利用三維激光掃描技術進行建筑物室內(nèi)外一體建模方法研究

楊 林，盛業(yè)華，王 波

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210023)

利用三維激光掃描技術進行建筑物室內(nèi)外一體建模方法研究

楊 林，盛業(yè)華，王 波

(南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇南京 210023)

面向建筑物室內(nèi)外一體精細建模，探討基于三維激光掃描技術實現(xiàn)過程中三維激光點云數(shù)據(jù)采集、拼接、配準、特征提取及三維模型構建等關鍵技術，重點針對室內(nèi)外一體建模目標下點云外業(yè)和內(nèi)業(yè)的具體處理方法，并結合具體實例，驗證了技術方案的可行性和有效性。

三維激光掃描；建筑物；室內(nèi)外；建模

一、引 言

數(shù)字城市是近年來的研究熱點。精確重建的建筑三維模型在建筑方法研究、安全監(jiān)控、建筑物修復、城市規(guī)劃設計等方面具有極其重要的意義。隨著地面三維激光掃描系統(tǒng)軟硬件的不斷完善，將地面三維激光掃描系統(tǒng)應用于建筑物三維重建方面受到極大關注，特別是在激光點云數(shù)據(jù)去噪、激光點云與數(shù)字影像的配準、離散激光點云的構網(wǎng)、三維模型的紋理映射等方面。目前已有研究多是對建筑物外表面進行建模[1-2]，而缺少對建筑完整信息的表達。本文以南京師范大學地理科學學院行遠樓的室內(nèi)外一體建模為例，探討三維激光掃描技術在復雜建筑物三維重建中的關鍵技術和難點，實現(xiàn)對建筑結構的三維建模、空間量測和分析等功能。

二、三維激光掃描技術

三維激光掃描系統(tǒng)是一套由掃描儀硬件、CCD影像采集系統(tǒng)(可選項，用于獲取地物紋理影像數(shù)據(jù))和軟件部分等組成的系統(tǒng)，其中最主要的組成部分是三維激光掃描儀，軟件部分包括系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件等。除此之外，三維激光掃描系統(tǒng)還可配備GPS定位系統(tǒng)、全站儀等常規(guī)測繪儀器，為后續(xù)進行地理空間數(shù)據(jù)獲取及數(shù)據(jù)拼接提供支持。根據(jù)掃描的空間位置或系統(tǒng)運行平臺不同[3]，可分為機載激光掃描系統(tǒng)、地面激光掃描系統(tǒng)和便攜式激光掃描系統(tǒng)。面向建筑物三維重建主要是采用地面激光掃描系統(tǒng)。

三維激光掃描儀是三維點云數(shù)據(jù)采集設備，主要包括激光發(fā)射器、激光反射鏡、激光自適應聚焦控制單元、光機點自動傳感轉(zhuǎn)置等[4]。三維激光掃描儀內(nèi)部主要通過兩個同步反射鏡快速有序地旋轉(zhuǎn)，一個水平360°旋轉(zhuǎn)，另一個垂直180°旋轉(zhuǎn)，兩者相互配合將激光脈沖發(fā)射器發(fā)出的激光脈沖依次掃過被測物體表面，并測量每個激光脈沖從發(fā)出到接收的時間差(或相位差)來計算距離，掃描控制系統(tǒng)控制和測量每個激光脈沖的水平角度與垂直角度，根據(jù)空間三角函數(shù)原理計算出激光點在被測場景中的三維坐標信息。

以地面三維激光掃描系統(tǒng)為例，其工作原理是：三維激光掃描儀發(fā)射器發(fā)出一個激光脈沖信號，經(jīng)物體表面反射后，幾乎沿相同的路徑反向傳回到接收器，系統(tǒng)根據(jù)往返時間差或相位差計算目標點與掃描儀掃描中心的距離S，控制器同時測量出每個激光脈沖橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β，如圖1所示。

圖1 三維激光掃描儀數(shù)據(jù)采集幾何示意圖

根據(jù)式(1)可獲得反射點P的坐標

三、室內(nèi)外一體建模方法

1.數(shù)據(jù)采集與預處理

數(shù)據(jù)采集包括根據(jù)掃描對象和周圍環(huán)境進行設站，站間標靶的安置，采集參數(shù)的設置，如掃描區(qū)間(角度范圍)、分辨率，以及外業(yè)數(shù)據(jù)的掃描等。

