基于点云数据的三维模型重建

李佳康

摘 要：随着需求的不断增长，空间信息的表示逐渐从二维形式朝三维形式转变，三维建模技术与点云数据采集技术的结合极大地提高了其真实性和可视化水平。三维激光扫描技术广泛应用于多个方面，其具有快速性、不接触性、穿透性、主动性和实时性，同时具有动态化、数字化、自动化和效益高、密度高、精度高等特点，解决了目前空间信息技术发展中实时性与准确性的瓶颈。因此，该技术在逆向工程建模过程中发挥了很大的作用，满足了各种产品需求。

关键词：LiDAR点云数据处理;特征点建模;纹理贴图

中图分类号：P225.2;TU198文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）04-0020-03

Abstract： As demand continues to grow， the representation of spatial information has gradually changed from a two-dimensional form to a three-dimensional form， the combination of 3D modeling technology and point cloud data acquisition technology has greatly improved its authenticity and visualization level. Three-dimensional laser scanning technology is widely used in many aspects， it is fast， non-contact， penetrating， proactive and real-time， and also has the characteristics of dynamic， digital， automatic， high efficiency， high density and high precision， which solves the real-time and accuracy bottlenecks in the current development of spatial information technology. Therefore， this technology has played a great role in the process of reverse engineering modeling to meet the needs of various products.

Keywords： LiDAR point cloud data processing; feature point modeling; texture mapping

城市的三维空间信息获取是通信网络布设、城市规划与管理、智能交通、应急救助与灾害监控等工作的重要数据基础，相对于早期的城市测量数据方法，新一代的[1]移动测量技术的快速发展和应用为城市信息采集与分析提供了新思路。三维激光扫描技术主要依靠激光测距的原理来获取空间三维坐标信息[2-3]。现阶段，点云数据处理常用的软件有Terrasolid、Cyclone、Geomagic和Polyworks等，模型构建可以采用3D Max、Revit、Smart 3D和Sketch Up等软件，同时配合合理的材质图片进行纹理贴图，使得建筑物模型更加真实与美观。

1 技術流程

从机载三维扫描仪获取的点云数据需要进行[3]数据处理，包括点云数据滤波处理、去除噪声误差点以及数据点的分类整理，方便各个地物及地面点的模型建立，最后通过建模软件实现三维模型的逆向创建，从而对建筑物及其他地物、地形进行规则化处理和模型生成，基本技术流程如图1所示。下面分析其主要过程。

1.1 点云滤波降噪处理

点云滤波就是从海量数据中分离出地面点。人们常说的滤波手段多针对图像，但是对于点云来说，滤波的实现手段则不一样，从其关系来看，对于复杂的三维外形，其三维坐标之间并不是以某种规律或某种数值关系来进行定义的，通常有双边滤波、高斯滤波等方法。

1.2 建模方法介绍

建模方法主要有两种：一是基于特征提取方式建模;二是多源数据融合的建模。

1.2.1 基于特征提取方式建模。建筑物建模主要是依据建筑物的特征点和特征线，清晰准确地提取建筑物特征信息。人们可以采用基于移动最小二乘法和矢量估计算法[4]的建筑物点云特征提取方法。另外，对于分类后的点云数据，有时会将较为高大的植被与建筑物混杂在一起，在进行建筑物建模时就会造成一定的干扰，因此可以采用基于点云目标粗糙度的算法[5]进行区分处理。这里的粗糙度是计算某个点的曲率，可以计算邻域范围内的点的协方差矩阵的特征点来估算每个点的曲率值。

1.2.2 多源数据融合的建模。工作人员可以采取多源数据融合的方式进行建模，例如，利用地面三维激光扫描和机载扫描技术获取建筑物的立面点云数据，再配合无人机倾斜摄影技术获取建筑物顶部和侧面的影像图，然后利用近景影像对建筑物细节进行补拍，将这几种数据进行融合处理。

1.3 点云抽稀

目前，点云数据抽稀算法[6]主要可以归纳为不顾及地形特征和顾及地形特征的[7]两种算法，下面进行简要介绍。

1.3.1 不顾及地形特征的算法。基于系统抽稀，给一个事先规定的采样间隔，然后按照采样间隔随机抽取一点予以保留。

1.3.2 顾及地形特征的算法。基于不规则三角网（TIN）点云抽稀，首先根据离散数据点生成一个不规则三角网（TIN），然后计算目标点云一定范围的三角面片间的法线偏差，并根据这个法线偏差的大小来判断是否抽稀点云数据。

2 试验流程及操作

2.1 点云数据处理

TerraSolid是运行在Microstation系统之上的商业化LiDAR数据处理软件，主要使用TerraMatch、TerraScan、TerraPhoto和TerraModeler等模块。加载TerraScan模块，把点云数据按照las1.2格式（暂且不需要抽稀）加载进来。

2.1.1 航线信息数据处理。将点云数据导入软件后，人们可以利用测区航飞记录，找到测区内所有航线对应架次及航线文件夹，复制对应的timelist.txt和sbet.out文件，对航迹线进行编辑和编号。

接下来匹配点云和航迹线，从而校正点云的整体姿态，创建宏命令“Deduce_line_numbers.mac”并运行。

2.1.2 点云抽稀。本次设计试验的主要目的是对建筑物等地物进行逆向模型创建。在创建过程中，可以采用不基于地形特征的抽稀方法，因为数据量过大时后期建模软件会有一定的压力，也不方便提取建筑物的特征点，因此使用TerraSolid软件的自带抽稀功能。

