三維激光掃描技術(shù)在城市建筑物高精度建模中的應(yīng)用

李強(qiáng)

(沈陽市勘察測繪研究院，遼寧 沈陽 110004)

1 引 言

三維激光掃描技術(shù)被稱為“實景復(fù)制技術(shù)”，其能快速獲得原始的測繪數(shù)據(jù)，并完整、高精度地重建實體[1]。與激光測距技術(shù)點對點的測量方法不同，地面三維激光掃描技術(shù)使傳統(tǒng)的人工單點數(shù)據(jù)獲取變?yōu)檫B續(xù)自動獲取批量數(shù)據(jù)，提高了量測的精度與速度[2]。地面三維激光掃描將傳統(tǒng)的點測量發(fā)展為面測量，可以高效率、高質(zhì)量、低成本地獲取海量的空間數(shù)據(jù)，充分體現(xiàn)測量目標(biāo)的特征信息。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，可以直接為CAD等軟件使用構(gòu)建高精度模型框架，還可以將真實的紋理映射到模型框架上，生成三維模型。

本文以沈陽K11購物藝術(shù)中心為實例，采用Leica Scan Station P40三維激光掃描儀對其進(jìn)行了掃描測量，利用全站儀測量對掃描精度進(jìn)行了評定，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建了高精度三維模型，取得了較好的效果。

2 工程概況和作業(yè)流程

2.1 工程概況

本文的測量對象為沈陽K11購物藝術(shù)中心，位于青年大街渾河北岸，其建筑面積約26萬平方米。整個綜合體項目集合K11購物藝術(shù)中心、沈陽新世界博覽館、五星級酒店、寫字樓、服務(wù)式公寓等業(yè)態(tài)于一體，是沈陽市最大的單體建筑。整個綜合體外形設(shè)計現(xiàn)代時尚，正面博覽館設(shè)計具有傾斜線條美，整體向外傾斜，由多個方塊結(jié)構(gòu)錯亂有序地疊置在一起，頂部形如“大鵬展翅”，如圖1所示。這些對于傳統(tǒng)的測量方式都是極大的挑戰(zhàn)。

圖1 沈陽K11購物藝術(shù)中心效果圖

2.2 作業(yè)流程

三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于建筑物三維建模的作業(yè)流程主要可分為三大部分：外業(yè)數(shù)據(jù)采集、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理和實體建模，其流程圖如圖2所示。

圖2 作業(yè)流程圖

3 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

3.1 掃描方案設(shè)計

此次掃描采用的是Leica Scan Station P40三維激光掃描系統(tǒng)，其主要性能優(yōu)勢有以下三點：

(1)掃描速度快，精度高，掃描范圍廣。掃描速率最高可以達(dá)到 1 000 000點/秒，點密度最高可以達(dá)到 2 mm/10 m，其最遠(yuǎn)射程可達(dá) 270 m，點位精度可以達(dá)到毫米級別。

(2)集成了高分辨率相機(jī)。掃描儀機(jī)身集成了自動調(diào)焦的數(shù)碼相機(jī)，在進(jìn)行激光掃描的同時獲取掃描場景的高清照片，可用作三維模型數(shù)據(jù)的紋理貼圖。

(3)配備了專業(yè)的點云后處理軟件。利用專業(yè)的點云后處理軟件，可以更加方便和高效地處理海量點云數(shù)據(jù)，提取高精度的特征點、線、面，制作三維模型。

方案制定應(yīng)考慮三個方面問題：①站點布設(shè)。測站布設(shè)應(yīng)考慮掃描數(shù)據(jù)的完整性，保證測站間的通視，測站與測站之間不小于20%的重疊度。②設(shè)置掃描分辨率。根據(jù)不同的掃描距離設(shè)置不同的掃描分辨率。③標(biāo)靶布設(shè)。各測站重疊區(qū)域應(yīng)布設(shè)了不少于3個的公共標(biāo)靶，并盡量避免位于同一條直線上。最終確定在K11周圍布設(shè)26個測站，其中在K11周圍布設(shè)了20個測站，K11頂部布設(shè)了6個測站。

3.2 控制測量

為了更精確地獲得建筑物的三維坐標(biāo)，以便將三維模型成果納入沈陽市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)中，我們在建筑物周圍布設(shè)了8個控制點。控制點采用的是網(wǎng)絡(luò)RTK現(xiàn)場布設(shè)的方式，利用了“沈陽市連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位城市測量綜合服務(wù)系統(tǒng)(SYCORS)”和沈陽市似大地水準(zhǔn)面，RTK定位精度可以達(dá)到 2 cm左右。

