利用激光掃描數據的三維重建技術在水電工程中的應用研究

孔海峽， 景小青

（1.中國水利水電第四工程局有限公司勘測設計研究院， 青海 西寧 810007；2.中國水利水電第四工程局有限公司， 青海 西寧 810007）

引言

目前，利用激光掃描數據進行三維重建關鍵技術已普遍在智慧城市、古建筑與古文物保護、數字娛樂（游戲、動畫、電影）、地質研究等領域廣泛應用，成為近些年科研與生產方面的前沿技術。該技術在復雜建筑物施工、建筑物形變監測及水電工程等領域中具有廣闊的應用前景。結合已建設完成的西藏雅魯藏布江某水電站為研究對象，開展深層次的激光掃描數據進行三維重建技術的應用、研究、總結和再開發。

中國水利水電第四工程局有限公司已承建過長江、黃河、金沙江、瀾滄江、雅魯藏布江等眾多流域的多個水利水電工程測量管理工作，取得了較為突出的專業技術業績，總結積累了較為豐富的專業技術工作經驗。但行業優勢不明顯，行業內其他單位已接近“并跑”。為此，面對同行單位尚未跨入利用三維激光掃描進行三維重建技術領域的現狀，率先在西藏雅魯藏布江某水電站開展基于激光掃描數據的三維重建關鍵技術的應用與研究。

1 研究的主要內容及應用難點

1.1 研究的主要內容

1.1.1 三維模型重建

三維模型重建是利用激光掃描設備采集的原始點云數據，逆向建立能夠真實反映建筑物外觀與內在形狀的三維模型，對于無法采集數據的隱蔽工程則根據設計圖紙進行正向建模。

經過重建后的三維模型必須達到高精度、高清晰度、高吻合度的各項指標要求。

1.1.2 通過三維模型制作相關圖冊和動畫

在研究對象水電站高精度三維模型基礎上進行進一步的加工制作。首先在模型表面賦予彩色紋理，使三維模型更加真實美觀。然后將彩色三維模型渲染成高清圖片，作為制作圖冊的基礎素材。最后將渲染的效果圖放置在圖框中，并配合文字說明，采用圖文并茂的方式展示某水電站的主體結構、設備和魚道等重要建筑物。

1.1.3 三維模型3D打印

3D打印技術是目前科技界非常熱門的技術，已出現了3D打印房子、汽車、手槍等高難度的產品。本課題將3D打印技術應用于水電站工程并無先例可參考，需要對應用方式方法進行重新梳理、探討和研究。

1.2 應用中的難點及解決方法

1.2.1 利用三維激光掃描設備在高海拔高寒地區進行數據采集作業難度大

研究對象水電站位于海拔3 500 m左右的高原地區，路途遙遠，氣溫低，因此前尚無三維激光掃描設備在如此高海拔高寒地區進行作業的先例，加上設備自重較大，給外業數據采集工作帶來了前所未有的困難。

經過與現場人員的多次溝通交流，最后采用及時保溫、及時充電、專用車輛等多項措施保證順利完成數據的采集，并保證數據的準確性。通過10余天的工作，完成了對現場數據的采集，為后期三維模型建立打下了堅實的基礎[1]。

1.2.2 逆向與正向相結合的方式進行三維重建的難度大

現場數據采集時研究對象水電站已處于尾工階段，激光掃描設備只能對地面以上的可見部分進行全方位、詳細的掃描。如果采用這種直接的逆向方式進行三維模型重建，模型將無法全面反映該水工建筑物的真實原貌。經過反復研究，決定采用根據現場數據逆向建模與依據設計圖紙正向建模相結合的方式進行三維模型重建。

結合建模難度很大，很容易出現設計數據與實際數據不匹配的問題。經過專業工程師與建模工程師的數次溝通、研究、探討，最終將圖紙模型合并到點云模型中。

逆向與正向相結合的處理方式，既能通過點云保證模型精度，又能通過圖紙保證模型的完整性，使整體模型達到預期效果。

1.2.3 穿插模型貼圖、疊加、特效渲染等過程技術復雜且工作量大

AO（Ambient Occlusion）貼圖疊加技術制作步驟較多，且需要同時渲染三維底圖和彩色紋理圖，渲染工作量大。該課題中使用的圖片是在兩名設計工程師與兩名渲染工程師的共同配合下，耗時兩個多月完成的。

在研究對象水電站的特效渲染和三維動畫制作過程中，大量使用了粒子特效和光影變幻，將水電站開閘放水的過程表現得栩栩如生。同時，制作的動畫展示了開閘過程，制作的漫游動畫以魚的第一人稱視角展示魚道內部結構。本次動畫渲染采用并行的方式，采用10臺圖形工作站同時工作，歷時兩個月，最終完成。

1.2.4 3D打印技術的應用難度大

研究對象水電站的三維立體模型制作完成后，選用3D打印技術對其進行3D打印。因本建筑物體型龐大、結構復雜，此次打印的最大尺寸為80 cm×100 cm，不但受到三維打印機的尺寸限制，而且因其結構復雜打印速度慢，耗時較長。