设置采样间隔15，进行抽稀比较，没有进行抽稀的点云加载12 804 530个数据，系统抽稀后，点云加载853 635个数据，抽稀后的建筑物特征点仍然存在。

2.1.3 点云数据滤波降噪。在TerraSolid软件中创建宏命令“ground_per_line.mac”，设置参数运行完成，得到地面点。这里所采取的噪声去除算法则是用一个点的高程值与给定距离范围内每一个点的高程值进行比较，如果中心的点云数据的高程值明显低于其他点云数据的高程值，这个点就被分离出来，同样，高位误差点也是如此。

2.1.4 点云数据分类。下面对点云数据进行分类操作，分别存储不同类别的点云数据，将其作为后期建模的数据来源。配置一定的参数，设置宏建立macro进行批处理，首先分类出low、medium和high vegetation，将低、中、高植被分离出来。分类结束后，将点云数据另存为las格式。接着，设置宏同样进行批处理，用来分离建筑物点云数据，设置参数Z的允许限差为0.2 m。建筑物点云数据如图1所示。

2.2 点云数据格式转换

由于3DS Max软件只能导入rcp格式或者rcs格式的点云数据，因此人们需要借助中间软件将las格式转换成rcp格式。同时，采用Autodesk Recap 360软件，将las格式各类别的点云数据进行格式转换，将其转换成一个点云投影文件rcp。

2.3 建模过程

本研究使用3DS Max2016版本软件进行建模，使用加载Cloud Point功能将点云数据加载进来，同时可以设置点云显示的颜色、像素、细节级别，以便辨别建筑物特征。3DS Max点云效果如图2所示。

2.3.1 试验建模方式。在建模过程中，人们主要利用创建标准基本体的立体图形进行较为规则的建筑物模型创建，这可以称作粗略参照式建模。对于不规则、轮廓复杂的建筑物，人们可以使用样条线工具进行描绘创建，并且添加挤出修改器，给定数量，在侧视图中进行高度匹配。

对于一些较为规则的建筑物，人们可以创建几何体，进行几何体的修改或者拼接、交叉。对于复杂结构的建筑物，人们可以结合样条线和标准结合体共同操作，在创建过程中也可以选择线框或者真实、明暗处理，然后观察建模效果，根据点云的位置、高度尽可能准确地匹配。

当对更为复杂的建筑物进行建模时，在多边形基础建模后，人们可以将对象转换成编辑多边形，可以从点、线、面三方面对建筑物的细节进行修改和调整，同时搭配上编辑多边形中的布尔运算，进行基础模型之间的求交集、合并等操作。以校门建模为例，配合布尔运算时，校门建模效果如图3所示。

另外，对于建筑物以及道路圆弧或者非直线部分，可以采用样条线下的圆弧、圆环操作，或者采用直线绘制方式，将顶点转换成角点、Bezier或者Bezier角点。为了方便管理，某一建筑物建模完成后，可以将其整体拼接为组并命名，将组打开或者解组，方便进行修改和贴图纹理。

2.3.2 材质贴图纹理。一是材质贴图获取;二是材质编辑器;三是贴图调整和修改。

2.3.2.1 材质贴图获取。要想达到更真实的模型效果，只依靠建模软件中自带的RGB（红、绿、蓝）颜色是不够的，可以从设计网站中选取合适的材质图片，包括一些建筑物立面贴图、路面、植被贴图等。同时，为了便于获取试验区域的近景照片，可采用地图软件等，使用全景地图功能，获取一定的近景图片，再经过后期处理，使其更加清晰、适配。

2.3.2.2 材质编辑器。人们可以使用3DS MAX软件中的材质编辑器功能的位图操作，将不同的材质赋予到材质球上，并且可以对贴附的材质图进行裁剪、旋转、平移等操作，从而使得图片更加适配。

2.3.2.3 贴图调整和修改。对于各个面进行调整时，人们可以添加一个UVW贴图修改器，设置参数，如贴图的方式，一般在立体图形上选择长方体方式，也可以调整貼图大小，在U、V、W各方向加以调整。以学校建模为例，其区域效果图如图4所示。

3 结论

随着信息技术的不断普及，数字地球、数字城市等逐步发展起来。未来，三维激光扫描技术建模必定会取代传统的建模方式，节省更多的人力、物力以及时间，并且可以实现高精度、数字化、自动化和实时化。LiDAR的出现提供了一种获取测量数据的新型方法，其广泛应用于诸多行业。LiDAR在自动驾驶、农业作物分类、规划设计、考古与文物保护和医疗等方面不断扩展与创新，建模的实现可以提升视觉及感官效果，其适用于不同的承载平台，可以实现数据的轻量化存储。

参考文献：

[1]常宁.基于激光雷达的城市数字化建模技术研究[D].长春：长春理工大学，2017：16-17.

[2]郑俊，杨志强，张凯南.基于三维激光扫描数据的建筑物建模研究[J].北京测绘，2018（7）：773-777.

[3]郑超.基于机载LiDAR点云的建筑物三维重建[J].测绘技术装备，2019（2）：32-34.

[4]马锦华.逆向工程中三角网格模型细分技术研究[D].镇江：江苏大学，2007：21-22.

[5]徐光禹，杜宁，王莉，等.多源数据融合技术在古建筑三维重建中的应用[J].测绘通报，2019（10）：77-82.

[6]钱金菊，张昌赛，王柯，等.机载LiDAR点云数据抽稀算法研究述评[J].测绘通报，2017（1）：33-35.

[7]陈云波，冯亚飞，季晓波.利用3ds Max与三维激光扫描技术生成三维建筑模型的研究与实践[J].测绘通报，2016（12）：77-80.