全數字特征，信息傳輸、加工、表達容易等，獲取的3維數據精度高［2］。

地面3維激光掃描系統獲取的建筑物點云數據，可以用來構建建筑物的3維模型，針對3維建筑物建模的研究，武漢大學LI等人［2］利用車載激光掃描數據進行了建筑物特征提取研究，提出了一套基于建筑物幾何特征的信息挖掘方案，可以直接從激光掃描數據提取建筑物的平面外輪廓信息。LU等人［3］應用平面分割和Hough變換對目標物識別并提取特征點、線、面，建立3維模型。YU等人［4］采用平面擬合算法提取出特征點，進而提取出特征線。這些自動建模的研究離實際應用都還有一定的距離，針對3維激光掃描數據的建模，目前主要是在AutoCAD軟件下線劃模型的構建。

本文中探討了3維激光掃描技術從數據獲取到建模的理論和方法，通過對校園建筑物掃描、數據處理，最終獲得了建筑物的3維模型，采用不同的方法對建筑物進行建模，通過對比分析得出最佳的建模方法，并對3維激光掃描數據建模的應用前景進行了展望。

1 3維激光掃描系統的基本工作原理

3維激光掃描儀根據測量原理可分為脈沖式3維激光掃描儀和相位式3維激光掃描儀。脈沖式3維激光掃描儀測量距離長，相位式3維激光掃描儀測量速度快。相位式測距是利用激光光線的連續波發射，根據光線干涉原理確定干涉相位的測量方法，基于相位測量原理主要用于中等距離的掃描測量系統中，它的精度可以達到毫米量級，掃描范圍通常在100m內。

地面3維激光掃描系統由3維激光掃描儀和系統軟件、電源以及附屬設備構成。3維激光掃描儀的原始觀測數據主要包括:(1)激光束的水平方向角α和豎直方向角θ，這兩個角是根據兩個連續轉動的用來反射脈沖激光的鏡子的角度值得到的(如圖1所示);(2)儀器到掃描點的距離s，這是根據激光傳播的時間計算得到，再根據激光束的水平方向角和垂直方向角，可以得到每一掃描點相對于儀器的空間相對坐標值;(3)掃描點的反射強度f等。點的數據結構為(x，y，z，f)，不僅包含點的空間位置還包含點的反射強度［5］。

Fig.1 Positioning principle of ground 3-D laser scanning system

3維激光掃描點的坐標(x，y，z)，計算公式為:

2 3維激光掃描數據獲取與處理

Fig.2 3-D laser scanning data acquisition and processing chart

3維激光掃描測量時，一般需經過兩個階段:(1)數據獲取;(2)數據處理。其中數據獲取前需要對現場進行勘踏，制定掃描路線，確定測站與標靶的位置及數量，再進行掃描。數據獲取需掃描標靶點云數據、目標物點云數據、有內置相機的掃描儀還可獲取目標物紋理信息、需增加地理參考的可采用全站儀獲取標靶的大地坐標;數據處理主要包括坐標糾正、地理參考、數據濾波、3維建模、紋理映射等操作。圖2為3維激光掃描數據獲取與處理的流程。

2.1 數據獲取

本文中采用Leica公司生產HDS6000 3維激光掃描儀(如圖3所示)和系統軟件CYCLONE在筆記本電腦的控制下進行掃描。在每一測站建立電腦與掃描儀的連接，設置采樣間隔、掃描距離等參量，先掃描標靶的坐標，再掃描建筑物，獲得建筑物和標靶的采樣點點云圖，由于HDS6000 3維激光掃描儀的掃描有效距離只有50m，本項目共掃描13站。為了把儀器坐標系下的點云數據糾正到大地坐標系下，采用全站儀測量標靶坐標，獲得標靶點(x，y，z)坐標。圖4是建筑物一側的點云圖。

Fig.3 HDS6000 3-D laser scanner

Fig.4 One side of the point cloud image of campus buildings

2.2 數據處理

數據處理指的是直接在點云數據上的操作，建立建筑物的3維模型必須經過一系列的數據處理，主要包括坐標糾正、數據濾波等操作。

2.2.1 坐標糾正 坐標糾正又稱為坐標配準，獲取的多站點云數據，由于每一站數據的坐標系都是采用本站的儀器坐標系，配準時需要把不同儀器坐標系下的數據糾正到同一儀器坐標系下。需要用大地坐標系時，還需增加地理參考。坐標糾正可采用七參量算法［6］。實現兩幅相鄰點云圖的配準，只需要選取3個以上已知坐標值的同名點，就可求出一幅點云圖的點在相鄰坐標系下的坐標。

