基于激光雷达与倾斜摄影的三维建模技术探析

孙时钟

摘要：在经济生活的飞速发展下，科学技术正在逐步向现代化发展，并被赋予了更多的生活元素，与人们的生产生活密切相关。在建工业，人们开始逐渐对三维数字城市的建设关注度日益增多，无形中给单位建模技术人员带来了莫大的压力。但随着激光雷达与倾斜摄影技术的融入，使得三维建模技术有了突破性的进展。

关键词：激光雷达;倾斜摄影;三维建模技术;探究与分析

随着数字化城市、智慧化都市的发展，使得人们对城市建设中的地表及地质信息有了更高层次的需求。传统意义上平面数字地图的绘制和三维城市建模的呈现已经很难适应时代发展的需要。传统方式下的三维建模技术，以简便易于操作等特征在长期的发展中占据主导地位，但对于人工操作而言，技术工人的工作强度大，成效低，准确度也稍显逊色，极难适应当下快节奏的城市建设趋势，因此需要对三维建模技术进行优化升级。

1    三维建模技术的概述及现状分析

1.1 概述

三维建模是对物体的立体多边形呈现，一般情况下是用电子计算机或是视频设备，将物体的虚拟映像在显示器上呈现，使其更形象准确地展现在信息使用者的面前。自然界上存在的任何物体都可以用三维建模的形式呈现。实物的三维模型通常有专业的建模工具和软件，将数据、网格、纹理进行归集，并生成立体的图像信息，如图1所示。三维建模可以采用手工或计算数据推演出来，虽然其在电子计算机系统中是虚拟的存在，但是在纸上的呈现就定义为三维模型，目前，三维建模普遍用于各行各业中涉及到三维图形的领域。

三维建模在各领域的应用包括：医疗卫生行业的器官的模型、CT核磁，影视行业的电影、电视的制作，游戏娱乐行业的游戏人物、场景设置，科学领域的化学合成物的模型，建工业建筑物的图纸、工程设计、工程应用领域设备整体架构，还有地球科学的三维地质模型，详见表1。

三维模型本身是不具有实体表现的，是通过计算机技术和设计师的设计，让其以线条勾勒出立体层次，再通过细节渲染，明暗调节，以立体图像的方式呈现。在三维模型上会通过纹理进行具体的描绘，将纹理在三维模型上的呈现成为映射，实际中的纹理是图像的一种表现方式，通过纹理的描绘使模型的构建显得更加逼真，并且会将原物体上的数据及信息按比例进行缩小，使得三维建模对原物体尽可能做到高精度还原。还会通过曲面法线结构，进行局部提亮，使其形成明暗变化，同时，在曲面上加上凹凸的纹理映射，提升三维模型的立体渲染。在三维建模时，通常会以视频动画的形式呈现，并通过成百上千次的修改和调整，使模型的呈现更加精准，实用性、参考性价值更高。

三维建模技术是通过网格和纹理的组合实现的，首先通过三维立体坐标的绘制，激光的反射强度呈现和色彩调和形成云点，再由云点做成三维模型网格。这些网格通常情况下由多边形、凹凸点构成[1]。而三維模型的纹理是物体表面的真实模拟呈现，复制了原物体表面的纹路和整体质感。三维模型的纹理还是物体表象上的彩色图案表象，又称纹理贴画。对纹理重新进行排列组合，并对其形成的图像进行加工调整，使得纹理在网格上映射出图像，最终建成使用者所需的三维模型。

三维建模的方法主要包括：3D软件建模，实际工作中的仪器设备测量建模，利用视频、动画、图像的制作来建模。

1.2 现状分析

就目前我国三维建模的实际情况而言，按照建模技术模式和呈现方式可分为：仿建，半仿建以及实际测量建模。但最实用的是实地测量建模，其主要是用航测的方式实施的，但由于受航空拍摄角度的限制，其所收集获得的数据信息并不全面，可以大致上获得空间位置数据以及顶端纹理数据，而缺少侧边曲面数据。

影像数据本身就存在技术缺陷，受空间、时间和收集方法的因素限制，使得现阶段的三维建模存在成本高，操作强度大，环节复杂，以及呈现效果未知等发展的限制因素，阻碍了三维建模技术的进步和提升，对其影响巨大。

