基于三維激光掃描技術的建筑精細模型制作

范香香

摘要：三維激光測量技術是如今發(fā)展速度非常快的一項新興產(chǎn)業(yè)，可謂“繼GPS技術之后的又一項具有影響力的創(chuàng)新技術”。采用該技術可直接對實體進行空間幾何數(shù)據(jù)信息的獲取，以自身高效率、高精度、無接觸測量等優(yōu)勢在建筑工程各個環(huán)節(jié)中起著不可忽視的作用。在建筑精細模型制作中也是如此，因此本文從三維激光掃描技術的特點入手，著重分析三維激光掃描技術在建筑精細模型制作中的應用，希望可以借此給相關的研究提供一定的參考意見。

關鍵詞：三維激光掃描；建筑物模型；制作

1 三維激光掃描技術的特點

三維激光掃描技術，具有精度高、速度快、分辨率高、非接觸式、兼容性好等優(yōu)勢，被譽為“測繪領域繼GPS技術之后的又一次技術革命”。通過與傳統(tǒng)測量技術，如全站儀、近景攝影測量、航空攝影測量等類比分析，主要有以下特點：

（1）非接觸式。三維激光打3描技術采用非接觸式高速激光測量方式，不需反射棱鏡，直接對目標體進行3描，采集目標體表面點的維坐標信息。在目標危險、環(huán)境惡劣、人員無法到達的情況下，傳統(tǒng)測量技術無法完成，此時三維激光掃描技術優(yōu)勢明顯。

（2）數(shù)字化程度高、擴展性強。三維激光1描系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)為數(shù)字信號，具有全數(shù)字的特征，易于處理、分析、輸出、顯示，而且后處理軟件用戶界面友好，能夠與其它常用軟件進行數(shù)據(jù)交換及共享，可與外接數(shù)碼相機，GPS配合使用，拓寬其應用范圍，具有較好的擴展性。

（3）高分辨率。三維激光3描技術可以進行快捷、高質(zhì)量、高密度的三維數(shù)據(jù)采集，從而達到高分辨率的目的。

（4）應用廣泛、適應性強。由于其良好的技術特點，對使用條件要求不高，環(huán)境適應能力強，適合野外測量，故在工程建設各領域應用廣泛。

2 建筑中采用三維激光掃描技術的問題與優(yōu)越性

2.1存在的問題

三維激光掃描技術雖然作為測繪行業(yè)的前沿技術，但是在國內(nèi)的應用和研究還是處于初級階段，所以還存在的諸多的問題：

（1）三維激光測量技術在建筑工程中應用的先例不多，未能更有力的推動該技術應用于建筑行業(yè)。

（2）三維激光掃描儀屬于高精密測量儀器，故價格相對于傳統(tǒng)測繪儀器會更高，建筑工程領域難以脫離固有的工作模式，告別應用價格更低的傳統(tǒng)測繪儀器。能被建筑工程行業(yè)所接受的相位式掃描儀價格大多數(shù)在50萬以上，雖國產(chǎn)價格普遍較低，但儀器性能方面還未達到工程要求的標準。

（3）建筑工程測量運用新的測量技術領域，需要投入大量資金與人才方面的培養(yǎng)，大多數(shù)都是抱著一種觀望的態(tài)度。培養(yǎng)一個技術人員，從購置掃描儀到硬件操作學習再到軟件操作學習，還考驗著技術人員能否充分利用技術應用到實際的工程項目中。

2.2建筑中采用三維激光掃描技術的問題與優(yōu)越性

（1）從技術規(guī)范上分析，隨著三維激光測量技術在各個行業(yè)中的應用，技術規(guī)程方面的標準也是一直受很多學者和專家的探討與關注，工程上應用的技術規(guī)程已經(jīng)有了一個具體標準。2015年，北京市測繪設計研究院依據(jù)GB/T 1.1-2009起草了地面三維激光掃描作業(yè)技術規(guī)程。

（2）從精度方面分析，三維激光掃描儀軟硬件的改進完善使得掃描儀的精度更高，作業(yè)效率也隨之變高，成果更具有可靠性。三維激光測量技術高精度、高效率、全方位、無接觸測量等優(yōu)勢已經(jīng)足以應用于精細的建筑工程中各個環(huán)節(jié)的測量。

（3）從未來發(fā)展上分析，數(shù)據(jù)處理軟件功能集成化口益完善，工程項目中數(shù)據(jù)處理的工作量也隨之減小不少，精度方面也更加的精密。隨著三維激光測量技術的普及，武漢大學、上海同濟大學、廈門大學、廈門理工學院等各個高校對于新技術的接受，促進了相關技術人才方面的培育。

