利用3ds Max與三維激光掃描技術(shù)生成三維建筑模型的研究與實(shí)踐

陳云波，馮亞飛，季曉波

(1. 昆明市規(guī)劃編制與信息中心，云南 昆明 650500； 2. 偉景行科技股份有限公司，北京 100000)

利用3ds Max與三維激光掃描技術(shù)生成三維建筑模型的研究與實(shí)踐

陳云波1，馮亞飛1，季曉波2

(1. 昆明市規(guī)劃編制與信息中心，云南 昆明 650500； 2. 偉景行科技股份有限公司，北京 100000)

針對(duì)目前城市建模方法制作的建筑模型存在建模過程繁雜、生產(chǎn)效率低、數(shù)據(jù)精度不高的不足，提出了一種結(jié)合三維激光掃描技術(shù)與3ds Max生產(chǎn)建筑模型的方法。首先對(duì)3ds Max三維建筑模型生產(chǎn)的流程和方法進(jìn)行了研究，然后應(yīng)用三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)建筑模型進(jìn)行了高度校正，最后采用與1∶500地形圖及全站儀量測(cè)的建筑結(jié)構(gòu)尺寸相比較的方法對(duì)建筑模型的數(shù)學(xué)精度進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明，該方法能夠快速生成外觀效果逼真、數(shù)學(xué)精度高的三維建筑模型。

3ds Max；三維激光掃描；建筑模型

隨著數(shù)字城市和智慧城市的快速推進(jìn)，三維虛擬城市和城市數(shù)字沙盤已成為城市信息化建設(shè)的重要工作，城市三維模型可以為城市規(guī)劃和管理提供直觀、可視化和準(zhǔn)確的現(xiàn)狀資料，為城市管理者提供城市發(fā)展建設(shè)的決策支持，為公眾提供參與規(guī)劃監(jiān)督的平臺(tái)[1]。這不僅要求模型可以逼真展示城市的現(xiàn)狀，對(duì)其幾何尺寸的精確性也提出了要求。

目前城市建筑模型建模方法主要有3種：①基于大比例尺地形圖、影像圖、建筑立面拍照，借助3ds Max軟件手工建模來完成[2]，其建筑物的高度主要依據(jù)拍攝的數(shù)碼影像人工估算(估計(jì)每層樓高度×樓層)，這種方法建立的模型外立面美觀，但數(shù)學(xué)精度不高，難以滿足空間分析和量測(cè)需求；②全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)，利用航片或衛(wèi)星圖片獲取建筑物的輪廓及頂部紋理，通過全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)采集建筑物的幾何特征信息，該方法可以準(zhǔn)確重構(gòu)建筑物的三維輪廓，但過程復(fù)雜，效率低[3-5]；③當(dāng)前快速發(fā)展的三維激光掃描技術(shù)，利用激光測(cè)距原理，通過記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，大面積快速獲取被測(cè)對(duì)象表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)(三維點(diǎn)云數(shù)據(jù))，具有獲取效率高、數(shù)據(jù)精度高的特點(diǎn)[6-7]。基于三維點(diǎn)云的建筑建模，雖然可以完成高逼真高精度的三維模型，但存在投入經(jīng)濟(jì)成本高、后期數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度低、人力投入較大的問題[8]。

綜上所述，將三維激光掃描技術(shù)與3ds Max建模相結(jié)合，快速生產(chǎn)出外觀逼真、幾何尺寸準(zhǔn)確的三維建筑模型是值得研究的一個(gè)課題。

