激光點云建模與傳統建模方法的比較

史宜南，代偵勇，劉 鵬

（1.武漢大學 資源與環境科學學院，湖武漢 430079；2.武漢大學 中國南極測繪研究中心，湖武漢 430079）

激光點云建模與傳統建模方法的比較

史宜南1，代偵勇1，劉 鵬2

介紹了激光點云建模與傳統3DMax建模技術的工作原理、實現流程和成果表達形式，結合實例從數據獲取途徑與建模方法兩方面對二者進行對比，證明激光點云建模技術可以快速、精確地建立三維實體模型，對比結果能夠為實際工程領域中的建模需求提供參考。

三維建模；激光點云；三維激光掃描系統； 3DMax建模

建模技術是虛擬現實中的技術核心，虛擬現實對世界反映的真實性狀況與建模技術有著密切的關系。隨著計算機軟硬件水平的提升和可視化技術的快速發展,模型重建技術也更加成熟。傳統的建模方法按技術手段和表現形式分為2種：基于幾何模型建模技術和基于圖像建模技術[1-2]。常用的三維建模軟件有：3DMax、AutoCAD、Google SketchUp等。基于幾何模型的建模技術操作簡單，但數據采集和建模流程費時費力；基于圖像的建模技術對數據精度的要求較高，針對規則物體建模效果較好，但不適用于復雜物體。如何高效、準確地獲得數據、建立模型，成為當前普遍關注的焦點。

作為近年來出現的新型模型重建技術，激光點云建模技術拓展了模型重建技術的實現手段,在數字城市、工程規劃、古建筑保護等眾多領域發揮著重要作用。本文通過新技術與傳統方法的對比，突出了激光點云建模技術的優勢及應用前景。

1 三維建模方法的應用研究

三維建模主要環節包括：空間數據獲取、數據處理、模型建立、模型可視化。三維空間模型分為地形模型和地物模型。地物模型非常復雜，又可以歸納為：建筑物模型（簡單建筑物、復雜建筑物）；構筑物模型（雕像）；道路模型；環境景觀模型（草地、樹木、河流等）；其他地物模型（路燈、垃圾桶等）[3]。地物有自身的空間屬性特征,需要采用不同的數據結構和建模方法。

本文以某地區的奧特萊斯廣場為例，分別采用傳統3DMax建模和激光點云建模技術進行主要模型重建，深入分析了二者的工作流程及特點。

1.1 傳統建模方法的應用

傳統幾何模型建模技術工作原理是：以矢量幾何數據為基礎，采用模型構建軟件建立三維模型，模型紋理圖片用數碼相機獲得，再經過照片糾正處理后進行貼圖。采用3DMax、AutoCAD軟件進行模型構建，是幾何模型建模技術最常用的方法。利用3DMax軟件完成區域內主要場景的建模,技術流程如圖1所示。

圖1 3DMax建模流程圖

1.2 激光點云的建模方法應用

激光點云建模技術是根據三維激光掃描儀獲取包含三維坐標的點云數據，通過數據預處理和配準處理等操作，進一步提取有效數據，進行曲面和實體構造，最終得到三維模型。工作步驟包括：①數據采集，通過三維激光掃描系統實地獲取目標實體的點云數據、紋理信息；②數據處理，包括多站點數據配準、拼接、去噪、重采樣等處理；③三維建模，根據不同的點云特征，建立三維空間數據模型；④紋理映射，紋理信息映射到模型上，形成模型的真實紋理。技術流程如圖2所示。

圖2 激光點云建模的技術流程圖

點云建模需要滿足2個條件,第一，數據必須是配準的,融合為一個整體；第二，重建的表面與融合的數據拓撲關系一致。這就要求在進行建模前，需要將點云數據在StudioClouds軟件中進行處理操作。數據拼接與坐標糾正是數據采集時在相鄰區域設置至少3個以上的標靶點，將不同站點不同角度掃描得到的點云數據統一到同一坐標系下，再根據得到的大地坐標，將拼接好的數據轉換到大地坐標系下；數據去噪是利用軟件中去除噪聲、去除特征等功能，結合人工分析的方法刪除遮擋被測實體的樹木、行人等障礙數據；重采樣是對數據進行優化，通過重采樣獲得大于2 mm任意間距的點云數據，減少數據量，提高效率。處理后的點云數據如圖3所示。

2 對比分析

2.1 數據采集對比

傳統獲取數據方法是通過外業測量和資料收集，獲取空間實體的CAD地形圖、模型照片等數據。三維激光掃描系統通過記錄激光脈沖從發射到接收回波之間的時間差得到實體與掃描儀中心的距離。編碼器通過測量脈沖的角度來獲取被測物體的三維坐標，獲取實體表面完整的點云數據和紋理信息，包含被測物體空間尺寸和反射率信息，同時其內置的數碼相機也相應地采集到被測物體的照片[4-5]，獲取的數據真實、可靠。

