激光(guāng)點雲建模相比傳統建模,如何高(gāo)效獲取數據？

建模技術是虛拟現實中的(de)技術核心，虛拟現實對(duì)世界反映的(de)真實性狀況與建模技術有著(zhe)密切的(de)關系。随著(zhe)計算(suàn)機軟硬件水(shuǐ)平的(de)提升和(hé)可(kě)視化(huà)技術的(de)快(kuài)速發展, 模型重建技術也(yě)更加成熟。傳統的(de)建模方法按技術手段和(hé)表現形式分(fēn)爲兩種 ：基于幾何模型建模技術和(hé)基于圖像建模技術。

常用(yòng)的(de)三維建模軟件有 ：3DMax、AutoCAD、Google SketchUp 等。基于幾何模型的(de)建模技術操作簡單，但數據采集和(hé)建模流程費時(shí)費力 ；基于圖像的(de)建模技術對(duì)數據精度的(de)要求較高(gāo)，針對(duì)規則物(wù)體建模效果較好，但不适用(yòng)于複雜(zá)物(wù)體。

如何高(gāo)效、準确地獲得(de)數據、建立模型，成爲當前測繪遙感領域普遍關注的(de)焦點。

作爲近年來(lái)出現的(de)新型模型重建技術，激光(guāng)點雲建模技術拓展了(le)模型重建技術的(de)實現手段 , 在數字城(chéng)市、工程規劃、古建築保護等衆多(duō)領域發揮著(zhe)重要作用(yòng)。本文通(tōng)過新技術與傳統方法的(de)對(duì)比，突出了(le)激光(guāng)點雲建模技術的(de)優勢及應用(yòng)前景。

一、三維建模方法的(de)應用(yòng)研究

三維建模主要環節包括：空間數據獲取、數據處理(lǐ)、模型建立、模型可(kě)視化(huà)。三維空間模型分(fēn)爲地形模型和(hé)地物(wù)模型。

地物(wù)模型非常複雜(zá)，又可(kě)以歸納爲：

 建築物(wù)模型（簡單建築物(wù)、複雜(zá)建築物(wù)）；

構築物(wù)模型（雕像）；

道路模型 ；

環境景觀模型（草(cǎo)地、樹木(mù)、河(hé)流等）；

其他(tā)地物(wù)模型（路燈、垃圾桶等）。

地物(wù)有自身的(de)空間屬性特征 , 需要采用(yòng)不同的(de)數據結構和(hé)建模方法。

本文以某地區(qū)廣場(chǎng)爲例，分(fēn)别采用(yòng)傳統3DMax 建模和(hé)激光(guāng)點雲建模技術進行主要模型重建， 深入分(fēn)析了(le)二者的(de)工作流程及特點。

1、 傳統建模方法的(de)應用(yòng)

傳統幾何模型建模技術工作原理(lǐ)是 ：以矢量幾何數據爲基礎，采用(yòng)模型構建軟件建立三維模型，模型紋理(lǐ)圖片用(yòng)數碼相機獲得(de)，再經過照(zhào)片糾正處理(lǐ)後進行貼圖。采用(yòng) 3DMax、AutoCAD 軟件進行模型構建， 是幾何模型建模技術最常用(yòng)的(de)方法。利用(yòng) 3DMax 軟件完成區(qū)域内主要場(chǎng)景的(de)建模 , 技術流程如圖 所示。

3DMax 建模流程圖

2、 激光(guāng)點雲的(de)建模方法應用(yòng)

激光(guāng)點雲建模技術是根據三維激光(guāng)掃描儀獲取包含三維坐(zuò)标的(de)點雲數據，通(tōng)過數據預處理(lǐ)和(hé)配準處理(lǐ)等操作，進一步提取有效數據，進行曲面和(hé)實體構造， 最終得(de)到三維模型。

