三維可視化系統應用

文/彭燕青 董文煜 吳德聰 王佳琪

隨著數字城市、智慧城市的快速發展，三維空間技術在各領域得到了廣泛應用，逐漸改變了人們的生活方式。相比于二維空間技術，三維空間主要利用三維激光掃描技術進行三維空間數據的采集，構建三維場景，可給人們最直觀、真實的感受，給用戶展現更真實的地理空間關系。因此在三維空間技術的研究中，三維可視化技術是其中一項很重要的研究內容。關鍵因素在于三維模型的建立與三維空間數據的整合。通過三維激光掃描從而進行模型構建，同時利用數據庫進行空間數據整合，解決由于三維數據的來源廣泛、資料分散、時間跨度大、格式復雜等問題，從而實現真正的可視化管理。

1 三維空間模型的建立

1.1 三維激光掃描技術

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，主要利用激光測距的原理，對實景進行大面積、高分辨率的采集。具有非接觸測量、采樣率高、高精度、高分辨率、環境適應能力強等優越性能，突破了傳統的測量方法，是快速建立物體三維模型的一種全新技術手段。該技術在安防、智慧城市、城建規劃等領域都有廣泛的應用。本系統主要利用Focus3D X330三維激光掃描儀對實景進行掃描，從而獲得點云數據。

1.2 三維模型構建

1.2.1 三維激光掃描及數據預處理

在進行實景掃描時，主要根據周圍環境選擇相應的測站點，布設標靶點，繪制一張點位分布圖并對測站編號，同時根據測站點架設掃描儀，進行實景三維激光掃描。但由于進行三維激光掃描時，因機器誤差、掃描盲區、環境、天氣、物體結構等因素，會導致獲取的點云數據存在一些噪聲點、空洞等，嚴重的影響點云數據拼接精度。而點云數據的拼接精度決定模型的精度，而且點云數據相對離散，因此點云數據的預處理至關重要。對點云數據的預處理流程主要包括點云配準、去噪、去濾波、壓縮等，進而獲取完整的三維點云數據。通過將不同站點掃描到的點云數據拼接在同一個掃描坐標系下，利用基于特征的配準算法，通過掃描物體的明顯特征來解算變換參數，并對所獲得的點云數據采取噪聲檢測與去除的研究設定，從而提高點云數據精度，使得數據拼接的誤差更小。

1.2.2 點云數據的拼接與模型構建

點云數據的拼接是點云數據處理的重要環節，拼接方法主要有基于標靶拼接、幾何特征拼接、控制點三維坐標拼接等。其中基于標靶拼接法是最簡便的拼接方法，也是目前市場上使用最多的一種。因此通過對點云數據預處理之后，將處理后的點云導入scene（Focus3D X330激光掃描儀配套點云數據處理軟件）軟件中，提取標靶點，利用標靶拼接原理，以其特征為基礎，進行定位管理，最后進行模型細節處理，從而拼接合并為完整的三維場景，實現掃描場景的三維重建。

1.3 三維建模方法比較

目前，市場上對三維模型進行構建的方式主要有：3Dmax、CAD、SCENE、點云數據三維實景、傾斜攝影建模等，它們各自都有自己獨特的優勢，部分比較如表1。

通過對以上市場上使用最多的幾種方法比較后，發現點云數據三維實景建模方式精度高、效果好、真實度高，點云數據拼接時間快，是目前建模的最佳選擇，唯一不足的就是點云數據采集時間長，模型格式需要轉化為3Ds等格式才能導入平臺進行使用。

2 基于三維空間信息的可視化系統設計

2.1 系統結構設計

系統主要基于B/S架構，結構采取多層分布式的結構，主要分為感知層、數據層、傳輸層、應用層。感知層包含各種感知終端，進行物體識別、信息采集，利用數據采集底板采集傳感器信息，并與監控對象相連。數據層則是各種采集的數據、地理信息以及三維模型數據等，從而實現空間信息數據統一管理，同時對采集底板采集上來的數據進行解讀和判斷。傳輸層則主要運用物聯網技術進行數據傳輸，通過通信模塊將解讀出來的數據發送到協調器中，從而傳遞給各PC端網關。應用層層則是系統等主要部分，以三維空間模型為依托，信息數據為紐帶，實現三維可視化平臺的呈現。系統結構如圖1所示。

表1

圖1：系統結構設計圖

2.2 數據采集模塊設計

本系統主要采用多個數據采集模塊相結合方式，從而實現數據的高效傳輸。其中大部分數據采集模塊主要由兩個部分組成，分別是：數據采集、數據處理。其中數據采集部分主要利用各種傳感器進行數據采集，通過無線網絡傳輸進入數據處理終端與計算機的存儲器中；數據處理部分主要就是將傳感器采集上來的數據進行A/D轉換，并將數據進行臨時存儲、處理；數據傳輸部分則主要通過無線網絡將數據傳輸進行系統協調器，從而實現數據的顯示。

2.3 信息數據無線傳輸設計

各種傳感器采集上來的信息數據經過處理后，傳輸進入協調器中，協調器講解析道道信息數據以無線網絡傳輸給相關網絡基站，基站以TCP/IP的處理方式發送給網關，網關再發送到后臺三維可視化系統，從而完成三維信息數據的傳輸。

3 基于三維空間信息的可視化系統實現

隨著三維空間技術研究和應用的不斷深入，二維世界已經無法滿足社會的需求，安防、建筑等相關領域對空間可視化的探索更為迫切，因此三維可視化系統的實現極大的實現了三維場景的交互和共享，信息數據的傳輸與分析。

3.1 模型自由導入與伸縮

通過采用激光掃描技術與三維模型構建技術，首先將掃描獲取的點云數據構建出場景三維模型，并將三維模型結構轉化為可視化平臺能夠識別的格式，主要為3ds、obj、mesh等格式，利用three.js庫里封裝了三維模型導入的接口，實現模型導入平臺之中，形成真實的三維景觀。將模型導入平臺之后，運用three.js特有的視角轉換技術，調用接口，實現視角的轉換與縮小，使其能與系統進行自由縮放。

3.2 空間數據同步

通過對三維可視化模型進行標注，添加一些矢量要素信息，并掛接在模型的相關節點上。同時，通過前端多結構化數據的對接，利用分布式數據采集獲取數據，將各種傳感器采集上來的數據，進行整理、轉化、修復、渲染，并將數據存儲進數據庫。最后通過PHP頁面鏈接數據庫，調用$id=$_POST[‘id’];函數，訪問數據庫文件，查詢相應數據并返回前段時間，從而實現數據的導入導出，使掛在模型節點上的相關數據實時顯示，達到數據同步，確保了可視化系統的全面與具體。

3.3 信息智能化

系統以三維空間模型為基礎，信息數據為紐帶，用PHP技術調用數據庫文件，將分布在空間的各種信息數據進行統一管理，使其可以能隨時對數據進行調用。推動空間數據向著集成化、動態化、智能化發展。同時利用各種大數據分析挖掘技術架構，對相關數據進行深度的分析與挖掘，實現動態預警、查詢等，達到真正意義的可視化、智能化。

4 結語

本文采用三維激光掃描、點云數據構建、物聯網等技術結合PHP、JavaScript、HTML程序設計語言的方式，利用三維空間模型與三位空間數據的交互，實現基于三維空間信息的可視化平臺。解決了信息數據量大、信息分散、傳輸時間跨度大等問題，給人一種身臨其境的感覺，實現了空間信息數據實時查詢、分析、全方位的監控與防護等。為智慧城市、小區安防、環境監控等領域提供了一種新的技術平臺。