一、3ds Max制作建筑模型的流程

三維建筑模型制作包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、建模單元及管理單元?jiǎng)澐帧⒔ㄖ饬⒚娴募y理信息采集等工作，經(jīng)技術(shù)人員手工建模來完成。技術(shù)流程如圖1所示。具體包括：①建模區(qū)域基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，包括基礎(chǔ)地形圖、點(diǎn)云數(shù)據(jù)，以及高精度的遙感影像數(shù)據(jù)或其他影像資料。②內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)處理和管理單元的劃分。CAD圖紙預(yù)處理，將全要素地形圖進(jìn)行分層、歸零等整理工作，使之成為適合建模需要的框架底圖；建模單元和管理單元?jiǎng)澐郑趨⒄諊乙?guī)范的基礎(chǔ)上，以行政區(qū)劃界線、現(xiàn)狀道路、水系等帶狀地物為邊界劃分，根據(jù)當(dāng)?shù)匦姓^(qū)劃編碼進(jìn)行命名，從而方便數(shù)據(jù)生產(chǎn)和管理。③建筑立面信息采集。采用人工現(xiàn)場(chǎng)外業(yè)拍照方法，采集建筑物的側(cè)面紋理信息、地物、地景及植被景觀的紋理照片。為了方便外業(yè)的實(shí)施和數(shù)據(jù)管理，此項(xiàng)工作需要借助影像圖或基礎(chǔ)地形圖進(jìn)行任務(wù)分配、現(xiàn)場(chǎng)定位與后期查看；采集到的照片按建模管理單元進(jìn)行存儲(chǔ)。④數(shù)據(jù)模型生成。包括制定模型命名標(biāo)準(zhǔn)和建模工作。制定命名標(biāo)準(zhǔn)包括模型命名、模型貼圖命名規(guī)范等；在框架底圖的基礎(chǔ)上建模以保證平面精度，參照高度數(shù)據(jù)制作以保證高程精度，采用手工建模方式進(jìn)行模型制作，生成中需要對(duì)模型數(shù)據(jù)量進(jìn)行控制。生成過程中按照建模單元和管理單元進(jìn)行任務(wù)分配、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及生成，根據(jù)規(guī)范及精度要求制定適合項(xiàng)目的模型參數(shù)。

圖1 3d Max建模流程

二、3ds Max制作三維建筑模型研究

以昆明市為例，需要對(duì)城市的標(biāo)志性建筑、中心商務(wù)區(qū)(CBD)、城市主干道等區(qū)域約60 km2的建筑模型進(jìn)行三維模型制作。

建筑模型制作要求：在滿足視覺效果的情況下，減少模型的幾何面數(shù)，降低紋理的分辨率；對(duì)有規(guī)律紋理的建筑可采用重復(fù)貼圖的方式；模型的基底、外立面幾何結(jié)構(gòu)與建筑高度應(yīng)準(zhǔn)確，紋理拼接應(yīng)過渡自然；模型的紋理應(yīng)正確反映木材、石材、玻璃、金屬等建筑材質(zhì)特征。

建筑模型精度要求：模型結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，特有結(jié)構(gòu)不能省略，能夠清晰表現(xiàn)0.5 m以上的建筑特征，平面誤差小于0.5 m，高度誤差小于0.5 m。屋頂結(jié)構(gòu)大于1 m需建模；附屬物大于2 m需建模。

貼圖紋理要求：文字標(biāo)識(shí)、Logo、底商，側(cè)面采用真實(shí)照片，并作光影效果處理。屋頂顏色參考影像圖制作,要求貼真實(shí)紋理，貼圖紋理中對(duì)于0.5 m的建筑細(xì)節(jié)應(yīng)清晰可辨，達(dá)到90%的相似度。

收集到的資料有1∶500地形圖、數(shù)字正射影像圖和三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù),見表1。采用3d Max建模，具體的工作內(nèi)容敘述如下。

表1 現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料情況

1. 前期1∶500CAD地形圖整理

在CAD軟件中將地形圖的計(jì)量單位統(tǒng)一設(shè)置為“米”，將指定點(diǎn)坐標(biāo)歸零并記錄坐標(biāo)相對(duì)偏移量，CAD圖應(yīng)作為獨(dú)立對(duì)象，僅保留建筑及地形基礎(chǔ)線[9]。保證導(dǎo)入3ds Max以后，CAD框架底圖清晰簡(jiǎn)潔，所形成的對(duì)象不應(yīng)存在漏縫、不共面和廢點(diǎn)等情況。