工作步驟包括 ：

①   數據采集，通(tōng)過三維激光(guāng)掃描系統實地獲取目标實體的(de)點雲數據、紋理(lǐ)信息 ；

②   數據處理(lǐ)，包括多(duō)站點數據配準、拼接、去噪、重采樣等處理(lǐ) ；

③   三維建模，根據不同的(de)點雲特征，建立三維空間數據模型 ；

④   紋理(lǐ)映射，紋理(lǐ)信息映射到模型上，形成模型的(de)真實紋理(lǐ)。

技術流程如圖所示。

激光(guāng)點雲建模的(de)技術流程圖

點雲建模需要滿足兩個(gè)條件 ：

第一， 數據必須是配準的(de) , 融合爲一個(gè)整體 ；

第二， 重建的(de)表面與融合的(de)數據拓撲關系一緻。

這(zhè)就要求在進行建模前，需要将點雲數據在 StudioClouds 軟件中進行處理(lǐ)操作。數據拼接與坐(zuò)标糾正是數據采集時(shí)在相鄰區(qū)域設置至少三個(gè)以上的(de)标靶點，将不同站點不同角度掃描得(de)到的(de)點雲數據統一到同一坐(zuò)标系下(xià)，再根據得(de)到的(de)大(dà)地坐(zuò)标，将拼接好的(de)數據轉換到大(dà)地坐(zuò)标系下(xià) ；數據去噪是利用(yòng)軟件中去除噪聲、去除特征等功能，結合人(rén)工分(fēn)析的(de)方法删除遮擋被測實體的(de)樹木(mù)、行人(rén)等障礙數據 ；重采樣是對(duì)數據進行優化(huà)，通(tōng)過重采樣獲得(de)大(dà)于 2 mm 任意間距的(de)點雲數據，減少數據量，提高(gāo)效率。處理(lǐ)後的(de)點雲數據如圖所示。

處理(lǐ)後的(de)點雲數據圖

二、 激光(guāng)點雲建模與傳統建模對(duì)比分(fēn)析

 1、數據采集對(duì)比

傳統獲取數據方法是通(tōng)過外業測量和(hé)資料收集， 獲取空間實體的(de)CAD 地形圖、模型照(zhào)片等數據。三維激光(guāng)掃描系統通(tōng)過記錄激光(guāng)脈沖從發射到接收回波之間的(de)時(shí)間差得(de)到實體與掃描儀中心的(de)距離。編碼器通(tōng)過測量脈沖的(de)角度來(lái)獲取被測物(wù)體的(de)三維坐(zuò)标，獲取實體表面完整的(de)點雲數據和(hé)紋理(lǐ)信息，包含被測物(wù)體空間尺寸和(hé)反射率信息，同時(shí)其内置的(de)數碼相機也(yě)相應地采集到被測物(wù)體的(de)照(zhào)片，獲取的(de)數據真實、可(kě)靠。本次對(duì)比實驗爲了(le)更好地突出三維激光(guāng)掃描儀獲取數據的(de)優勢，分(fēn)别采用(yòng) Reigl三維激光(guāng)掃描儀和(hé)傳統的(de)全站儀對(duì)研究區(qū)域進行數據采集。

結果顯示， 采用(yòng) Reigl三維激光(guāng)掃描儀和(hé)StudioClouds 系統控制軟件進行掃描，3 個(gè)外業測量人(rén)員(yuán)用(yòng)了(le) 1 d 的(de)時(shí)間，通(tōng)過設置 32 個(gè)站點就完整地掃描了(le)奧特萊斯廣場(chǎng)上共 11 座建築，獲取的(de)有效數據點達4 千多(duō)萬。同樣的(de)區(qū)域，通(tōng)過傳統的(de)全站儀測量需要 6 個(gè)人(rén)花費 3 d 的(de)時(shí)間才能完成，數據獲取的(de)能力有限， 外業工作量大(dà)。因此，利用(yòng)三維激光(guāng)掃描儀可(kě)以省時(shí)省力并獲取豐富精确的(de)數據。

2、 建模方法及效果對(duì)比

基于 3DMax，構建地形、地貌模型，一般利用(yòng)軟件的(de)功能模塊由等高(gāo)線和(hé)高(gāo)程點生成 DEM。構建建築物(wù)模型，根據得(de)到的(de)地形圖數據構築建築物(wù)的(de)幾何輪廓，在 3DMax 中，以實地測量的(de)建築物(wù)長(cháng)寬高(gāo)數據爲基礎，按照(zhào)實體輪廓拉伸成具有高(gāo)度的(de)實體模型，生成的(de)實體模型。構建環境景觀和(hé)其他(tā)地物(wù)模型一般通(tōng)過紋理(lǐ)貼圖或直接使用(yòng)三維模型庫中模型的(de)方法來(lái)實現。但是通(tōng)過建模的(de)過程和(hé)最後模型的(de)呈現可(kě)見，3DMax 建模方式單一，獲取的(de)數據離散，失去了(le)很多(duō)細部特征，幾何信息不準确。特别是對(duì)複雜(zá)實體建模時(shí)不能很好地表現建築的(de)細節特征。

