激光(guāng)雷達測繪技術進行三維重建的(de)方法

發布日期：2018-12-26 22:17 浏覽量：7503

目前利用(yòng)激光(guāng)雷達數據進行三維重建的(de)技術已經在智慧城(chéng)市、古建築與古文物(wù)保護、數字娛樂(yuè)（遊戲、動畫(huà)、電影(yǐng)）、地質研究等方面廣泛應用(yòng)，是近些年科研與生産上的(de)熱(rè)門。以後在複雜(zá)建築物(wù)施工、建築物(wù)形變監測及水(shuǐ)利水(shuǐ)電工程等領域中具有廣闊的(de)應用(yòng)前景。

激光(guāng)雷達測繪技術是一種全新的(de)測繪技術，可(kě)進行大(dà)範圍數字地表模型的(de)高(gāo)精度實時(shí)獲取，可(kě)部分(fēn)穿過樹林(lín)遮擋直接獲取真實的(de)地表高(gāo)精度三維信息，其具有多(duō)平台、高(gāo)精度、高(gāo)效率、多(duō)功能、分(fēn)體設計等優點，可(kě)應用(yòng)于高(gāo)精度1:500地籍測量、地形地理(lǐ)測繪、高(gāo)精度DEM模型等多(duō)個(gè)測繪領域。

一、激光(guāng)雷達數據進行三維重建技術發展現狀

利用(yòng)激光(guāng)雷達數據進行三維重建技術的(de)出現，使得(de)任何實體事物(wù)均可(kě)實現數字化(huà)、信息化(huà)和(hé)數據化(huà)，此項技術的(de)應用(yòng)是時(shí)下(xià)較爲新興科技的(de)話(huà)題。随著(zhe)地面激光(guāng)雷達技術的(de)日臻成熟，已廣泛應用(yòng)于多(duō)個(gè)行業中，它的(de)出現也(yě)無疑給建築物(wù)的(de)三維模型重建提供了(le)一種全新的(de)方法。經過其它行業的(de)成功應用(yòng)，我們認爲在水(shuǐ)利水(shuǐ)電工程中應用(yòng)應該是可(kě)行的(de)，現在開始研究實施更能夠高(gāo)效地促進該行業技術發展和(hé)科技進步。

二、激光(guāng)雷達數據應用(yòng)内容

(1)三維模型重建

三維模型重建就是利用(yòng)激光(guāng)雷達設備采集的(de)原始點雲數據，逆向建立能真實反映建築物(wù)外觀與内在形狀的(de)三維模型，對(duì)于無法采集數據的(de)隐蔽性工程根據設計圖紙進行正向建模。經過重建後的(de)三維模型必須達到高(gāo)精度、高(gāo)清晰度、高(gāo)吻合度。

(2)通(tōng)過三維模型制作相關圖冊和(hé)動畫(huà)

在水(shuǐ)電站高(gāo)精度三維模型基礎上進行進一步的(de)加工制作，首先在模型表面賦予彩色紋理(lǐ)，使三維模型更加真實美(měi)觀。然後将彩色三維模型渲染成高(gāo)清圖片，作爲制作圖冊的(de)基礎素材。最後将渲染的(de)效果圖放置在圖框中，并配合文字說明(míng)，圖文并茂的(de)方式展示水(shuǐ)電站的(de)主體結構、設備和(hé)魚道等重要建築物(wù)。

三維動畫(huà)方面本項目經過研究是采用(yòng)3DMax軟件進行制作，動畫(huà)中包含了(le)粒子和(hé)流動特效，能充分(fēn)展現水(shuǐ)電站運時(shí)的(de)實際效果。動畫(huà)中制作了(le)水(shuǐ)電站場(chǎng)景漫遊、光(guāng)照(zhào)變化(huà)、開閘放水(shuǐ)和(hé)魚道虛拟遊覽等内容。

（3）三維模型3D打印

3D打印技術是目前科技界最熱(rè)門的(de)話(huà)題，已經出現了(le)3D打印房(fáng)子、汽車、手槍等高(gāo)難度的(de)産品。我們基于水(shuǐ)電站建築物(wù)的(de)高(gāo)精度三維模型數據，使用(yòng)Objet2603D打印機，将水(shuǐ)電站建築物(wù)的(de)主體結構和(hé)山體進行了(le)三維打印，打印材料爲光(guāng)敏樹脂，該材料打印的(de)模型表面光(guāng)滑、堅固、精度較高(gāo)。打印完成後，根據現場(chǎng)的(de)實體環境對(duì)打印的(de)模型進行相關的(de)著(zhe)色和(hé)噴繪。實體三維模型展現了(le)水(shuǐ)電站的(de)主體結構和(hé)壩頂的(de)各種設備，對(duì)水(shuǐ)電站的(de)展示宣傳和(hé)綜合培訓起到重要作用(yòng)。