對于室內(nèi)外一體建模的數(shù)據(jù)采集，特別要注意3個問題：①由于室內(nèi)環(huán)境下掃描距離較近，室內(nèi)部分掃描參數(shù)需要重新配置，相對室外掃描分辨率可設置低一些；②由于室內(nèi)視線近，很容易產(chǎn)生死角和盲區(qū)，因此要多設測站；③站間距離較近，因此對用于配準的標靶點的放置提出了更高的要求，因為標靶到測站的距離及標靶間的空間分布都有一定的限制條件，此時可選用腳架作為標靶的載體，靈活選點。

(2)數(shù)據(jù)濾波

上述過程采集得到的往往是包含地形、建筑物和其他地物數(shù)據(jù)的原始數(shù)據(jù)，這時需要進行預處理，得到比較純粹的建筑物數(shù)據(jù)。此過程主要是進行去噪濾波，即針對掃描現(xiàn)場的復雜性，去除遮擋和非建模對象掃描點等噪聲點，如地面部分、樹木、行人等。處理的方法有兩種：①對于明顯的大量噪聲點(如地形點)，可通過已有的點云處理軟件交互完成；②對于原始點云數(shù)據(jù)中的錯誤點和含有粗差的點，可通過編程實現(xiàn)剔除，包括根據(jù)激光掃描回波信號強度辨別，利用中值濾波、曲面擬合等方法處理，同時可提高數(shù)據(jù)處理的自動化程度。

(3)點云與影像匹配

眾所周知，影像具有特征連續(xù)、光譜紋理信息豐富等特性，基于影像進行特征提取有極大的優(yōu)勢，但是影像精度相比三維點云較差。因此，進行點云與影像的匹配，實現(xiàn)三維點云與二維影像的空間映射，為后續(xù)利用影像特征輔助點云數(shù)據(jù)進行特征提取和精細建模提供基礎數(shù)據(jù)。

度量可以是因人而異的，度量單位就是把不同個體的度量方法標準化，是為了對度量的結果進行傳播和交流的需要．因此，度量單位的制定必須能夠表達度量的本質(zhì)，方法科學、表達準確、相對穩(wěn)定，能夠得到人們的廣泛共識．

要實現(xiàn)點云與影像的空間映射，首先需要確定影像上像素坐標與三維點云的對應關系，即需要對點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進行配準。在影像數(shù)據(jù)中，每個像素點空間位置的對應關系由相機成像幾何模型參數(shù)決定。以最簡單的針孔模型為例，需要對相機成像過程中涉及的坐標系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換，包括世界坐標系到相機坐標系、相機坐標系到圖像坐標系、圖像坐標系到像素坐標系之間的轉(zhuǎn)換。經(jīng)過這3次坐標轉(zhuǎn)換，才能將地理空間中的三維數(shù)據(jù)投影到二維平面中[5]。此類研究較多，本文此處不再贅述。

2.數(shù)據(jù)配準

掃描儀通過獲取表征目標實體表面特征的密集點云的空間三維坐標，為地面對象尤其是建筑物的高精度表面測繪和建模創(chuàng)造了條件。復雜地面對象表面易于產(chǎn)生掃描線遮擋，導致無法通過一次設站獲取完整覆蓋掃描對象表面的點云數(shù)據(jù)，因此必須在環(huán)繞掃描對象一周的不同位置設站，采用多測站、多視角掃描方式，對掃描對象不同部位分別掃描，獲得該對象各個部位的分塊點云數(shù)據(jù)，再通過分塊數(shù)據(jù)配準才能獲得完整的掃描對象。

地面三維激光數(shù)據(jù)配準是地面三維激光技術的重點和難點，配準的精度直接影響到后期成果的精度。數(shù)據(jù)配準就是把不同視點的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個坐標系下，使之成為一個整體。每一個視點的數(shù)據(jù)都有一個獨立的測站坐標系，通過一個旋轉(zhuǎn)矩陣和原點的三維平移可找出兩個測站坐標系的關系，繼而實現(xiàn)測站間的數(shù)據(jù)配準。現(xiàn)有的地面三維點云數(shù)據(jù)配準方法大致分為基于特征的數(shù)據(jù)配準和迭代數(shù)據(jù)配準[6]，前者通常是通過設置多對控制點標靶作為特征，或在兩視點數(shù)據(jù)之間選取明顯的共同特征作為配準特征，如同名可視平面或同名直線進行配準；后者是通過計算兩相鄰測站初始點集的最近距離點對(至少3對初始同名點)實現(xiàn)測站間坐標系的轉(zhuǎn)換，經(jīng)過迭代計算得到兩視點配準的最佳矩陣。目前利用特征配準的方法，特別是利用控制點配準的方法，其數(shù)據(jù)配準精度較好、方便可靠，但需要前期外業(yè)布控。由于特征不足、特征不夠清晰也會造成配準失敗，因此，需要多種配準方法配合使用，甚至要對現(xiàn)有的配準方法加以改進才能使配準效果達到最好，如基于測量平差理論的自動拼接方法[7-8]。

