基于三维激光扫描技术的建筑精细模型制作

范香香

摘要：三维激光测量技术是如今发展速度非常快的一项新兴产业，可谓“继GPS技术之后的又一项具有影响力的创新技术”。采用该技术可直接对实体进行空间几何数据信息的获取，以自身高效率、高精度、无接触测量等优势在建筑工程各个环节中起着不可忽视的作用。在建筑精细模型制作中也是如此，因此本文从三维激光扫描技术的特点入手，着重分析三维激光扫描技术在建筑精细模型制作中的应用，希望可以借此给相关的研究提供一定的参考意见。

关键词：三维激光扫描；建筑物模型；制作

1 三维激光扫描技术的特点

三维激光扫描技术，具有精度高、速度快、分辨率高、非接触式、兼容性好等優势，被誉为“测绘领域继GPS技术之后的又一次技术革命”。通过与传统测量技术，如全站仪、近景摄影测量、航空摄影测量等类比分析，主要有以下特点：

（1）非接触式。三维激光打3描技术采用非接触式高速激光测量方式，不需反射棱镜，直接对目标体进行3描，采集目标体表面点的维坐标信息。在目标危险、环境恶劣、人员无法到达的情况下，传统测量技术无法完成，此时三维激光扫描技术优势明显。

（2）数字化程度高、扩展性强。三维激光1描系统采集的数据为数字信号，具有全数字的特征，易于处理、分析、输出、显示，而且后处理软件用户界面友好，能够与其它常用软件进行数据交换及共享，可与外接数码相机，GPS配合使用，拓宽其应用范围，具有较好的扩展性。

（3）高分辨率。三维激光3描技术可以进行快捷、高质量、高密度的三维数据采集，从而达到高分辨率的目的。

（4）应用广泛、适应性强。由于其良好的技术特点，对使用条件要求不高，环境适应能力强，适合野外测量，故在工程建设各领域应用广泛。

2 建筑中采用三维激光扫描技术的问题与优越性

2.1存在的问题

三维激光扫描技术虽然作为测绘行业的前沿技术，但是在国内的应用和研究还是处于初级阶段，所以还存在的诸多的问题：

（1）三维激光测量技术在建筑工程中应用的先例不多，未能更有力的推动该技术应用于建筑行业。

（2）三维激光扫描仪属于高精密测量仪器，故价格相对于传统测绘仪器会更高，建筑工程领域难以脱离固有的工作模式，告别应用价格更低的传统测绘仪器。能被建筑工程行业所接受的相位式扫描仪价格大多数在50万以上，虽国产价格普遍较低，但仪器性能方面还未达到工程要求的标准。

（3）建筑工程测量运用新的测量技术领域，需要投入大量资金与人才方面的培养，大多数都是抱着一种观望的态度。培养一个技术人员，从购置扫描仪到硬件操作学习再到软件操作学习，还考验着技术人员能否充分利用技术应用到实际的工程项目中。

2.2建筑中采用三维激光扫描技术的问题与优越性

（1）从技术规范上分析，随着三维激光测量技术在各个行业中的应用，技术规程方面的标准也是一直受很多学者和专家的探讨与关注，工程上应用的技术规程已经有了一个具体标准。2015年，北京市测绘设计研究院依据GB/T 1.1-2009起草了地面三维激光扫描作业技术规程。

（2）从精度方面分析，三维激光扫描仪软硬件的改进完善使得扫描仪的精度更高，作业效率也随之变高，成果更具有可靠性。三维激光测量技术高精度、高效率、全方位、无接触测量等优势已经足以应用于精细的建筑工程中各个环节的测量。

（3）从未来发展上分析，数据处理软件功能集成化口益完善，工程项目中数据处理的工作量也随之减小不少，精度方面也更加的精密。随着三维激光测量技术的普及，武汉大学、上海同济大学、厦门大学、厦门理工学院等各个高校对于新技术的接受，促进了相关技术人才方面的培育。

