基于三维激光扫描技术的数字校园建模

梁晨　张安兵　杜赛赛　张新新　王炳灵

【摘 要】本文以河北省某高校某一校区为研究对象，利于天宝（Trimble）TX8三维激光扫描仪获取学校内各建筑物点云数据，然后利用天宝（Trimble）TX8三维激光扫描仪的点云后处理软件Realworks对点云数据进行处理，最后再利用SketchUp软件进行建筑物三维建模，对模型进行纹理信息的补充，建立具有逼真视觉效果的三维数字化校园模型。

【关键词】地面三维激光扫描技术；点云数据；三维建模；数字校园

中图分类号： P208 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）23-0163-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.072

【Abstract】This paper takes a certain campus of a university in Hebei Province as the research object，Tianbao （Trimble） TX8 3D laser scanner is used to get cloud data of buildings in schools.Then，we use Tian Bao（Trimble） TX8 3D laser scanner's point cloud post-processing software Realworks to process the point cloud data，Finally，the SketchUp software is used for building 3D modeling，Supplement of the texture information to the model，A three-dimensional digital campus model with realistic visual effects is established.

【Key words】3D ground laser scanning technology；Point cloud data；3D modeling

隨着科学技术的快速发展，地面三维激光扫描技术作为一门新兴的测绘技术，成为了人们的关注热点之一[1]。近年来，随着人们对建筑物三维化信息的需求日渐增加，传统的二维平面信息已经很难满足人们的需求。而三维数字校园具有逼真的视觉效果，可以真实地展现校园景观，提供更加丰富的建筑物信息，提供更加完善的信息化服务[2]。地面三维激光扫描技术作为一门新兴的测绘技术，逐渐取代了传统的测量方式，对测绘成果数字化、科学化具有重要的意义[3]。该技术采用激光进行测量，非接触、高速度、高精度、大量地获取目标物的三维坐标数据，这些数据被称为“点云”数据，可以实时、动态、真实地反映客观事物的现状，为科学准确地建立数字模型提供一种全新的技术手段。

美国，加拿大，瑞典等国对三维激光扫描技术的研究起步较早，已经形成具备一定规模的新兴产业。其中地面三维激光扫描技术是研究的热点，并且已经取得了大量的成果及商业化产品，特别是机载三维激光扫描技术已经日趋成熟。如瑞典的SASB公司的Topeye系统，加拿大Optech公司的ALTM系统，美国John Chance公司的Fli--map系统等。由于基于TOF激光测距技术的三维激光扫描仪是近几年研究的新成果，目前国内外对此技术的研究仍处于探索阶段[4]。

随着信息技术的发展，获取更加全面、精细的建筑物三维信息及纹理信息已经成为数字校园的建设在全国已经形成一个势不可挡的浪潮[5]。本文以河北省某高校某一校区为研究对象，利于天宝（Trimble）TX8三维激光扫描仪及SketchUp建模软件，建立具有逼真视觉效果的三维数字化校园模型。

1 研究方法

本文以河北省某高校某一校区为研究对象，基于天宝（Trimble）TX8三维激光扫描仪与SketchUp建模软件进行三维数字校园建设。

所用三维激光扫描仪的基本信息如表1所示。

表1 三维激光扫描仪基本信息

本文主要技术路线如图1所示。首先利用天宝（Trimble）TX8三维激光扫描仪对校园内主要建筑物进行扫描，获取点云数据，再利用天宝（Trimble）TX8三维激光扫描仪点云后处理软件Realworks对点云数据进行配准、去噪、去遮挡物等处理，然后在形成的完整建筑物的点云数据中利用SketchUp软件对建筑物进行三维建模，再对建好的三维模型添加合适的纹理[6]，最后利用已有的地形图资料对构件好的三维模型根据实际比例进行缩放，再根据地形图资料添加道路等地物信息，最后对数字三维校园进行后期渲染与修饰，形成完整的数字三维校园模型[7]。

2 数据获取与处理

2.1 点云数据的获取与处理

由于校园内教学楼等建筑较多，不可能一次性使用三维激光扫描仪将所有的建筑物点云数据都扫描到，所以本研究对建筑物进行分区扫描，最后将扫描到所有的建筑物点云利用已有的地形图资料在SketchUp建模软件中进行三维建模。