三、激光(guāng)雷達技術應用(yòng)水(shuǐ)電站實例

1、數據采集

三維激光(guāng)雷達設備可(kě)對(duì)水(shuǐ)工建築物(wù)進行全方位的(de)點雲數據采集，收集了(le)大(dà)量與工程有關的(de)文字、圖紙、照(zhào)片、影(yǐng)像等資料。數據采集期間，作業人(rén)員(yuán)克服了(le)高(gāo)海拔、天氣寒冷(lěng)、運輸等諸多(duō)困難。

2、點雲數據處理(lǐ)

通(tōng)過三維激光(guāng)雷達系統對(duì)水(shuǐ)電站相關建築物(wù)進行全方位掃描後，得(de)到相對(duì)完整全面的(de)點雲數據。但是原始的(de)點雲數據包含了(le)所有的(de)現場(chǎng)元素，要進行三維模型重建就必須對(duì)數據進行細緻的(de)處理(lǐ)，删除幹擾因素。

圖片1.png

處理(lǐ)後的(de)點雲數據圖

3、三維模型重建

通(tōng)過處理(lǐ)後的(de)點雲數據和(hé)相關圖紙、照(zhào)片、影(yǐng)像資料，重建三維模型，使重建後的(de)三維模型具有真實尺寸，點雲精度最高(gāo)可(kě)達到8毫米，三維模型與點雲具有同等精度，高(gāo)精度三維模型可(kě)以将水(shuǐ)電站各個(gè)建築物(wù)的(de)主體結構細節完整的(de)表現出來(lái)。

三維模型的(de)重建采用(yòng)兩種方法相結合的(de)方式進行，一種是根據點雲數據逆向建立；另一種是因水(shuǐ)工建築物(wù)的(de)隐蔽或覆蓋部分(fēn)無法直接獲取點雲數據，根據設計圖紙中的(de)位置、尺寸等資料，将此部分(fēn)正向建立模型，分(fēn)别建立完成後，進行統一合并。

4、模型貼圖、渲染、動畫(huà)制作

對(duì)三維立體模型的(de)貼圖和(hé)疊加采用(yòng)的(de)是AO(AmbientOcclusion)貼圖疊加技術技術，采用(yòng)此方法制作電站三維渲染圖，不僅可(kě)以增加圖像的(de)真實感和(hé)立體感，而且具有很好的(de)展示效果。但該技術制作步驟較多(duō)，而且需要同時(shí)渲染三維底圖和(hé)彩色紋理(lǐ)圖，渲染工作量大(dà)。

三維動畫(huà)方面，本項目經過研究是采用(yòng)3DMax軟件進行制作，動畫(huà)中包含了(le)粒子和(hé)流動特效，能充分(fēn)展現水(shuǐ)電站運時(shí)的(de)實際效果。動畫(huà)中制作了(le)水(shuǐ)電站場(chǎng)景漫遊、光(guāng)照(zhào)變化(huà)、開閘放水(shuǐ)和(hé)魚道虛拟遊覽等内容。

圖片2.png

模型效果圖

5、3D打印技術應用(yòng)

我們基于水(shuǐ)電站建築物(wù)的(de)高(gāo)精度三維模型數據，使用(yòng)Objet2603D打印機，将水(shuǐ)電站建築物(wù)的(de)主體結構和(hé)山體進行了(le)三維打印，打印材料爲光(guāng)敏樹脂，該材料打印的(de)模型表面光(guāng)滑、堅固、精度較高(gāo)。打印完成後，根據現場(chǎng)的(de)實體環境對(duì)打印的(de)模型進行相關的(de)著(zhe)色和(hé)噴繪。實體三維模型展現了(le)水(shuǐ)電站的(de)主體結構和(hé)壩頂的(de)各種設備。

四、三維激光(guāng)雷達設備應用(yòng)重點

(1) 利用(yòng)三維激光(guāng)雷達設備在高(gāo)海拔高(gāo)寒地區(qū)進行數據采集作業

本次水(shuǐ)電站實例項目位于海拔在3500左右，路途遙遠(yuǎn)，氣溫較低，因之前還(hái)未有三維激光(guāng)雷達設備在如此高(gāo)海拔的(de)地方進行過作業，加上設備自重加大(dà)，給外業數據采集工作帶來(lái)了(le)很多(duō)困難。經過與現場(chǎng)人(rén)員(yuán)的(de)多(duō)次溝通(tōng)交流，最後選取及時(shí)保溫、及時(shí)充電、專用(yòng)車輛等多(duō)項措施保證數據采集的(de)順利性。通(tōng)過10天的(de)努力，完成了(le)現場(chǎng)數據采集工作，爲後期三維模型建立打下(xià)了(le)堅實的(de)基礎。