3 三維激光掃描技術在建筑精細模型制作中的應用

3.1古建筑的三維建模過程

在建筑物建模的時候，建筑物內(nèi)部、屋頂、屋檐的結構是非常復雜的，則建筑物可以被切割成不同的部分進行建模。所以，復雜建筑物的三維建模可以從局部到整體進行簡化，不僅可以減少建模的難度，同時可以通過小塊顯示增加仿真效率。第一步，提取出該建筑的前、側部分的二維輪廓線，并利用實體拉伸來確定墻的規(guī)則實體模型；第二步，利用線劃圖提取出屋頂?shù)牟灰?guī)則曲線模型，構建出實體模型中的一半，另一半則使用鏡像功能進行建模；第三步，利用特征曲面與特征線來構建建筑物內(nèi)部復雜結構，再使用掃描、旋轉、平移等功能建立模型；最后，利用三角網(wǎng)模型的精度損失少、能有效還原原始物樣的優(yōu)點，對建筑物邊沿的雕塑進行擬合、構建。

3.2二維線劃圖制作及建筑面積統(tǒng)計

在軟件中通過勾勒具有建筑形狀的點云信息，能夠獲得建筑輪廓圖，即目標建筑物的二維線劃圖信息。采用具有的分層切片技術對二維線劃圖的軟件，第一步是給定會址建筑的UCS坐標，與此同時，需要利用軟件給定X， Y，Z三個方向。第二步即對點云模型的正、側、俯視圖進行切片，然后使用軟件對各個視圖的點云模型進行勾勒。由于在對噪點的去除過程中，會在目標建筑物上遺留下點云信息的空洞，這會影響后期的建筑模型構建。則要利用軟件的分層切片技術對有空洞的點云信息部分進行曲線擬合，同時勾勒出其空洞部分對應的特征點及曲線，從而使得空洞部分點云得到補全，使其不影響建筑物的完整性。當遇到建筑物的部分位置及其復雜時，所勾勒的線劃圖并不能完整的表述其結構形態(tài)，便要使用現(xiàn)場拍攝的圖片進行輔助分析獲取。

3.3三維實體建模及紋理映射

通過對點云模型進行勾畫得到完整的線劃圖后，接下來便是利用軟件進行建筑物的實體三維建模。可結合點云數(shù)據(jù)模型，從局部到整體，使用拉伸命令對輪廓線進行真實體模型的拉伸。再結合點云位置與實體處理模塊，從而勾勒出與目標建筑物相一致的模型，最后再導出以OBJ、FBX等通用格式為主的真三維模型，為最后使用3DMAX軟件進行紋理渲染做準備。而對于一些掃描儀不能掃描到的死角，則利用現(xiàn)場拍攝的照片進行信息采集，亦或是參考此建筑的建筑風格。對真三維模型進行紋理貼圖，想要進行真實完美的紋理貼圖，外業(yè)照片的拍攝是至關重要的。則對于外業(yè)的拍攝，首先需要一部像素高的相機，同時需要注意照片紋理拍攝的位置及角度、以及拍照的各種因素的調(diào)整等。進而，照片的采集需要全面且完整，對于同一特征的紋理信息的拍攝需要盡可能的在短時間內(nèi)完成，保存相同的相機參數(shù)，是保證紋理的完整性及同時性的有效方法之一。對于紋理的采集，不僅需要紋理信息的完整性，同時需要在盡量采集足夠多的細節(jié)下，采集那些只有少量雜物的紋理。再者，紋理拍攝時需要正視，在不能正視拍照的時候，則應多方位的進行拍攝，以獲取更多的細節(jié)。如果拍攝的紋理扭轉過大，則需要使用Photoshop等軟件對其進行轉正，使其有正視圖的效果。最后，對屋頂、墻壁、地板等較大面積的紋理進行信息拍攝時，要注意拍照的面積不能過小，同時對于各種紋理需要進行編號，利于后期的紋理貼圖處理。

將得到的紋數(shù)據(jù)經(jīng)過圖像處理軟件處理過后，即可進行三維實體模型的紋理貼圖。紋理貼圖是增加三維模型真實感的重要過程，是三維場景構建的核心環(huán)節(jié)之一。其主要步驟包括：把真三維模型導入3DMAX中，將其變成能編輯的多邊形，再將對應的處理過的照片拖入到要貼圖面的材質(zhì)編輯器中，再依據(jù)屬性欄進行屬性偏好設置，使其更貼近真實建筑物。

參考文獻

[1]韓宇. 基于三維激光掃描技術的高層建筑整體變形監(jiān)測的方法研究[D].江西理工大學，2015.

[2]白成軍，吳蔥，張龍.全系列三維激光掃描技術在文物及考古測繪中的應用[J].天津大學學報（社會科學版），2013，15（05）：436-439.

[3]謝洪. 基于地面三維激光掃描技術的海量點云模型重建關鍵算法研究[D].武漢大學，2013.

[4]張亞. 三維激光掃描技術在三維景觀重建中的應用研究[D].長安大學，2011.

（作者單位：蚌埠市勘測設計研究院）