3.室內(nèi)外一體建模

模型是對實體對象的抽象表示，對建筑物進行三維建模，才能對其進行三維真實表達，進而才可能在計算機中對建筑物進行仿真、模擬和分析。

(1)模型的選擇與表達

根據(jù)三維模型表示的方式不同，對點云數(shù)據(jù)進行三維模型重建有兩種方法：一種是三維表面模型重建，主要是構造網(wǎng)格(三角形網(wǎng)格等)逼近物體表面；另一種是幾何模型重建，常見于CAD中的輪廓模型。前者構網(wǎng)方法簡單，適用于地形數(shù)據(jù)建模，但對于點云這樣的大數(shù)據(jù)量不適用；后者先把點云轉(zhuǎn)化為實體模型，然后提取實體模型的輪廓線或特征線，生成CAD等模型，適用于建筑物等較規(guī)則實體對象的建模。面向圖形表示的幾何模型又分為點模型、線模型、面模型和體模型4類[9]。

(2)特征提取

基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物建模的特征提取可基于點云和影像的融合來進行。圖2是對應的技術路線圖。基于點云的特征提取方法有基于激光回波信號強度、曲率、梯度、距離等[10]。基于影像特征提取的方法研究較多，目前常用的特征提取算法如離散余弦變換、小波變換、Gabor濾波器組、共生矩陣、灰度直方圖等[11]，本文不再贅述。

圖2 基于點云與影像融合的特征提取技術路線圖

在分別獲取點云和影像特征的基礎上，利用點云和影像間的空間映射模型，將二維影像特征投影到三維空間，并作為初始特征，輔助點云進行更精細的特征優(yōu)化。

實際特征提取的過程中，由于點云分辨率的空間分異性、材質(zhì)的反射差異、影像拍攝角度、光照陰影、建筑物表面非幾何特征(如裝飾線條)的干擾，非地物目標的遮擋等原因，導致初步特征提取的結果往往不能滿足建模的要求，需要進行特征處理，如細節(jié)修補、錯誤特征的刪除等。最后，確定特征單元的鄰接關系，以確定建筑物表面總的拓撲結構，為后續(xù)的物理建模提供基礎。

(3)室內(nèi)外一體建模

在不同的幾何模型表達方法中，線框模型方法原理簡單，應用比較廣泛。線框是相鄰表面或物體外形的交線，通過找出點云中共面的點，然后把這些點擬合成面，最后利用相鄰的面拓展相交，即可求出面與面的交線，構造出物體的三維線框模型；或提取點云中位于輪廓線上的掃描點，然后把這些點擬合成輪廓線，構造出物體的輪廓線框模型。這種方法適合用于建筑物中平面較多的情況，能快速地擬合出恰當?shù)钠矫妗?/p>

值得注意的是，室內(nèi)建模部分由于近距離掃描，樓內(nèi)拐角較多，很容易出現(xiàn)部件掃描不全或完全漏掃的情況。解決方法一種是加密掃描站，另外一種是利用建筑部件空間結構特征與空間關系進行擬合，如可以通過兩相交平面空間延伸交會擬合漏掃的拐角，通過墻面夾角擬合被遮擋的其他墻面等。這種處理方法在一些通用的點云處理軟件中都有。

四、應用實例

本研究中采用FARO Focus3D 120三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)獲取，其三維激光掃描儀精度較高，最高分辨率在10 m處點間距0.9 mm，25 m處達到2 mm，測速快、穩(wěn)定性好，掃描速度可達到近100萬點/s，完成全景(水平360°)的最高精度掃描只需要10 min左右，而且外形輕巧，操作方便。外接相機經(jīng)過高精度標定，能夠滿足應用要求。

本文以南京師范大學行遠樓為例(如圖3所示)，進行室內(nèi)外一體化建模試驗。利用FARO三維掃描儀對該樓外立面、內(nèi)部結構及420會議室、421實驗室等進行三維點云數(shù)據(jù)采集、建模試驗。共采集實驗數(shù)據(jù)18站(包括外圍9站，天井與室內(nèi)部分共9站)，測站空間分布如圖4所示，數(shù)據(jù)配準后點云數(shù)據(jù)量接近3億。