3 三维激光扫描技术在建筑精细模型制作中的应用

3.1古建筑的三维建模过程

在建筑物建模的时候，建筑物内部、屋顶、屋檐的结构是非常复杂的，则建筑物可以被切割成不同的部分进行建模。所以，复杂建筑物的三维建模可以从局部到整体进行简化，不仅可以减少建模的难度，同时可以通过小块显示增加仿真效率。第一步，提取出该建筑的前、侧部分的二维轮廓线，并利用实体拉伸来确定墙的规则实体模型；第二步，利用线划图提取出屋顶的不规则曲线模型，构建出实体模型中的一半，另一半则使用镜像功能进行建模；第三步，利用特征曲面与特征线来构建建筑物内部复杂结构，再使用扫描、旋转、平移等功能建立模型；最后，利用三角网模型的精度损失少、能有效还原原始物样的优点，对建筑物边沿的雕塑进行拟合、构建。

3.2二维线划图制作及建筑面积统计

在软件中通过勾勒具有建筑形状的点云信息，能够获得建筑轮廓图，即目标建筑物的二维线划图信息。采用具有的分层切片技术对二维线划图的软件，第一步是给定会址建筑的UCS坐标，与此同时，需要利用软件给定X， Y，Z三个方向。第二步即对点云模型的正、侧、俯视图进行切片，然后使用软件对各个视图的点云模型进行勾勒。由于在对噪点的去除过程中，会在目标建筑物上遗留下点云信息的空洞，这会影响后期的建筑模型构建。则要利用软件的分层切片技术对有空洞的点云信息部分进行曲线拟合，同时勾勒出其空洞部分对应的特征点及曲线，从而使得空洞部分点云得到补全，使其不影响建筑物的完整性。当遇到建筑物的部分位置及其复杂时，所勾勒的线划图并不能完整的表述其结构形态，便要使用现场拍摄的图片进行辅助分析获取。

3.3三维实体建模及纹理映射

通过对点云模型进行勾画得到完整的线划图后，接下来便是利用软件进行建筑物的实体三维建模。可结合点云数据模型，从局部到整体，使用拉伸命令对轮廓线进行真实体模型的拉伸。再结合点云位置与实体处理模块，从而勾勒出与目标建筑物相一致的模型，最后再导出以OBJ、FBX等通用格式为主的真三维模型，为最后使用3DMAX软件进行纹理渲染做准备。而对于一些扫描仪不能扫描到的死角，则利用现场拍摄的照片进行信息采集，亦或是参考此建筑的建筑风格。对真三维模型进行纹理贴图，想要进行真实完美的纹理贴图，外业照片的拍摄是至关重要的。则对于外业的拍摄，首先需要一部像素高的相机，同时需要注意照片纹理拍摄的位置及角度、以及拍照的各种因素的调整等。进而，照片的采集需要全面且完整，对于同一特征的纹理信息的拍摄需要尽可能的在短时间内完成，保存相同的相机参数，是保证纹理的完整性及同时性的有效方法之一。对于纹理的采集，不仅需要纹理信息的完整性，同时需要在尽量采集足够多的细节下，采集那些只有少量杂物的纹理。再者，纹理拍摄时需要正视，在不能正视拍照的时候，则应多方位的进行拍摄，以获取更多的细节。如果拍摄的纹理扭转过大，则需要使用Photoshop等软件对其进行转正，使其有正视图的效果。最后，对屋顶、墙壁、地板等较大面积的纹理进行信息拍摄时，要注意拍照的面积不能过小，同时对于各种纹理需要进行编号，利于后期的纹理贴图处理。

将得到的纹数据经过图像处理软件处理过后，即可进行三维实体模型的纹理贴图。纹理贴图是增加三维模型真实感的重要过程，是三维场景构建的核心环节之一。其主要步骤包括：把真三维模型导入3DMAX中，将其变成能编辑的多边形，再将对应的处理过的照片拖入到要贴图面的材质编辑器中，再依据属性栏进行属性偏好设置，使其更贴近真实建筑物。

参考文献

[1]韩宇. 基于三维激光扫描技术的高层建筑整体变形监测的方法研究[D].江西理工大学，2015.

[2]白成军，吴葱，张龙.全系列三维激光扫描技术在文物及考古测绘中的应用[J].天津大学学报（社会科学版），2013，15（05）：436-439.

[3]谢洪. 基于地面三维激光扫描技术的海量点云模型重建关键算法研究[D].武汉大学，2013.

[4]张亚. 三维激光扫描技术在三维景观重建中的应用研究[D].长安大学，2011.

（作者单位：蚌埠市勘测设计研究院）