2    激光雷达技术的分析

激光雷达技术设备是通过激光进行扫描、定位的测量装置，可以通过激光实现高精度的测量与定位。激光雷达技术设备由激光发射器和接收器构成，其工作原理是通过发射器发出激光，经由物体表面发生折射，再被接收器接收。通过激光的折射原理和反射时长实现测距，再通过激光发射器、接收器的高度，扫描的角度实现对三维坐标的精准测算。

就激光雷达技术在现实中的实际应用，大中型的激光雷达设备类似于俯视视角的光学成像系统，通过同步的方式收集地表、物体表面的映像，激光云着色来实现更完美的视觉呈现。激光雷达技术以其显著的优势，在三维建模领域已逐渐崭露头角。

激光雷达技术的特点：通过精确度高、密集度高的激光点和云端数据，能直接映射出物体的三维成像坐标，省去了人工和机器测算的程序环节。该技术通过智能化或是与人工结合的方式，将人体映射到地表物体的点，进行云端的采集和归置，构建云端图像，智能化地提取三维数据。由于激光点和雷达在密度上、数量上的优势，提高了三维数据采集的精准性和获取速率[2]。再加上激光雷达设备的超强穿透力，可以测量植被覆盖下的地表概况，根据这一特点，激光雷达技术往往也被应用在地形的考量、工程的勘探甚至工程测量，这就意味着激光雷达技术数据的精准程度，已达各行业的顶尖水平，并对其具有极高的指导性意义。

激光雷达技术获取的纬度坐标，完全达到高精度影像仪器的要求，使得数字正摄影像图的量化生产成为可能，无需昂贵的专业数字处理平台加持，亦可通过遥感系统实现系统化的批量生产。因此，三维建模技术更需要激光雷达技术的加持。

3    倾斜摄影的技术分析

倾斜摄影技术是近年来三维建模技术发展的时代产物，其与传统航测技术存在质的差别。航测只限于处置角度的拍摄，信息数据的收集不全面，而倾斜摄影技术根本不存在这方面的困惑。倾斜摄影技术属于将多个传感器安装在同一个飞行设备上，在采集器工作时，可以获取到多角度的影像数据信息，为使用者呈现更直观的数据信息。

将倾斜摄影技术应用到三维建模技术中，既利用了航空摄影大范围、全方位成像的强大优势，又便于获取物体的纹理特征。在节约生产成本、时间成本的同时降低了技术工作的强度、难度，实现了操作的高效性。在三维建模的倾斜摄影技术实际应用中，通常采用相关度量来表示特征之间的相似程度，度量值越大，相似度越高，其度量计算公式如下：

而如果使用SIFT算法进行特征匹配时，把一个图像的尺度空间L（x，y，σ），定义为原始图像 I（x，y）与一个可变尺度的二维高斯函数G（x，y）卷积运算，其公式如下：

4    基于激光雷达与倾斜摄影的三维建模技术的发展

随着技术的不断发展和进步，激光雷达技术与倾斜摄影技术也日渐成熟。近几年，激光雷达技术、倾斜摄影技术被广泛应用，尤其是在三维建模技术上，两者都有各自的优势，如果能够将激光雷达与倾斜摄影共同融入到三维建模技术中，既可以弥补传统三维建模技术上的缺陷，使其可以全方位、多角度地获取数据信息，节约时间成本，提高测算工作的效力，双技术并用，使得数据影像的获取更加直观。在未来的发展中，需切记坚持技术为本，不断发展创新，勇于突破自我，实现三维建模技术的优化和提升[3]。

5    结论

总之，时代发展，技术为先。只有在生产和建设的过程中，牢牢把握先进技术，才能更好地发展。将激光雷达、倾斜摄影与三维建模技术结合，可以保障建模的成果，提高建模的质量，促进三维建模技术的发展。

参考文献

[1] 杜永亮，吕杰.倾斜摄影和激光雷达在某输电工程三维建模中的应用研究[J].江西电力，2019，43（8）：12-20.

[2] 杜永亮，吕杰.基于某工程的倾斜摄影和激光雷达在三维建模中的应用研究[A].江西省电机工程学会.2018年江西省电机工程学会年会论文集[C].：江西省电机工程学会，2019：8.

[3] 张平.倾斜摄影和激光扫描技术在城市三维建模中的融合应用研究[J].城市勘测，2018（4）：99-103.