基于地面激光扫描的物体建模研究

李新双，董竹，刘化冰，李金朋

(成都市勘察测绘研究院，四川成都 610081)

1 引言

三维空间信息获取，其实质是空间定位数据采集。三维激光扫描测量技术是最近发展迅速的一种新技术，已成为空间数据获取的一种重要技术手段［1］。基于地面的激光扫描技术可获取被测物体面状点的三维坐标和反射信息，对于城市三维重建和局部区域空间信息获取具有极其重要的作用，目前正引起广泛的关注和研究［2］。

三维激光扫描技术通过高速激光扫描测量的方法，以点云的形式获取物体或地形表面的三维空间尺寸信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，可以逼真地保留物体的纹理［3］，为快速建立物体的三维模型提供了一种全新的技术手段。

本文以地面激光扫描系统Leica ScanStation C10为例，通过介绍地面激光扫描进行物体重构的工作流程，针对几种不同类型的物体，结合实例，通过比较几种不同的建模方式，探讨适合不同领域的建模方法。

2 工作流程

应用地面激光扫描技术对物体进行三维重构的工作流程包括三部分:外业数据采集、内业数据处理及三维建模。

外业数据采集主要包括现场踏勘与布设控制网、控制测量、靶标布设、扫描、靶标坐标测量等［4］。数据采集采用激光扫描仪和全站仪配合的方法，激光扫描仪扫描标靶和物体目标，全站仪主要进行控制测量和标靶测量。本项目试验采用的是Leica ScanStation C10扫描仪，它的扫描速度为 50 000点/s，可进行360°×270°扫描。

内业数据处理主要包括点云拼接、去除噪声等。点云拼接是利用标靶将多站扫描的点云拼接成一个整体，使之具有相同的空间参考或控制网坐标系。对于无标靶或标靶不齐全的点云，可采用同名点方式进行拼接。点云去噪是将与建模无关的部分点云删除。拼接去噪等处理主要在Cyclone软件下进行。

对于物体的三维建模，经过大量的实践提出，针对不同类型的物体应采取不同的建模手段。下面分别对组件式物体、建筑物和复杂形体的建模方法展开讨论。

3 组件式物体建模

由于Cyclone软件提供了常用的组件模型以及与组件相对应的点云匹配算法，如柱体、球体、管体等，故对组件式的物体，如变电站、管道等可在该软件下对物体点云进行几何形状的拟合，精确地表现物体模型。方法是选择要进行建模的部分点云，画框进行分割，并单独对该部分点云进行拟合，从而生成三维模型。图1是一个罐体的原始点云，图2是在Cyclone下根据点云生成的罐体模型。

图1 罐体原始点云

图2 建模后罐体模型

4 建筑物建模

对于建筑物的三维重构，单独使用Cyclone软件非常不方便，可结合使用 CloudWorx for CAD和3ds Max软件，完成建筑物的重构。建模流程如图3所示。

图3 建筑物的建模流程

具体步骤如下:

(1)坐标纠正。目的是将坐标轴方向纠正到与建筑物一致的方向，便于沿坐标轴方向对建筑物进行切片。方法如下:分割出建筑物的一个平面点云拟合成mesh平面，使XZ或YZ坐标平面在生成的mesh平面上，坐标轴的第3个方向与该平面垂直，并保存当前坐标系。图4为坐标纠正前后的点云数据。

图4 坐标纠正前后的建筑物点云

(2)生成轮廓线。在CAD中以纠正后的坐标系打开建筑物点云，沿着垂直轴方向切片，描绘并拟合生成建筑物的平面轮廓线;沿着水平轴方向依次对建筑物的几个立面切片，生成建筑物的立面轮廓线。在细部结构处，如窗户、阳台等加点或加线。图5是生成的建筑物平面、立面轮廓线和几何结构。

图5 建筑物平面、立面轮廓线和几何结构

(3)坐标纠正至原始坐标系。将生成的几何结构导出成coe格式后导入Cyclone的建筑物点云空间，并改回为原始坐标系，导出dxf格式的几何结构即为和原始坐标系一致的坐标。

(4)贴纹理建模。在3ds Max下导入dxf格式的几何结构，参照该几何结构，贴纹理建模。

5 复杂形体建模

对于雕塑、文物等复杂形体的建模，利用上述建模方式很难对其细节进行精确拟合，可借助于逆向工程软件Geomagic Studio对物体进行真实复原。该软件通过对点云进行去噪、包裹、修补等处理，可将三维扫描数据和多边形网络转换成精确的三维数字模型。由于它采样间隔非常小，生成的三角面非常多，导致数据量非常大，故在实际应用中可采用滤波和压缩的方法来简化数据，从而提高速度。图6是西南交通大学内某雕塑的原始点云及应用该方法形成的雕塑模型。

图6 西南交大雕塑原始点云及重构的三维模型

6 比较和结论

通过对几种激光点云建模方式进行对比得出:逆向工程Geomagic Studio软件在自动化程度、模型的精细化程度和制作效率上均高于其他软件的建模，但是由于它生成的数据量巨大，给三维系统带来很大的压力，故在三维数字城市的建模中不建议使用，常用于文物保护和精细工程领域;基于CloudWorx和3ds Max建模，由于生成的模型数据量小，能体现建筑物的细部结构，故常用于三维数字城市建模;而对于工厂、管道、变电站等组件式的点云建模，常使用Cyclone软件。比较结果如表1所示。

几种激光点云建模方式比较表1

如何压缩和减少Geomagic Studio生成模型的数据量，以及如何快速映射外业扫描时获取的纹理，减少贴图工作量，是下一步要思考和解决的问题。

［1］Dinesh M，Ryosuke S.Auto.extraction of Urban Features from Vehicle－Borne Laser Data［C］.Symposium On Geospatial Theory Processing and Applications，Ottawa，2002.

［2］刘春，杨伟.三维激光扫描对构筑物的采集和空间建模［J］.工程勘察，2006(4).

［3］李滨.徕卡三维激光扫描系统在文物保护领域的应用［J］.测绘通报，2008(6).

［4］王峰，陈焕然，程效军.基于地面激光扫描仪的建筑物数字化方法［J］.测绘通报，2011(6).

［5］盛业华，张卡，张凯等.地面三维激光扫描点云的多站数据无缝拼接［J］.中国矿业大学学报，2010(3).

［6］刘春，陆春.三维激光扫描数据的压缩与地形采样［J］.遥感信息，2005(2).