2. 3ds Max建模

在3ds Max軟件中導(dǎo)入整理好的地形圖和影像圖。建筑模型需要完全按照CAD基礎(chǔ)線進(jìn)行模型平面位置的搭建，拍攝的數(shù)碼影像以人工估算模型高度(估計(jì)每層樓高度×樓層)的方式進(jìn)行建模。保持所有的模型中物體的編輯使用Edit Mesh或Edit Poly方式完成，特殊情況可使用Surface建模。

3. 建模注意事項(xiàng)

把建筑的體量關(guān)系制作出來，能夠準(zhǔn)確地表現(xiàn)建筑的特征即可，在滿足模型細(xì)節(jié)層次要求的情況下，應(yīng)盡量減少幾何模型的面數(shù)，如圓柱邊數(shù)要控制在10邊以內(nèi)。

4. 面的處理

模型制作好后，應(yīng)刪除對(duì)模型結(jié)構(gòu)和貼圖坐標(biāo)起不到作用的點(diǎn)和面，以節(jié)約數(shù)據(jù)量。模型中看不到的面也應(yīng)該刪除，以減小烘焙貼圖面積。

對(duì)于需要疊加在物體表面的，例如建筑立面的字或一些招牌廣告等，做成片疊加在物體表面，但面片與該物體的立面距離至少要達(dá)到0.03 m，保證導(dǎo)出的osg重疊面不閃爍，同時(shí)在側(cè)面不能看到明顯的兩個(gè)面間的距離。

5. 貼圖的制作

利用采集到的建筑紋理照片制作成建筑的貼圖，其效果真實(shí)自然。在制作前應(yīng)仔細(xì)分析照片資料，多張照片綜合處理后制作成建筑貼圖。選取一張合適角度的照片，在Photoshop軟件中使用裁切工具，選取可用色相、飽和度及光影關(guān)系；貼圖使用TIF文件格式，貼圖長寬方向必須符合2的冪次方，如32×32、64×64等。表現(xiàn)建筑欄桿等鏤空效果時(shí)需要為貼圖創(chuàng)建一個(gè)Alpha通道，全透明部分(欄桿中除桿外的透明部分)在通道中表示為黑色；不透明部分表示為白色。模型賦予貼圖后，需要細(xì)致地調(diào)整貼圖坐標(biāo)。可采用UVW Map和Unwrao UVW工具進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三、采用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行建筑模型高度校正

采用三維激光掃描技術(shù)獲取的建模區(qū)域三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)共649項(xiàng)(*.las格式)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：每項(xiàng)*.las中包含1 500 000個(gè)以上點(diǎn)，數(shù)據(jù)量巨大；數(shù)據(jù)中包含了大量地面點(diǎn)，這些點(diǎn)對(duì)于糾正建筑模型的高度貢獻(xiàn)不大，但是運(yùn)算時(shí)卻消耗了大量的時(shí)間和空間，應(yīng)去除這些點(diǎn)以提高運(yùn)算效率[10]；*.las的采樣間隔較小，約為1 m，適當(dāng)將采樣間隔抽稀對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大。

基于以上3點(diǎn)考慮，第一步先對(duì)現(xiàn)有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行整理；第二步借助整理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正建筑模型高度，流程如圖2所示。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正建筑高度流程

1. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

①首先將點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cylone軟件中，手工刪除地面點(diǎn)，在Unify Clouds工具中將點(diǎn)云抽稀間隔設(shè)置為5 m，預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖3所示；②將處理后的點(diǎn)云保存為*.txt文件；③將所有的*.txt合并，在ArcMap軟件中使用Add XY Data工具導(dǎo)入*.txt文件，導(dǎo)入ArcGIS生成*.shp文件；④在CityMaker Builder軟件中，將*.shp文件轉(zhuǎn)換為FDB大數(shù)據(jù)文件，如圖4所示。