3.3 掃描儀數(shù)據(jù)采集

根據(jù)制定好的掃描方案完成對建筑物的三維激光掃描，同時利用掃描儀集成的相機(jī)獲取掃描場景的高清照片。為保證點云配準(zhǔn)精度，在場景掃描完成后，對公共標(biāo)靶以及測量控制點進(jìn)行掃描，以便后期點云配準(zhǔn)。

4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理

4.1 點云數(shù)據(jù)去噪

外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，需要去除點云數(shù)據(jù)中的噪聲點，其結(jié)果直接影響后期建模的質(zhì)量。點云數(shù)據(jù)中的噪聲來源主要有兩種：一是外界因素干擾，譬如目標(biāo)前方遮擋物、掃描有效范圍外的地物點；二是激光多路徑干擾，由于激光光束的離散度，使得一個發(fā)射光束可接收到不同實體返回的反射光束而產(chǎn)生噪聲以及激光穿透透明物體造成的噪聲點。

因不同實體反射而產(chǎn)生的噪聲點可在點云后處理軟件中利用濾波方法處理，其原理是通過在指點區(qū)域內(nèi)采用賦有權(quán)重的高斯分布，可以在保留原有點云數(shù)據(jù)特征的前提之下有效地過濾掉指定區(qū)域內(nèi)的高頻信息，去除噪點；因遮擋物和激光穿透造成的噪聲點，可在Leica Cyclone中通過人工交互的方式批量去除，僅保留掃描目標(biāo)表面的點云數(shù)據(jù)。

4.2 點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)

點云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)就是將基于各個測站的掃描點云數(shù)據(jù)合并為一個完整統(tǒng)一坐標(biāo)系下的點云[8]，其方法主要有三種：基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)，基于多視點云的配準(zhǔn)和基于控制點的配準(zhǔn)。

基于標(biāo)靶的配準(zhǔn)方法通過精確識別同名標(biāo)靶完成配準(zhǔn)，配準(zhǔn)精度較高，處理流程為自動化；基于多視點云的配準(zhǔn)方法是基于具有一定重疊區(qū)域的點云，通過人工交互指定同名點完成配準(zhǔn)，一般作為不宜布設(shè)標(biāo)靶情況下的補(bǔ)充手段；基于控制點的配準(zhǔn)方法是通過識別已知坐標(biāo)信息的控制點，將點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到特定的坐標(biāo)系統(tǒng)中，配準(zhǔn)的精度取決于控制點識別的精度以及控制點測量精度。

本次的點云配準(zhǔn)主要是通過基于標(biāo)靶的方式分別完成地面布設(shè)的20站和K11頂部6站的點云配準(zhǔn)，之后這兩大部分的點云數(shù)據(jù)采用的是基于多視點云的配準(zhǔn)方式合并成一個整體，最后利用基于控制點的配準(zhǔn)方式將點云數(shù)據(jù)納入沈陽市平面坐標(biāo)系統(tǒng)和高程系統(tǒng)中，拼接后的點云數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 拼接后的點云數(shù)據(jù)

4.3 點云數(shù)據(jù)精度分析

(1)測量精度分析

點云數(shù)據(jù)的點位精度誤差來源主要包括：儀器測量誤差和點云配準(zhǔn)誤差。

三維激光掃描儀的儀器測量誤差主要包括測角誤差和測距誤差，這兩方面誤差對點云點位精度的影響為[8]

(1)

式(1)中md為儀器測距誤差，mβ為儀器測角中誤差，D為測站點和目標(biāo)指點的距離。Leica P40的測距誤差為 1.2 mm+10 ppm，測角誤差為8″，掃描目標(biāo)與儀器距離大約為 50 m，則可計算得到儀器測量誤差為m1=3 mm。

本次點云配準(zhǔn)中誤差m2=5 mm，根據(jù)誤差傳播定律，點云數(shù)據(jù)的誤差理論值為：

(2)

根據(jù)式(2)，可得點云理論上點位中誤差為m=5.8 mm。

(2)測量結(jié)果對比分析

本次檢核在點云模型上選取并量測了掃描對象10條特征邊長，然后和全站儀觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，測得的數(shù)據(jù)如表1所示。其中邊長較差最大值為 3.3 cm，中誤差為 1.3 cm，相對誤差在1‰以下。測量精度滿足《城市測量規(guī)范》(CJJ/T 8-2011)中1∶500 DLG成圖標(biāo)準(zhǔn)。

