校園典型建筑物點云數據三維建模方法

鄭仕雄+李佳

摘要摘要：隨著數字化測量的發展，三維激光掃描儀能夠快速地以多角度、高效、高精度方式獲取物體的表面三維數據，可以用于校園典型建筑物的三維建模。以云南師范大學呈貢校區內的國立西南聯合大學紀念碑和國立昆明師范學院紀念柱為典型建筑物三維建模對象，首先采用徠卡P40三維激光掃描儀采集它的三維點云信息，然后利用Cyclone軟件對多站式點云數據進行拼接、統一化和去燥，將處理后的點云數據導入Geomagic Studio軟件，對其進行封裝、孔洞填充、平滑等相關處理，構建其三維模型并對模型進行紋理映射，最終完成校園典型建筑物點云數據的三維模型構建。該三維建模流程方法對校園典型建筑物的三維建模可取得較好的效果。

關鍵詞關鍵詞：三維激光掃描儀；點云數據；三維建模；Cyclone；Geomagic Studio

DOIDOI：10.11907/rjdk.161873

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2017）001013703

本文采用徠卡公司研制的新款三維激光掃描儀，型號為P40，對云南師范大學呈貢校區內的國立西南聯合大學紀念碑和國立昆明師范學院紀念柱進行三維數據掃描，并結合Cyclone軟件對點云數據進行初步處理，然后結合Photoshop、Geomagic Studio完成點云數據的三維建模工作。

1點云數據三維建模技術流程設計

文本方法中三維點云數據的掃描設備采用徠卡公司研制的型號為Leica-P40的三維激光掃描儀。Leica-P40通過高速旋轉的高分辨率攝像機和不觸碰的掃描方式，可以很便捷地獲取到建筑物三維表面的點云數據，通過后處理軟件Cyclone可以很方便地對掃描獲取的點云數據進行處理，而且Cyclone還提供了豐富的文件轉換格式，可以很好地滿足不同用戶對點云數據的處理需要。如通過Cyclone軟件將數據格式進行轉換后，數據可導入Geomagic Studio、AutoCAD等多平臺下處理。

按照數據的采集與處理環境可將基于三維激光掃描儀的三維建模分為外業和內業兩部分。外業工作主要采用硬件設備，包括掃描環境的勘測和三維點云數據的采集；內業工作主要采用軟件，對采集到的三維點云數據進行處理和建模等工作。從數據采集到三維建模流程包含的具體內容如表1所示。

3.1點云數據處理

從P40三維激光掃描儀中將點云數據導出，由于涉及多個站點的數據采集，因而需首先進行多站式點云數據的拼接[4]，將多站式數據用Cyclone軟件打開，利用外業采集的標靶信息，在Cyclone軟件register模塊中將4個站點獲取的數據進行拼接使其統一到同一個坐標系統下。由于掃描環境比較復雜，因而不可避免在掃描過程中會得到一些噪聲點，為了后續建模的方便處理，需要將這些噪聲點進行剔除。因此，在Cyclone軟件中還需對點云數據進行去燥處理。

P40三維激光掃描儀得到三維點云數據格式為.imp或者是.pts，此類格式能夠與Cyclone軟件兼容。但后期三維建模軟件Geomagic Studio中不支持.imp或.pts文件格式，因此需要在Cyclone軟件中將處理好的三維點云數據導出成后綴名為.txt、.xyz、.ptx 等Geomagic Studio支持的數據格式。本文通過Cyclone軟件將數據導出.txt格式，便于在Geomagic Studio軟件中處理。

3.2點云數據建模

對三維點云數據進行處理后，需要構建其三維模型，在Geomagic Studio軟件中稱為封裝（wrap），即將散亂的三維點云數據進行空間化組織，最為典型的是構建它們的三角網。在數據采集階段掃描對象被樹葉或建筑物遮擋，導致在對象的某些地方上獲取不到三維點云數據，如果直接對三維點云數據進行封裝，會使構建的三角網三維模型存在空洞，因此需要對存在的空洞進行填充形成較為完整的表面模型[5]。空洞填充有利于后續操作中對整個面的構建，如果沒有進行空洞填充，可能會引起后期三維模型的不完整。如圖2所示，圖2 （a）為封裝前的點云數據，即數據處理后的點云數據；圖2 （b） 為封裝后的點云數據，即對點云數據構建三角網的模型，在“石碑”下面存在著較多空洞；圖2 （c）為對模型進行空洞修復后的三維模型。

圖2點云封裝與空洞填充 對三維模型進行空洞填充后，還需要對該模型進行平滑處理，因為模型表面可能存在褶皺明顯的區域[6]，而這些區域與實際的對象形狀不匹配，通過平滑處理會使三角形網格或者是所選區域的表面更加光滑，并會使構成其表面的三角形大小一致。如圖3所示為所選區域平滑前后的對比效果。

沒有紋理的三維模型稱作為裸模，不能從視覺上感受真實的實景三維效果，因此需要對已經構建好的三維模型進行紋理映射。紋理映射是將高清的實物圖片映射到已經構建好的三維模型上。紋理映射需要用到外業采集的照片，將照片導入Photoshop進行裁剪、摳圖等操作，以作紋理映射的素材。

紋理映射有兩種常見方法：①對三維模型和照片取相同的點，在對齊視圖下選擇定向和投影選項（對齊視圖選擇中要選擇四對點及以上才能成功）將紋理映射到模型中；②使用模型和圖片的映射框，將置于圖片下面的模型調節到適當位置來進行貼圖，這種方法在貼圖時應從上往下進行，不然可能會有多余的貼圖覆蓋或者是貼在其它區域。本文采用第二種方法進行紋理映射，如圖4所示為紋理映射效果，圖4（a）為國立西南聯合大學紀念碑，圖4（b）為國立昆明師范學院紀念柱。

本文采用徠卡P40三維激光掃描儀對云南師范大學呈貢校區內國立西南聯合大學紀念碑和國立昆明師范學院紀念柱進行三維點云數據的采集，結合Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop軟件對采集到的三維點云數據進行處理和三維模型構建取得了較好效果，為校園典型建筑物的三維建模提供了一定的借鑒。

參考文獻：

[1]張序，李兆堃，羅小華，等.應用三維激光掃描測量進行文物逆向工程恢復[J].測繪科學，2013，38（6）.

[2]李永強，劉會云，毛杰，等.三維激光掃描技術在煤礦沉陷區監測應用[J].測繪工程，2015，24（7）：4347.

[3]楊林，盛業華，王波.利用三維激光掃描技術進行建筑物室內外一體化建模方法研究[J].測繪通報，2014（7）：2730.

[4]盛業華，張卡，張凱，等.地面三維激光掃描點云的多站數據無縫拼接[J].中國礦業大學學報，2010，29（2）：233237.

[5]郭培閃，杜黎明.運用Geomagic Studio實現點云數據的曲面重建及誤差分析[J].地理信息世界，2015（1）：5760.

[6]林鵬，劉超，鄭禮全，等.基于Geomagic Studio的雕像三維建模[J].北京測繪，2014（4）：3436.