校园内某建筑物的数据获取及处理过程如下。该建筑物扫描共设置8个测站，通过匹配各测站点的同名目标球，完成8个站点的点云配准与拼接。点云数据最终配准与拼接结果如图2所示。所有建筑物的扫描点云配准与拼接过程中，相邻测站点间均匀3个或3个以上同名目标球匹配，并且目标球的位置均扫描良好，满足点云配准的精度和要求，配准结果最大误差为0.015m，配准效果良好。

点云数据的处理包括去除噪声、点云配准与拼接、数据精简和三维建模几个方面。点云数据配准与拼接完成后再将其进行去噪、数据精简等处理，形成的完整建筑物的点云数据。

2.2 平面数据的获取与处理

利用Google Earth 中的影像，在此基础上进行矢量化处理，勾画出建筑物平面图及地物平面图，如图3、图4所示。

3 数字模型的建立

基于扫描点云数据的三维模型建立，采用约束自动建立模型，并在此基础上对模型进行修改[8]。本文采用对建筑物的角点检测方法，在SketchUp中直接创建出建筑物的各个角点，并将创建的相应角点进行连接，形成建筑物的各个面，形成一个独立的建筑物三维模型[9]，如图5所示。

由于采用三维激光扫描技术利用点云数据对建筑物进行建模时，每个建筑物都是一个独立的个体，所以需要对建筑物进行场景合并，并将所有建筑物及地物信息合并在同一坐标系中[10]。最后对校园模型进行渲染及修饰，建立具有逼真视觉效果的三维数字化校园模型，下图为传统的二维校园平面图与三维建模数字化校园图对比，如图6、图7所示。

4 结论

本文以三维激光扫描技术采集的建筑物点云数据作为校园建筑物建模数据，以Google Earth 提供的高分辨率影像为校园区域的主要平面数据及坐标系统依据，利用SketchUp软件构建了河北省某高校某一校区的三维数字化校园模型，与传统的二维校园平面图形相比具有逼真视觉效果。该数字校园模型实现了三维校园的放大、缩小、查看属性信息，对建立大范围的“数字城市”等都具有重要的参考价值。

由于受时间等因素的限制，本文未对精度方面的研究进行尝试，仅利用相对位置之间的误差作为精度分析的依据。随着计算机技术和三维模型景观技术的发展，三维数字校园的建模还可以添加更多现实丰富的内容：如在数字校园模型中添加动态模型（例如运动中的人、行进的汽车和动态的喷泉等）和自然现象（风、雨、雪等）。总之，利用三维激光技术进行三维模型的建立可以更加趋近于真实场景，实现真实场景的三维数字模型化。

【参考文献】

[1]王潇潇.地面三维激光扫描建模及其在建筑物测绘中的应用[D].中南大学，2010.

[2]洪亮，杨和娇，杨昆.基于SketchUp和ArcGIS的三维数字校园设计与实现[J].地理空间信息，2014（1）：84-86.

[3]岳沖，刘昌军，王晓芳.基于多尺度维度特征和SVM的高陡边坡点云数据分类算法研究[J].武汉大学学报（信息科学版），2016，41（7）：882-888.

[4]李志良.基于点云数据的真三维建模方法研究[D].太原理工大学，2014.

[5]杨晶，刘守军.基于影像点云的三维激光扫描仪成图与建模软件[J].测绘通报，2013（06）：119120.

[6]高俊，张德杨，张真真.基于RealWorks和SketchUp的建筑物点云数据三维建模[J].河南科技，2017（17）：21-23.

[7]赵万森.倾斜摄影实景三维模型在朝阳市规划管理中的应用[J].工程技术：全文版，2017（2）：00086-00087.

[8]杨明珠，董燕.三维激光扫描点云数据处理及建模研究[J].价值工程，2017（12）：117-119.

[9]王家耀.地图制图学与地理信息工程学科发展趋势[J]. 测绘学报，2010，39（2）：115-119.

[10]李勇.基于激光扫描点云数据的建筑物三维重建研究[D].中南大学，2011.