掃描儀與全站儀邊長測量數(shù)據(jù)對比 表1

5 實體建模

一般來講，利用點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建主要有兩種方法：一種是幾何模型重建，也就是建立輪廓模型；另一種是表面模型重建，主要是構(gòu)造不規(guī)則三角網(wǎng)來表示物體表面。

前者是在點云模型上面提取建筑物的特征線，生成CAD模型框架，適用于較規(guī)則的建筑物實體建模；后者構(gòu)網(wǎng)方法簡單，適用于對不規(guī)則連續(xù)曲面的模擬，但是數(shù)據(jù)量較大，處理相對復(fù)雜。本次建模對K11的主體結(jié)構(gòu)采用第一種方法，對其翼型屋頂及其他不規(guī)則曲面的藝術(shù)造型部分采用第二種方法。

5.1 幾何模型重建

較規(guī)則的建筑物其形狀一般可以由特征線來定義，特征線一般包括建筑物的邊界線、輪廓線、屋脊線等等，特征線提取的過程即是通過三維點云復(fù)原其建筑結(jié)構(gòu)圖的過程。

特征線的提取主要有三種方式：①特征點擬合法，即在三維點云模型中選取若干特征點，通過特征點擬合獲得特征線，該方法適用于提取曲線形狀的特征線；②切片法，通過定義切平面，提取某一高度區(qū)間的點云，這些點云形如一連串密集碎部點，根據(jù)一定的取舍原則連接起來即是建筑物的特征線，該方法適用于分層繪制建筑物的特征線；③投影法，通過定義不同的投影面，將三維點云模型投影到二維平面，繪制特征線，該方法適用于建筑物立面圖的繪制。

利用Leica Cyclone軟件，綜合運(yùn)用上述三種特征線提取方法，根據(jù)特征線完成幾何模型的重建，結(jié)果如圖4所示。

圖4 幾何模型重建成果圖

5.2 表面模型重建

(1)構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)

在Leica Cyclone軟件中將目標(biāo)點云孤立出來，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)，模擬對象表面形態(tài)特征。構(gòu)網(wǎng)比較常用的是Delaunay三角網(wǎng)，可以有效地避免狹長三角形的出現(xiàn)，提高表面重建的精度。

(2)三角網(wǎng)模型化簡

由于掃描點云比較密集，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)難免產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，譬如一個平面兩個三角網(wǎng)即可表達(dá)，但實際生成的三角網(wǎng)個數(shù)會有很多，造成數(shù)據(jù)冗余。為此需要在保證精度的前提下對三角網(wǎng)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕啠谇瘦^大的地方保留足夠多的數(shù)據(jù)點，在曲率小的區(qū)域保留較少的數(shù)據(jù)點，而不是簡單地均勻抽稀，以減小數(shù)據(jù)冗余。

(3)三角網(wǎng)模型優(yōu)化

由于目標(biāo)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及掃描距離、范圍的限制，最終掃描結(jié)果可能會有部分?jǐn)?shù)據(jù)不是很完整，在構(gòu)建三角網(wǎng)時會造成表面空洞。這就需要根據(jù)建筑物的表面特征來進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充，形成比較完整的三角網(wǎng)模型，譬如對于屋頂?shù)奈菁咕€以及邊緣輪廓線進(jìn)行重點增強(qiáng)處理。通過三維表面模型重建的“翼型屋頂”如圖5所示。

圖5 三維表面模型重建效果圖

5.3 模型優(yōu)化

為了增加模型的逼真性和現(xiàn)實性，可以在三維模型上增加紋理使其成為具有紋理屬性的三維模型。利用掃描儀拍攝的高清相片可以制作紋理貼圖，再通過3ds Max進(jìn)行紋理貼圖和三維渲染，使建筑物模型更具有美感，模型更加逼真。制作好的三維模型如圖6所示。

圖6 K11三維模型

6 結(jié) 語

地面三維激光掃描測量儀使得傳統(tǒng)的單點采集數(shù)據(jù)的測量方式變?yōu)槊芗⑦B續(xù)地自動獲取數(shù)據(jù)的測量方式，獲取的信息量也從點的空間位置信息擴(kuò)展到目標(biāo)的紋理和顏色灰度信息。本文以沈陽K11藝術(shù)購物中心為例，驗證了利用三維激光掃描技術(shù)制作高精度三維模型的有效性和可行性。利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜建筑物的高精度三維建模將是未來發(fā)展的一個方向，如何快速、自動地提取特征線，完成紋理映射，提高建模效率則是需要研究的地方。