本次對比實驗為了更好地突出三維激光掃描儀獲取數據的優勢，分別采用Reigl VZ-1000三維激光掃描儀和傳統的全站儀對研究區域進行數據采集。結果顯示，采用Reigl VZ-1000三維激光掃描儀和StudioClouds系統控制軟件進行掃描，3個外業測量人員用了1 d的時間，通過設置32個站點就完整地掃描了奧特萊斯廣場上共11座建筑，獲取的有效數據點達4千多萬。同樣的區域，通過傳統的全站儀測量需要6個人花費3 d的時間才能完成，數據獲取的能力有限，外業工作量大。因此，利用三維激光掃描儀可以省時省力并獲取豐富精確的數據。

2.2 建模方法及效果對比

基于3DMax，構建地形、地貌模型，一般利用軟件的功能模塊由等高線和高程點生成DEM。構建建筑物模型，根據得到的地形圖數據構筑建筑物的幾何輪廓，在3DMax中，以實地測量的建筑物長寬高數據為基礎，按照實體輪廓拉伸成具有高度的實體模型[6]，生成的實體模型如圖4所示。構建環境景觀和其他地物模型一般通過紋理貼圖或直接使用三維模型庫中模型的方法來實現。但是通過建模的過程和最后模型的呈現可見，3DMax建模方式單一，獲取的數據離散，失去了很多細部特征，幾何信息不準確。特別是對復雜實體建模時不能很好地表現建筑的細節特征。

圖4 3DMax生成的實體模型

激光點云建模的方法有2種：①點云數據表面模型制作,通過構造三角網格逼近掃描物體表面來構建實體的三維模型。②幾何模型制作,通過分割點云數據來提取實體的幾何輪廓從而進行模型重建[7]。由于激光掃描儀采集的數據是離散的，需要把點云分類，采用的是數據濾波分類與點云數據與影像數據融合相結合的方法。對于不同的實體類型，應參考點云數據的特點及建模需求采用相應的建模方法[8-9]，主要有：

1）地形模型建模。采用投影后構建平面三角網的方法，即將點云數據投影到平面坐標上，利用X、Y坐標構建二維三角網，然后再給各點賦Z值，從而構建DEM模型。

2）規則建筑物建模。規則建筑物一般由連續的掃描點云數據構成，采用幾何模型制作方法建模。對點云數據進行分割和曲面擬合，采用人機交互的方式來提取特征輪廓線繪制成實體的幾何線框圖，進而構建模型，進行紋理貼圖。圖5為簡單建筑物的線框模型和實體模型。

3）不規則的復雜物體和構筑物建模。這類空間模型表面結構復雜且精度要求比較高，表面是任意的，采用點云重建算法構建三角網的方式來構建表面模型，得到了物體準確的幾何細節信息,通過拓撲檢查修復，對缺失的部分進行遺漏修補，最后進行紋理貼圖。圖6為復雜建筑物的實體模型。

圖5 簡單建筑物的三維模型圖

圖6 復雜建筑物的三維模型圖

4）對于其他地物（如電桿、郵筒、花圃花壇等），這些實體幾何形狀比較復雜，一般只需要作為一種符號表示其位置即可，因此可根據實際需要，采用建模軟件三維模型庫中的單體模型和人工特征提取輪廓線建模相結合的辦法。激光點云建模針對不同的場景采用相應的方法，成果表現形式多樣，在建模效率、模型精度、實現的可能性和可靠性上都高于3DMax建模方法。

表1為基于3DMax建模與基于激光點云建模的各項指標比較，相對于傳統的建模方法，激光點云的建模具有很大的優越性。特別是三維激光掃描儀能夠采集到傳統測量方法難以獲得的不規則建筑物角點，對一些細微特征的描述比較精細，因此激光點云建模方法在結構復雜、大規模建筑物建模中具有更大的應用價值。

表1 激光點云建模技術與3DMax建模技術比較

3 結 語

本文主要從數據獲取手段和建模方式兩方面對以3DMax為代表的傳統建模和激光點云建模方法進行實例比較，結果表明，利用三維激光掃描系統采集的點云適合于構建復雜模型，可以有效地建立完整的模型，彌補了傳統建模方法的不足。但是，激光點云建模方法也存在著一些問題：在數據采集方面，原始數據冗余；數據處理方面，如果受外界干擾過多會產生大量噪聲點，增加了處理工作量等。如何在實際應用中改善這些問題，是下一步需要深入研究的內容。

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P20

B

1672-4623（2016）08-0041-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.08.014

史宜南，碩士研究生，主要研究方向為GIS數據處理與三維激光掃描技術應用。

2014-09-23。