激光(guāng)點雲建模的(de)方法有兩種 ：

①   點雲數據表面模型制作 , 通(tōng)過構造三角網格逼近掃描物(wù)體表面來(lái)構建實體的(de)三維模型。

②幾何模型制作 , 通(tōng)過分(fēn)割點雲數據來(lái)提取實體的(de)幾何輪廓從而進行模型重建。

由于激光(guāng)掃描儀采集的(de)數據是離散的(de)，需要把點雲分(fēn)類，采用(yòng)的(de)是數據濾波分(fēn)類與點雲數據與影(yǐng)像數據融合相結合的(de)方法。對(duì)于不同的(de)實體類型，應參考點雲數據的(de)特點及建模需求采用(yòng)相應的(de)建模方法，主要有：

1）地形模型建模。采用(yòng)投影(yǐng)後構建平面三角網的(de)方法，即将點雲數據投影(yǐng)到平面坐(zuò)标上，利用(yòng) X、Y 坐(zuò)标構建二維三角網，然後再給各點賦 Z 值，從而構建數字高(gāo)程模型DEM 。

2）規則建築物(wù)建模。規則建築物(wù)一般由連續的(de)掃描點雲數據構成，采用(yòng)幾何模型制作方法建模。對(duì)點雲數據進行分(fēn)割和(hé)曲面拟合，采用(yòng)人(rén)機交互的(de)方式來(lái)提取特征輪廓線繪制成實體的(de)幾何線框圖，進而構建模型，進行紋理(lǐ)貼圖。

3）不規則的(de)複雜(zá)物(wù)體和(hé)構築物(wù)建模。這(zhè)類空間模型表面結構複雜(zá)且精度要求比較高(gāo)，表面是任意的(de)。

4）對(duì)于其他(tā)地物(wù)（如電杆、郵筒、花圃花壇等），這(zhè)些實體幾何形狀比較複雜(zá)，一般隻需要作爲一種符号表示其位置即可(kě)，因此可(kě)根據實際需要，采用(yòng)建模軟件三維模型庫中的(de)單體模型和(hé)人(rén)工特征提取輪廓線建模相結合的(de)辦法。

激光(guāng)點雲建模針對(duì)不同的(de)場(chǎng)景采用(yòng)相應的(de)方法，成果表現形式多(duō)樣，在建模效率、模型精度、實現的(de)可(kě)能性和(hé)可(kě)靠性上都高(gāo)于 3DMax 建模方法。

下(xià)面表格爲基于 3DMax 建模與基于激光(guāng)點雲建模的(de)各項指标比較，相對(duì)于傳統的(de)建模方法，激光(guāng)點雲的(de)建模具有很大(dà)的(de)優越性。特别是三維激光(guāng)掃描儀能夠采集到傳統測量方法難以獲得(de)的(de)不規則建築物(wù)角點，對(duì)一些細微特征的(de)描述比較精細，因此激光(guāng)點雲建模方法在結構複雜(zá)、大(dà)規模建築物(wù)建模中具有更大(dà)的(de)應用(yòng)價值。

激光(guāng)點雲建模技術與 3DMax 建模技術比較表 ：

綜上所述，主要從數據獲取手段和(hé)建模方式兩方面對(duì)以3DMax 爲代表的(de)傳統建模和(hé)激光(guāng)點雲建模方法進行實例比較，結果表明(míng)，利用(yòng)三維激光(guāng)掃描系統采集的(de)點雲适合于構建複雜(zá)模型，可(kě)以有效地建立完整的(de)模型， 彌補了(le)傳統建模方法的(de)不足。但是，激光(guāng)點雲建模方法也(yě)存在著(zhe)一些問題：在數據采集方面，原始數據冗餘； 數據處理(lǐ)方面，如果受外界幹擾過多(duō)會産生大(dà)量噪聲點，增加了(le)處理(lǐ)工作量等。如何在實際應用(yòng)中改善這(zhè)些問題，是需要深入研究的(de)内容。

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