采用CYCLONE軟件的Registration模塊完成點云的坐標糾正。坐標糾正可以采用標靶進行糾正，也可采用點云進行糾正，前者誤差通常為2mm～3mm，后者誤差通常超過1cm。通過選取3個以上的同名點對建筑物點云數據進行糾正，可選用兩兩測站進行糾正，再把糾正好的結果進行糾正，減少誤差的傳播。為了獲得點云數據在大地坐標系下的坐標，需要增加地理參考，把全站儀測量下的標靶坐標當做一個測站，把糾正好的點云數據糾正到大地坐標系下。圖5為糾正好的建筑物點云圖。

Fig.5 Correct and filtered point cloud of campus buildings

2.2.2 數據濾波 掃描過程中受到各種人為的或隨機因素的影響，噪聲點難免混在了點云數據中，常見的誤差有兩類:(1)系統本身因素引起的誤差，通常采用算法減少噪聲點，常用的濾波方法有高斯濾波、中值濾波、平均濾波［7］;(2)突發因素引起的噪聲，如掃描時建筑物前面存在樹木、路燈、行人、車輛等，就會在掃描圖上存在無用的點云，通過對點云的分割和濾波，在CYCLONE軟件的ModelSpace模塊下，采用人工交互的方法，如選取點云數據，手工刪除。除去各測站點云的噪聲點，提取出目標物。圖5為消除噪聲后建筑物濾波的結果。

3 3維建模與紋理映射

3維激光掃描技術一個重要應用是3維建模，3維激光掃描儀獲取的點云數據，經過坐標糾正、濾波，提取出建模所需要的數據，該數據可用于建筑物模型的構建。建立實體或表面模型后，為了增加模型的逼真性，通常3維實體模型上增加紋理，使其成為具有真實紋理的3維模型。用圖像來替代目標物模型中的細節，提高系統顯示速度。如建筑物紋理映射，建筑物表面不僅僅是簡單的墻面，還有門、窗以及其它復雜表面，如果都采用3維模型來表示，將大大增加數據量，影響系統的運行速度，建筑物模型的細節通過紋理映射的方法來模擬出，則兼顧系統對速度和模型對逼真度的要求。

3維激光掃描儀獲取的點云數據可采用以下3種方法進行建模:(1)采用掃描儀自帶的系統軟件進行建模，如萊卡公司的3維激光掃描系統軟件CYCLONE軟件;(2)采用AutoCAD軟件進行建模;(3)采用第3方建模軟件如3DS MAX、SketchUp等來完成建模、紋理映射等。

3.1 系統軟件下建筑物的建模

系統軟件CYCLONE是利用分割技術，把建筑物分為不同的墻體，主要采用區域增長法進行面的擬合;對于不規則幾何體，如曲面，通過構建三角網對物體表面進行逼近;對于規則幾何體，如圓柱等，采用點云匹配算法進行擬合［8-9］。CYCLONE軟件的建模，是在其ModelSpace模塊下完成。在掃描儀獲取的建筑物點云數據上建模主要有以下步驟:(1)定義坐標系;(2)建立參考面;(3)繪圖;(4)圖形轉成面;(5)去除窗戶部分面;(6)增長厚度。圖6為CYCLONE軟件下建立的建筑物外表面模型。

Fig.6 Outside surface model of building with CYCLONE software

3.2 AutoCAD軟件下建筑物的建模

建筑物由于結構的特殊性，測繪領域目前的建模通常是把點云數據導入到AutoCAD軟件下，提取建筑物邊界點、特征線等信息，畫出建筑物的特征線。該軟件下的建模，通常也只是線劃模型，建模工作量大，沒有面，只是線條勾勒出建筑物的墻體、門、窗等邊線。該軟件下不能進行紋理映射，但可繪制橫斷面圖，用于建筑的施工。