圖3 原始影像

圖4 點云數(shù)據(jù)采集測站分布圖

配準采用標靶球為連接特征點，輔助以同名面特征進行坐標轉(zhuǎn)換。整個建筑配準后的點云如圖5所示，其中從天井俯視的室內(nèi)細節(jié)如圖6所示。

本文采用面向?qū)ο蠹夹g進行三維建模。首先實現(xiàn)點云和影像特征的提取與融合，對海量點云數(shù)據(jù)進行抽稀，然后選擇線框模型進行模型表達。利用PointCloud軟件和AutoCAD軟件平臺對模型進行三維模型構建和可視化的后處理工作。試驗對行遠樓每個樓層、窗戶等進行精細建模，建模結果如圖7所示。

圖5 點云配準圖

圖6 室內(nèi)(天井)點云俯視圖

圖7 地科院建模結果(無紋理)

五、結束語

基于三維激光掃描技術的建筑物室內(nèi)外一體精細建模方法適合于大多數(shù)的城市建筑，簡單高效，可大量節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間，為城市三維建模等提供基礎數(shù)據(jù)。但是也存在兩個問題：①線框模型方法只適合于擬合平面，對于復雜不規(guī)則建筑曲面難以擬合，從而無法得到理想的效果，需要單獨處理；②點云數(shù)據(jù)量太大，普通PC機無法對點云數(shù)據(jù)進行處理，如點云查看、刪減、拼接等，這些操作需在圖形工作站上完成，而且速度較慢，因此如何對點云建立索引結構，以實現(xiàn)在非工作站完成大量點云的操作建模，也是需要研究的問題。

[1] 白成軍，吳蔥.文物建筑測繪中三維激光掃描技術的核心問題研究[J].測繪通報，2012(1)：36-38.

[2] 張愛武，孫衛(wèi)東，李風亭.基于激光掃描數(shù)據(jù)的室外場景表面重建方法[J].系統(tǒng)仿真學報，2005，17(2)：384-387，391.

[3] 馬立廣.地面三維激光掃描儀的分類與應用[J].地理空間信息，2005，3(3)：60-62.

[4] 毛方儒，王磊.三維激光掃描測量技術[J].宇航計測技術，2005，25(2)：1-6.

[5] 仇兵.面向三維激光掃描的真實感紋理映射技術研究[D].南京：南京理工大學，2009.

[6] 丁延輝.地面三維激光數(shù)據(jù)配準研究[J].測繪通報，2009(2)：57-59.

[7] 盛業(yè)華，張卡，張凱，等.地面三維激光掃描點云的多站數(shù)據(jù)無縫拼接[J].中國礦業(yè)大學學報，2010，39 (2)：233-237.

[8] 張劍清，翟瑞芳，鄭順義.激光掃描多三維視圖的全自動無縫鑲嵌[J].武漢大學學報：信息科學版，2007，32 (2)：100-103.

[9] 路興昌，宮輝力，趙文吉，等.基于激光掃描數(shù)據(jù)的三維可視化建模[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19(7)：1624-1629.

[10] 劉春，陳華云，吳杭彬.激光三維遙感的數(shù)據(jù)處理與特征提取[M].北京：科學出版社，2010：128-177.

[11] 趙一凡，夏良正，潘泓.基于輪廓波的紋理圖像特征提取方法[J].信號處理，2010，2(2)：161-165.

[12] 龔俊，朱慶，章漢武，等.基于R樹索引的三維場景細節(jié)層次自適應控制方法[J].測繪學報，2011，40(4)：531-534.

[13] 盧秀山，鄭作亞，王冬，等.3Dsurs系統(tǒng)激光掃描點的理論精度評定[J].測繪學報，2010，39(2)：202-206.

3D Reconstruction for Indoor-outdoor Architecture Based on 3D Laser Scanning

YANG Lin，SHENG Yehua，WANG Bo

P237

B

0494-0911(2014)07-0027-04

2013-03-22

國家自然科學基金(41101377)；江蘇省測繪科研項目(JSCHKY201111)

楊 林(1976—)，女，湖北武漢人，博士，副教授，從事數(shù)字攝影測量和GIS方面的研究。

楊林，盛業(yè)華，王波.利用三維激光掃描技術進行建筑物室內(nèi)外一體建模方法研究[J].測繪通報，2014(7)：27-30.

10.13474/j. cnki.11-2246.2014.0218