經過多次討論研究，最終采用拆分打印的方法進行操作，由于拆分打印后拼接難度大，必須同時保證模型精度和打印精度，方能做到拼接后的縫隙幾乎不可見。

2 投入的人員及設備

本課題共投入高級工程師2人、工程師6人、技術人員6人；投入徠卡HDS8800超長測程三維激光掃描測量系統及多臺圖形工作站電腦等設備。同時，課題組先后邀請徠卡上海公司技術支持中心和北京龍睿海拓科技發展有限責任公司的專家赴研究對象水電站，與本單位共同交流、探討、總結、改進，為順利完成該課題研究提供了有力的技術支撐。

3 項目實施過程綜述

3.1 人員培訓

自該科研項目合同簽訂后，本單位及時選拔相關專業技術人員對本課題進行調研，隨后邀請北京龍睿海拓科技發展有限責任公司的技術專家趕赴現場，對儀器操作、相關配套軟件的深層次應用進行了全面而系統的培訓。項目實施過程中，先后三次邀請專注于激光掃描儀軟件后臺應用開發和三維重建的北京龍睿海拓科技發展有限責任公司技術人員深入現場進行培訓交流。

3.2 研究對象水電站數據采集

本課題依托位于西藏自治區雅魯藏布江干流上的研究對象水電站實施研究。課題組成員攜帶三維激光掃描設備奔赴研究對象水電站工地現場，耗時10余天，對水工建筑物進行全方位的點云數據采集，并與設計人員、技術人員舉行交流會，全面、深入、細致地搜集研究對象水電站的信息，收集了大量與工程有關的文字數據、圖紙、照片、影像等資料。數據采集期間，作業人員克服了高海拔、氣候寒冷、運輸等諸多困難。

3.3 點云數據處理

通過三維激光掃描系統對研究對象水電站相關建筑物進行全方位掃描后，得到相對完整、全面的點云數據。但原始的點云數據包含了所有的現場元素，要進行三維模型重建就必須對數據進行細致的處理，刪除干擾因素。點云數據處理前后效果對比如圖1所示。

圖1 點云數據處理前后效果對比圖

3.4 三維模型重建

通過處理后的點云數據和相關圖紙、照片、影像資料重建三維模型，使重建后的三維模型具有真實尺寸，點云精度最高可達到8 mm。三維模型與點云具有同等精度，高精度三維模型可以將水電站各個建筑物的主體結構細節完整地表現出來。

三維模型的重建采用兩種方法相結合的方式進行，一種是根據點云數據逆向建模（如圖2所示）；另一種是因水工建筑物的隱蔽或覆蓋部分無法直接獲取點云數據，根據設計圖紙中的位置、尺寸等資料，將該部分正向建模（如圖3所示），分別完成建模后，進行統一合并。

圖2 根據點云數據逆向建模

圖3 根據圖紙正向建模

4 模型貼圖、渲染、動畫制作

對三維立體模型的貼圖和疊加采用AO（Ambient Occlusion）貼圖疊加技術。該技術制作的水電站三維渲染圖，不僅可以增加圖像的真實感和立體感，而且具有很好的展示效果。

本課題的三維動畫采用3ds Max軟件進行制作，動畫中包含了粒子和流動特效，能充分展現水電站運行的實際效果。動畫中制作了水電站場景漫游、光照變化、開閘放水和魚道虛擬游覽等內容。

5 3D打印技術應用

本單位基于研究對象水電站建筑物的高精度三維模型數據，使用Objet260 3D打印機，將水電站建筑物的主體結構和山體進行了三維打印，打印材料為光敏樹脂，該材料打印的模型表面光滑、堅固、精度較高。打印完成后，根據現場的實體環境對打印的模型進行相關的著色和噴繪。實體三維模型展現了水電站的主體結構和壩頂的各種設備，如圖4所示。

6 應用研究結論

6.1 應用情況

本課題以雅魯藏布江研究對象水電站工程為研究目標，開展深層次的激光掃描數據進行三維重建技術的研究和開發，實踐成果證明了該技術的成功應用。該項成果不僅可以將水工建筑物全面數字化，也為該水電站后續的運營維護提供了專業而全面的參考依據，同時對水電站的展示宣傳和綜合培訓起到了重要作用。

圖4 3D打印模型效果圖

6.2 應用前景

1）水電站建筑物開工建設前可以建立原始地貌三維模型。

2）隨著工程建設的推進，梯次建設三維模型，為工程驗收保留不可估量的云數據，更可擴展大數據庫。

3）為水電站運營期的設備維護管理提供了一切的可能性。

4）可以對水電站建筑物進行完美的三維數字化展示和培訓。

5）為其他類似工程建設及管理提供參考、借鑒依據。

7 結語

通過與傳統人工技術比較，該技術的應用快速全面地建立了研究對象水電站的數據庫及工程三維模型，確保了研究對象水電站的安全性和可持續性，有效保證了水電站的正常運行，創造了巨大的經濟效益，為水電站的數字化、信息化工作提供了寶貴的技術支持。

利用激光掃描數據的三維重建關鍵技術在水電工程中的成功應用，將水電站及類似工程項目的建設推向了科技發展的最前沿，特別是3D打印技術的應用，使本單位在同行業中率先邁出了第一步。在其他同行還未涉足利用三維激光掃描數據進行三維重建領域時，本單位率先在研究對象水電站完成了該項課題的研究和應用，顯得及時、必要。該技術在水電工程中的應用前景十分廣闊，將會產生十分可觀的經濟效益，相信該技術必將在行業中得到廣泛應用。