基于点云数据的建筑物快速精细建模*

陈邦泽，杨晓波，郭霖蓉，曹海龙

（1.西藏民族大学 教育学院，陕西 咸阳 712082；2.西藏民族大学信息工程学院，陕西 咸阳 712082；3.西藏民族大学 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室，陕西 咸阳 712082）

基于点云数据的建筑物快速精细建模*

陈邦泽1，杨晓波2，3，郭霖蓉2，3，曹海龙2，3

（1.西藏民族大学 教育学院，陕西 咸阳 712082；2.西藏民族大学信息工程学院，陕西 咸阳 712082；3.西藏民族大学 西藏光信息处理与可视化技术重点实验室，陕西 咸阳 712082）

运用点云切片提取建筑物特征线拟合建模，对于长方体、圆柱体、管状体等规则物体自动匹配建模，对于不规则物体进行点云切割、侧视图提取轮廓线、拟合建模，对相同的结构复制等方式批量处理，然后根据点云组合模型，完成建筑物主体建模；通过平面投影方式提取门窗等细节的轮廓线，将轮廓线导出到第三方软件，实现对门窗的精细建模；最后通过纹理贴图生成极富真实感的三维模型并对其数字化展示。

点云；三维激光扫描；特征线；拟合建模

三维激光扫描技术能够快速地、无接触地、主动地、高密度、高精度、快速而有效地获取激光点云（Points Cloud），基于激光点云的重建技术在文物保护、古迹还原、建筑监测、虚拟漫游、数字化城市等诸多领域被广泛应用。本论述利用Trimble TX5三维激光扫描仪实现了本校图书馆的扫描、点云数据拼接和三维重建。

1 三维激光扫描外业数据采集

为了建立完整的三维立体模型，三维激光扫描仪从内部射出高频率激光束射到建筑物上从而获取建筑物表面上的点的空间位置坐标，得到一系列点云，是对目标建筑物全面的立体扫描，得到建筑物全部必要的空间信息。在进行扫描之前，应该先全面了解扫描对象的基本情况，勘察目标建筑物附近的地形，合理布设扫描站点安排好扫描线路。建筑物都是三维立体的，必须进行多站点测量。设站的原则是要保障最终数据采集的完整性，各站之间要有一定的重叠区域。建筑物周围的树等遮挡物会导致数据采集时形成噪声，选择测站点时应选择视角较好的位置，另外测站点个数尽可能少以减少数据重复率。扫描前还应根据扫描对象的特征确定扫描的精度以便设置扫描仪的采样密度，采样密度的大小决定了最终三角网构建的精度。

2 数字影像采集

三维激光扫描仪采集数据的是点的集合，称为点云（points cloud），每个采样点的空间坐标用一个像素表示，包含一个距离值和一个角度值[1]。扫描数据时还需要采集数字影像，以便将扫描对象的纹理信息与模型准确生动地匹配起来，为后期处理纹理映射提供基础数据。项目中除使用仪器自身的同轴相机外，还使用单反相机进行影像的采集。获取的数字影像也一定要完整清晰，这将决定最后模型的纹理效果。获取数字影像时，为了保证采集的纹理信息各个位置的像素与原来影像的像素一样[2]，获取影像的设备镜头要最大限度保持平行于扫描对象的立面。Trimble TX5内置全自动7000万像素广角环幕无视差色彩叠加彩色数码相机——真正同轴的数码相机，在Trimble Realworks软件内轻松处理，获取精确逼真的扫描成果，自动将色彩与激光反射亮度信息叠加到点云上，得到逼真的彩色点云。

3 点云数据预处理

3.1 点云数据配准

三维激光扫描仪获取的每站数据都有各自的仪器坐标系（SOCS），因此应将不同视点获取的激点云数据统一到一个固定的坐标系中，多站扫描点云数据拼接是利用点云数据中的变换信息找出两个坐标系之间的变换关系，将多站点数据转换到同一个坐标系中，该过程称为点云数据的配准[3]。以两站扫描数据scan000和scan001为例进行配准。以scan000为基准，实际上就是求scan001到scan000的变换参数，即由3个角元素（φ，ω，κ）组成的旋转矩阵R和3个平移量（Δx，Δy，Δz）组成的平移向量T。变换条件满足

在Trimble Realworks软件中，从仪器坐标系到工程坐标系的转换矩阵为：

3.2 全景与点云配准

在影像拼接处理时，将影像处理成球面模型，对于点云，同样通过点云坐标可以反算影像像素坐标，获取像素颜色，制作真彩点云[4]。

3.3 点云去噪

扫描周边环境树木等的遮挡会导致采集的数据产生不清晰、不规则和缺损的点云，这些被称之为噪点[5][6][7]。拼接时相邻两测站数据之间点云会有重叠，产生的三角网也会出现冗余，所以应对这些数据进行优化。赖军等采用移动最小二乘法对点云数据进行高斯滤波，具体算法如下：首先对点云数据建立kd-tree；然后对每个点，在kd-tree上查找其k个最邻近点（k= 20），该点的最终位置为k个最邻近点的加权平均值。如果一次滤波效果不明显，上述过程可重复多次[8]。