3.3 專業建模軟件下建筑物的建模

采用Google SketchUp軟件建立模型，該軟件避免了同類設計軟件3DS MAX，AutoCAD等的復雜性，其易操作性為建模人員節省了大量的時間。優良的材質貼圖系統能很好地表現建筑物模型的質感、增加模型的美觀［10-11］。該軟件不僅可以進行現代建筑的建模，還可進行古建筑的建模，為3維激光技術在古建筑方面的建模也提供了好的技術手段。

CYCLONE軟件處理好的點云數據，可以通過Cloudworx插件導入到AutoCAD軟件，保存成DWG格式文件，在SketchUp Pro 8.0下導入DWG格式的點云數據，進行建模。通過在建筑物點云數據上進行精確的尺寸量測，繪制出墻體、窗戶、門等模型，并進行紋理映射即貼圖處理。利用復制等功能，快速的建好模型。圖7為SketchUp軟件建立的校園建筑物模型。

Fig.7 Building model with SketchUp software

3.4 建模效果的比較

(1)從以上模型的效果看，系統軟件CYCLONE建立的模型不能進行紋理映射，僅僅建立了建筑物的外表面模型。該軟件僅能給點云數據上映射紋理，不能給模型進行紋理映射，只能進行單色的渲染。建模的效率較高、工作量較大。

(2)AutoCAD軟件建立的模型也不能進行紋理映射，該軟件下的點云數據的建模都是線劃模型。該建模方法復雜、工作量大、效果不是很好。如果用于提取建筑物的橫斷面、縱斷面，效果較好。

(3)采用SketchUp軟件進行建模，建立的建筑物模型更逼真，可以進行紋理映射。數據量也不大、精度更高、尺寸更精確。建立的模型可用于數字校園中，如在3維可視化軟件ARCGIS下進行數字校園3維可視化，通過MultiPatch類型數據，把3維模型導入到ArcGlobe系統與影像疊加進行3維可視化，并完成道路、樹木等建模。也可用于古建筑保護中，并可用于網絡發布。

4 結束語

采用3維激光掃描儀獲取建筑物點云數據，實踐證明，SketchUp 3維建模軟件建立的3維模型效果要比系統軟件模型效果更好，模型的應用面更廣，可以在ARCGIS、Skyline等3維可視化軟件下進行可視化，并可用于3維數字校園、古建筑保護等。

［1］ CHEN H P，ZHAO B.Space coordinate measurement based on theodolites and rangefinders［J］.Laser Technology，2013，37(1):77-81(in Chinese).

［2］ LI B J，FANG Zh X，REN J.Extraction of building feature from laser scanning data［J］.Geomatics Information Science of Wuhan University，2003，28(1):65-70(in Chinese).

［3］ LU X Ch，GONG H L，ZHAO W J，et al.3-D visualization modelling based on laser scanning data［J］.Journal of System Simulation，2007，19(7):1625-1629(in Chinese).

［4］ YU H X，WU K，AO J F，et al.Extraction of building’s feature lines based on 3-D laser scanning technology［J］.Laser Technology，2012，36(4):553-556(in Chinese).

［5］ LIU Ch，YANG W.Capturing and modeling spatial features using three dimension laser ranger scanning［C］//The 2005 China Digital City Development Strategy Forum.Xi’an:Xi’an Map Publishing House，2005:315-321(in Chinese).

［6］ ZHENG D H.The theory and method of 3-D laser scanning data processing［D］.Shanghai:Tongji University，2005:32-35(in Chinese).

［7］ TANG F F，RUAN Zh M，LIU X.Research of filtering method for urban airborne LIDAR data［J］.Laser Technology，2011，23(4):527-530(in Chinese).

［8］ ZHANG H X，ZHU W B.Theory and application of data processing of 3-D laser scanning［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2012:89-90(in Chinese).

［9］ ZHANG H X，CHEN Y J，LIU G B.Campus building modelling based on 3-D laser scanning［J］.Engineering of Surveying and Mapping，2010，19(1):32-34(in Chinese).

［10］ XU H W，FANG X L，REN J Y，et al.3-D Modeling technology of digital city based on SketchUp［J］.Science of Surveying and Mapping，2011，36(1):213-215(in Chinese).

［11］ XU H W，FAN X H，REN J Y，et al.Research on 3-D visualization of digital city based on SketchUp and ArcGIS［J］.Bulletin of Surveying and Mapping，2010(3):52-54(in Chinese).