圖3 抽稀后的點(diǎn)云示意圖

圖4 *.shp文件導(dǎo)入CityMaker Builder

2. 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)糾正建筑模型高度

在CityMaker Builder中將點(diǎn)云(FDB)與建筑模型進(jìn)行疊加，逐一搜索每棟建筑，找到在垂直方向上與該棟建筑模型相交的點(diǎn)云，并計(jì)算點(diǎn)云與建筑模型交點(diǎn)之間的高差，統(tǒng)計(jì)所有高差的平均值，作為該棟建筑的修正高度來修改建筑高度，如圖5所示。

圖5 修正高度前后對(duì)比

3. 根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)手動(dòng)修正個(gè)別模型

對(duì)于個(gè)別存在一定誤差的建筑模型，在CityMaker Builder中用建筑高度修改插件進(jìn)行修正。

四、三維建筑模型精度結(jié)果檢驗(yàn)與分析

昆明60 km2范圍內(nèi)的建模單元數(shù)為376個(gè)，選取市中心南屏街片區(qū)530102A017、530102A018、530102A020共3個(gè)建模單元約1 km2范圍內(nèi)的模型進(jìn)行平面和高度精度檢查(如圖6所示)。

圖6 南屏街片區(qū)建筑模型截圖

1. 平面精度檢查

選取530102A017建模單元中的21棟建筑進(jìn)行平面精度檢查，分別在3ds Max和1∶500地形圖中量測(cè)同一建筑的平面結(jié)構(gòu)尺寸，將模型中結(jié)構(gòu)尺寸a與地形圖中建筑的結(jié)構(gòu)尺寸b比對(duì)，分別計(jì)算21棟建筑平面結(jié)構(gòu)尺寸誤差值Δ(a-b)。根據(jù)式(1)，計(jì)算出中誤差為0.35 m，小于0.5 m的平面精度要求，見表2。中誤差計(jì)算公式為

(1)

表2 建筑模型與實(shí)測(cè)尺寸誤差分析 m

2. 高度精度檢查

選取530102A017、530102A018、530102A020建模單元中的11棟建筑進(jìn)行高度精度檢查，采用全站儀的懸高測(cè)量法測(cè)量到建筑的高度值d，與生成的建筑模型中的高度值c進(jìn)行比對(duì)，分別計(jì)算11棟建筑高度尺寸誤差值Δ(c-d)。根據(jù)式(1)，計(jì)算中誤差為0.4 m，小于0.5 m的精度要求，見表2。

五、結(jié)論與討論

本文充分發(fā)揮傳統(tǒng)3ds Max建模和三維激光掃描技術(shù)快速精準(zhǔn)獲取建筑高度的優(yōu)勢(shì)，將二者結(jié)合起來對(duì)城市建筑進(jìn)行三維建模。試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的城市建模方法相比，該方法操作簡(jiǎn)單、效率高效，獲取的三維建筑模型成果逼真、數(shù)學(xué)精度高，滿足了城市規(guī)劃管理和數(shù)字城市建設(shè)的需要，為三維虛擬城市和數(shù)字沙盤建設(shè)提供了理論和技術(shù)參考。通過本文研究方法生成的數(shù)字沙盤成果自2014年已在昆明城市規(guī)劃展覽館面向公眾展示，已成為市政府科學(xué)決策和宏觀調(diào)控城市建設(shè)發(fā)展的重要參考依據(jù)，為公眾提供了參與城市規(guī)劃管理的平臺(tái)。

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Research and Practice of Manufacturing 3D Construction Model by Combining 3D Laser Scanning Technology and 3ds Max

CHEN Yunbo，F(xiàn)ENG Yafei，JI Xiaobo

2016-07-01；

陳云波(1971—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字城市、城市測(cè)繪及規(guī)劃信息化建設(shè)。E-mail：chybkm@qq.com 通信作者： 馮亞飛

陳云波，馮亞飛，季曉波.利用3ds Max與三維激光掃描技術(shù)生成三維建筑模型的研究與實(shí)踐[J].測(cè)繪通報(bào)，2016(12)：77-80.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0406.

P234

B

0494-0911(2016)12-0077-04

修回日期：2016-09-21