口头交流是教师和学生、学生和学生之间用以交换想法和意见的心灵对话。教师应充分发挥语言本身在课堂中的作用，通过语言创设语境，引导学生开展口语交际活动。

4 特征线拟合法精细建模

4.1 利用建筑物特征线拟合建模

点云显露了建筑物的表面轮廓，要提取这些轮廓可进行点云切片，即用一组平面对点云进行交运算，点云相对散乱密度不高，在求出轮廓线切片时要有一定的厚度，而且厚度要适中。如果切片厚度太大拟合时效率太低得到的轮廓线也会出现较大偏差。如果切片厚度太小可能会丢失轮廓线的特征。所以切片时需要对点云密度ρ进行预测，参考预测值来确定点云的切片厚度[9]。通过建模工具由特征线恢复建筑物的立体形状。

4.2 不规则物体建模

对于不规则物体首先进行点云切割，在侧视图对其进行轮廓线提取并进行拟合建模，并按点云形状对其进行大小调整。

4.3 自动匹配规则物体

4.4 批量处理

建筑物模型一般存在许多相同特征的结构，如立柱、廊檐等，如果对这些结构一一建模将会大量浪费时间。可以对这些结构进行批量建模，对相同的结构可以进行复制以便批量处理，以提高建模速度。

4.5 模型修正

将所有构件模型导出至3dsMax软件中，由于各部分模型是各自建成的，各个小模型之间可能会有大大小小的缝隙、交叉[10]，因此要对各模型进行修正误差，直到得到完整的图书馆模型。

4.6 细节建模

对于门、窗等细节。通过平面投影方式提取门、窗等的轮廓线，将轮廓线导出到3dsMax中，在3dsMax中与建筑主体进行布尔运算，实现对门、窗的精细建模。

5 纹理贴图

纹理贴图在提高模型逼真度方面无可替代，从而生成极富真实感的三维景观，可利用扫描仪自带的同轴摄像头和单反数码相机获取纹理信息以进行建筑模型表面的纹理贴图。必要时利用图像处理软件如photoshop等对获取的纹理图像进行处理。几项关键技术，一是透明纹理贴图，如楼梯栏杆因为有镂空所以就要用到透明纹理贴图；二是不透明单面的纹理贴图和纹理拼接[11]。

6 数字化展示

对大规模的建筑进行数字展示还很困难，因此在保证模型展示质量情况下要最大可能地减少面片数，将背面的、看不见的面删除；平直的结构要使用较少的网格分段数；要尽量减少模型的接缝，并且不能有顶点错位，模型面、边相互交叉现象[12]。这样便可降低三维模型的数据量从而实现对模型的数字化展示，本论述用Virtual Reality Platform软件进行展示，见图1所示。

图1 数字化展示

7 结束语

利用三维激光扫描仪获取的点云数据结合高分辨率影像进行建筑物精细建模是目前古建筑修复与设计等领域的主要技术手段，有很大的应用价值。本论述探讨了一些快速实用的方法实现了图书馆的三维快速重构，并保证了模型构建的精度，并实现了数字展示。下一步将对点云数据的预处理、三角网模型的快速构建、纹理贴图等方面自动实现进行研究。

［1］ 路兴昌，张艳红.基于三维激光扫描的空间地物建模［J］.吉林大学学报（地球科学版），2008，38（1）：167-171.

［2］ 孟志义，钱林.基于点云数据的文物精细建模［J］.测绘通报，2011（12）：40-42.

［3］ 高盼，李磊，郭广礼.基于三维激光扫描数据的实体构筑物三维建模［J］.测绘信息与工程，2011，36（4）：10-12.

［4］ 龚书林.三维激光点云处理软件的若干关键技术［J］.测绘通报，2014（6）：135-136.

［5］ 丁燕，张纪平，王国立.三维激光扫描技术在西藏白居寺保护中的应用及思考［J］.古建园林技术，2010（3）：21-29.

［6］ 孙新磊，吉国华.三维激光扫描技术在传统街区中保护中的应用［J］.华中建筑，2009，27（7）：44-47.

［7］ 白成军，吴葱.文物建筑测绘中三维激光扫描技术的核心问题研究［J］.测绘通报，2012（1）：36-38.

［8］ 赖军，王博，付全，等.基于点云模型的人体尺寸自动提取方法［J］.中南大学学报（自然科学版），2014，45（8）:2666-2682.

［9］ 杨振清，雍永磊.基于点云切片的边界提取［J］.计算机应用与软件，2014，31（1）：222-245.

［10］ 吕翠华，陈秀萍，张东明.基于三维激光扫描技术的建筑物三维建模方法［J］.科学技术与工程，2012，12（10）：2410-2414.

［11］ 程效军，朱鲤，刘俊领.三维建模中的纹理处理［J］.应用技术，2004（2）：24-26.

［12］ 郑付联.3DMAX建模技术及其优化的研究［J］.大众科技，2010（2）：43-44.

P234

：B

DOI 10.3969/j.issn.1672-6375.2016.12.005

2016-9-23

全国教育科学规划项目（FCB150516）；陕西省教育科学“十二五”规划2014年度课题（sgh140830）；西藏民族学院教改重点项目（基于微课的师范生教育技术能力培养策略研究）。

陈邦泽（1969-），男，汉族，甘肃镇原人，硕士，副教授，主要研究方向：教育技术学、虚拟现实、计算机辅助教学。