基于點云數據的三維模型重建

李佳康

摘 要：隨著需求的不斷增長，空間信息的表示逐漸從二維形式朝三維形式轉變，三維建模技術與點云數據采集技術的結合極大地提高了其真實性和可視化水平。三維激光掃描技術廣泛應用于多個方面，其具有快速性、不接觸性、穿透性、主動性和實時性，同時具有動態化、數字化、自動化和效益高、密度高、精度高等特點，解決了目前空間信息技術發展中實時性與準確性的瓶頸。因此，該技術在逆向工程建模過程中發揮了很大的作用，滿足了各種產品需求。

關鍵詞：LiDAR點云數據處理;特征點建模;紋理貼圖

中圖分類號：P225.2;TU198文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）04-0020-03

Abstract： As demand continues to grow， the representation of spatial information has gradually changed from a two-dimensional form to a three-dimensional form， the combination of 3D modeling technology and point cloud data acquisition technology has greatly improved its authenticity and visualization level. Three-dimensional laser scanning technology is widely used in many aspects， it is fast， non-contact， penetrating， proactive and real-time， and also has the characteristics of dynamic， digital， automatic， high efficiency， high density and high precision， which solves the real-time and accuracy bottlenecks in the current development of spatial information technology. Therefore， this technology has played a great role in the process of reverse engineering modeling to meet the needs of various products.

Keywords： LiDAR point cloud data processing; feature point modeling; texture mapping

城市的三維空間信息獲取是通信網絡布設、城市規劃與管理、智能交通、應急救助與災害監控等工作的重要數據基礎，相對于早期的城市測量數據方法，新一代的[1]移動測量技術的快速發展和應用為城市信息采集與分析提供了新思路。三維激光掃描技術主要依靠激光測距的原理來獲取空間三維坐標信息[2-3]。現階段，點云數據處理常用的軟件有Terrasolid、Cyclone、Geomagic和Polyworks等，模型構建可以采用3D Max、Revit、Smart 3D和Sketch Up等軟件，同時配合合理的材質圖片進行紋理貼圖，使得建筑物模型更加真實與美觀。

1 技術流程

從機載三維掃描儀獲取的點云數據需要進行[3]數據處理，包括點云數據濾波處理、去除噪聲誤差點以及數據點的分類整理，方便各個地物及地面點的模型建立，最后通過建模軟件實現三維模型的逆向創建，從而對建筑物及其他地物、地形進行規則化處理和模型生成，基本技術流程如圖1所示。下面分析其主要過程。

1.1 點云濾波降噪處理

點云濾波就是從海量數據中分離出地面點。人們常說的濾波手段多針對圖像，但是對于點云來說，濾波的實現手段則不一樣，從其關系來看，對于復雜的三維外形，其三維坐標之間并不是以某種規律或某種數值關系來進行定義的，通常有雙邊濾波、高斯濾波等方法。

1.2 建模方法介紹

建模方法主要有兩種：一是基于特征提取方式建模;二是多源數據融合的建模。

1.2.1 基于特征提取方式建模。建筑物建模主要是依據建筑物的特征點和特征線，清晰準確地提取建筑物特征信息。人們可以采用基于移動最小二乘法和矢量估計算法[4]的建筑物點云特征提取方法。另外，對于分類后的點云數據，有時會將較為高大的植被與建筑物混雜在一起，在進行建筑物建模時就會造成一定的干擾，因此可以采用基于點云目標粗糙度的算法[5]進行區分處理。這里的粗糙度是計算某個點的曲率，可以計算鄰域范圍內的點的協方差矩陣的特征點來估算每個點的曲率值。

1.2.2 多源數據融合的建模。工作人員可以采取多源數據融合的方式進行建模，例如，利用地面三維激光掃描和機載掃描技術獲取建筑物的立面點云數據，再配合無人機傾斜攝影技術獲取建筑物頂部和側面的影像圖，然后利用近景影像對建筑物細節進行補拍，將這幾種數據進行融合處理。

1.3 點云抽稀

目前，點云數據抽稀算法[6]主要可以歸納為不顧及地形特征和顧及地形特征的[7]兩種算法，下面進行簡要介紹。

1.3.1 不顧及地形特征的算法。基于系統抽稀，給一個事先規定的采樣間隔，然后按照采樣間隔隨機抽取一點予以保留。

1.3.2 顧及地形特征的算法。基于不規則三角網（TIN）點云抽稀，首先根據離散數據點生成一個不規則三角網（TIN），然后計算目標點云一定范圍的三角面片間的法線偏差，并根據這個法線偏差的大小來判斷是否抽稀點云數據。

2 試驗流程及操作

2.1 點云數據處理

TerraSolid是運行在Microstation系統之上的商業化LiDAR數據處理軟件，主要使用TerraMatch、TerraScan、TerraPhoto和TerraModeler等模塊。加載TerraScan模塊，把點云數據按照las1.2格式（暫且不需要抽稀）加載進來。

2.1.1 航線信息數據處理。將點云數據導入軟件后，人們可以利用測區航飛記錄，找到測區內所有航線對應架次及航線文件夾，復制對應的timelist.txt和sbet.out文件，對航跡線進行編輯和編號。

接下來匹配點云和航跡線，從而校正點云的整體姿態，創建宏命令“Deduce_line_numbers.mac”并運行。

2.1.2 點云抽稀。本次設計試驗的主要目的是對建筑物等地物進行逆向模型創建。在創建過程中，可以采用不基于地形特征的抽稀方法，因為數據量過大時后期建模軟件會有一定的壓力，也不方便提取建筑物的特征點，因此使用TerraSolid軟件的自帶抽稀功能。

設置采樣間隔15，進行抽稀比較，沒有進行抽稀的點云加載12 804 530個數據，系統抽稀后，點云加載853 635個數據，抽稀后的建筑物特征點仍然存在。

2.1.3 點云數據濾波降噪。在TerraSolid軟件中創建宏命令“ground_per_line.mac”，設置參數運行完成，得到地面點。這里所采取的噪聲去除算法則是用一個點的高程值與給定距離范圍內每一個點的高程值進行比較，如果中心的點云數據的高程值明顯低于其他點云數據的高程值，這個點就被分離出來，同樣，高位誤差點也是如此。

2.1.4 點云數據分類。下面對點云數據進行分類操作，分別存儲不同類別的點云數據，將其作為后期建模的數據來源。配置一定的參數，設置宏建立macro進行批處理，首先分類出low、medium和high vegetation，將低、中、高植被分離出來。分類結束后，將點云數據另存為las格式。接著，設置宏同樣進行批處理，用來分離建筑物點云數據，設置參數Z的允許限差為0.2 m。建筑物點云數據如圖1所示。

2.2 點云數據格式轉換

由于3DS Max軟件只能導入rcp格式或者rcs格式的點云數據，因此人們需要借助中間軟件將las格式轉換成rcp格式。同時，采用Autodesk Recap 360軟件，將las格式各類別的點云數據進行格式轉換，將其轉換成一個點云投影文件rcp。

2.3 建模過程

本研究使用3DS Max2016版本軟件進行建模，使用加載Cloud Point功能將點云數據加載進來，同時可以設置點云顯示的顏色、像素、細節級別，以便辨別建筑物特征。3DS Max點云效果如圖2所示。

2.3.1 試驗建模方式。在建模過程中，人們主要利用創建標準基本體的立體圖形進行較為規則的建筑物模型創建，這可以稱作粗略參照式建模。對于不規則、輪廓復雜的建筑物，人們可以使用樣條線工具進行描繪創建，并且添加擠出修改器，給定數量，在側視圖中進行高度匹配。

對于一些較為規則的建筑物，人們可以創建幾何體，進行幾何體的修改或者拼接、交叉。對于復雜結構的建筑物，人們可以結合樣條線和標準結合體共同操作，在創建過程中也可以選擇線框或者真實、明暗處理，然后觀察建模效果，根據點云的位置、高度盡可能準確地匹配。

當對更為復雜的建筑物進行建模時，在多邊形基礎建模后，人們可以將對象轉換成編輯多邊形，可以從點、線、面三方面對建筑物的細節進行修改和調整，同時搭配上編輯多邊形中的布爾運算，進行基礎模型之間的求交集、合并等操作。以校門建模為例，配合布爾運算時，校門建模效果如圖3所示。

另外，對于建筑物以及道路圓弧或者非直線部分，可以采用樣條線下的圓弧、圓環操作，或者采用直線繪制方式，將頂點轉換成角點、Bezier或者Bezier角點。為了方便管理，某一建筑物建模完成后，可以將其整體拼接為組并命名，將組打開或者解組，方便進行修改和貼圖紋理。

2.3.2 材質貼圖紋理。一是材質貼圖獲取;二是材質編輯器;三是貼圖調整和修改。

2.3.2.1 材質貼圖獲取。要想達到更真實的模型效果，只依靠建模軟件中自帶的RGB（紅、綠、藍）顏色是不夠的，可以從設計網站中選取合適的材質圖片，包括一些建筑物立面貼圖、路面、植被貼圖等。同時，為了便于獲取試驗區域的近景照片，可采用地圖軟件等，使用全景地圖功能，獲取一定的近景圖片，再經過后期處理，使其更加清晰、適配。

2.3.2.2 材質編輯器。人們可以使用3DS MAX軟件中的材質編輯器功能的位圖操作，將不同的材質賦予到材質球上，并且可以對貼附的材質圖進行裁剪、旋轉、平移等操作，從而使得圖片更加適配。

2.3.2.3 貼圖調整和修改。對于各個面進行調整時，人們可以添加一個UVW貼圖修改器，設置參數，如貼圖的方式，一般在立體圖形上選擇長方體方式，也可以調整貼圖大小，在U、V、W各方向加以調整。以學校建模為例，其區域效果圖如圖4所示。

3 結論

隨著信息技術的不斷普及，數字地球、數字城市等逐步發展起來。未來，三維激光掃描技術建模必定會取代傳統的建模方式，節省更多的人力、物力以及時間，并且可以實現高精度、數字化、自動化和實時化。LiDAR的出現提供了一種獲取測量數據的新型方法，其廣泛應用于諸多行業。LiDAR在自動駕駛、農業作物分類、規劃設計、考古與文物保護和醫療等方面不斷擴展與創新，建模的實現可以提升視覺及感官效果，其適用于不同的承載平臺，可以實現數據的輕量化存儲。

參考文獻：

[1]常寧.基于激光雷達的城市數字化建模技術研究[D].長春：長春理工大學，2017：16-17.

[2]鄭俊，楊志強，張凱南.基于三維激光掃描數據的建筑物建模研究[J].北京測繪，2018（7）：773-777.

[3]鄭超.基于機載LiDAR點云的建筑物三維重建[J].測繪技術裝備，2019（2）：32-34.

[4]馬錦華.逆向工程中三角網格模型細分技術研究[D].鎮江：江蘇大學，2007：21-22.

[5]徐光禹，杜寧，王莉，等.多源數據融合技術在古建筑三維重建中的應用[J].測繪通報，2019（10）：77-82.

[6]錢金菊，張昌賽，王柯，等.機載LiDAR點云數據抽稀算法研究述評[J].測繪通報，2017（1）：33-35.

[7]陳云波，馮亞飛，季曉波.利用3ds Max與三維激光掃描技術生成三維建筑模型的研究與實踐[J].測繪通報，2016（12）：77-80.