(2)逆向與正向結合的(de)方式進行三維重建

現場(chǎng)數據采集時(shí)水(shuǐ)電站已基本完工，激光(guāng)雷達設備隻能對(duì)地上可(kě)見部分(fēn)進行全方位、詳細的(de)掃描。如果采用(yòng)這(zhè)種直接的(de)逆向方式進行三維模型重建，此模型将不能全面反映此水(shuǐ)工建築物(wù)的(de)真實原貌。經過反複研究，采取了(le)根據現場(chǎng)數據逆向建模和(hé)根據設計圖紙正向建模相結合的(de)方式，進行三維模型重建。結合建模難度非常大(dà)，很容易出現設計數據與實際數據不匹配問題，經過專業工程師與建模工程師數次溝通(tōng)、研究、探討(tǎo)，最終将圖紙模型合并到點雲模型中。

逆向與正向結合的(de)方式既能通(tōng)過點雲保證模型精度，又能通(tōng)過圖紙保證模型的(de)完整性，使整體模型達到理(lǐ)想效果。

(3)模型貼圖

模型貼圖、疊加、特效渲染等複雜(zá)技術且工作量巨大(dà)對(duì)三維立體模型的(de)貼圖和(hé)疊加采用(yòng)的(de)是AO(Ambient Occlusion)貼圖疊加技術，采用(yòng)此方法制作電站三維渲染圖，不僅可(kě)以增加圖像的(de)真實感和(hé)立體感，而且具有很好的(de)展示效果。但該技術制作步驟較多(duō)，而且需要同時(shí)渲染三維底圖和(hé)彩色紋理(lǐ)圖，渲染工作量大(dà)。本項目中使用(yòng)的(de)圖片是在兩名設計工程師和(hé)兩名渲染工程師共同配合下(xià)，耗時(shí)兩個(gè)多(duō)月(yuè)完成的(de)。

在水(shuǐ)電站特效渲染和(hé)三維動畫(huà)制作過程中，大(dà)量使用(yòng)了(le)粒子特效和(hé)光(guāng)影(yǐng)變幻，将水(shuǐ)電站開閘放水(shuǐ)的(de)過程表現得(de)栩栩如生，同時(shí)制作過程動畫(huà)展示開閘過程，制作的(de)漫遊動畫(huà)以魚的(de)第一人(rén)稱視角展示魚道内部結構。本次動畫(huà)渲染采用(yòng)并行的(de)方式，使用(yòng)10台圖形工作站同時(shí)工作，曆時(shí)兩個(gè)月(yuè)，最終完成。

(4)3D打印技術的(de)應用(yòng)

水(shuǐ)電站的(de)三維立體模型制作完成後，本項目選用(yòng)3D打印技術對(duì)其進行3D打印。因本建築物(wù)體型龐大(dà)、結構複雜(zá)，此次打印的(de)最大(dà)尺寸爲80cm×100cm，不但受到三維打印機尺寸限制，而且因結構複雜(zá)打印速度也(yě)比較漫長(cháng)。經過多(duō)次討(tǎo)論研究，最終采用(yòng)拆分(fēn)打印的(de)方法進行操作，由于拆分(fēn)打印後拼接難度大(dà)，必須在模型精度和(hé)打印精度能同時(shí)保證的(de)情況下(xià)，才能做(zuò)到拼接後的(de)縫隙幾乎不可(kě)見。

5.激光(guāng)雷達數據三維重建應用(yòng)前景

① 水(shuǐ)電站建築物(wù)開工建設前可(kě)以建立原始地貌三維模型；

② 随著(zhe)工程建設的(de)進展，梯次建設三維模型，爲工程驗收保留不可(kě)估量的(de)雲數據，更可(kě)擴展大(dà)數據庫；

③ 爲水(shuǐ)電站竣工後運營期的(de)設備維護管理(lǐ)，提供了(le)一切的(de)可(kě)能性；

④ 可(kě)以對(duì)水(shuǐ)電站建築物(wù)進行完美(měi)的(de)三維數字化(huà)展示和(hé)培

訓；

⑤ 爲其它類似工程建設及管理(lǐ)提供參考，前景十分(fēn)廣闊。

6.結論

利用(yòng)激光(guāng)雷達數據的(de)三維重建關鍵技術在水(shuǐ)利水(shuǐ)電工程中的(de)成功應用(yòng)，将水(shuǐ)電站及類似工程項目的(de)建設推向了(le)科技發展的(de)最前沿，特别是3D打印技術的(de)應用(yòng)，使我們在同行業中率先邁出了(le)第一步。在其它同行還(hái)未涉足，利用(yòng)三維激光(guāng)雷達數據三維重建領域同時(shí)，我們率先在水(shuǐ)電站進行此方面的(de)研究和(hé)實驗是必要的(de)，緊迫的(de)。我們相信在不久的(de)将來(lái)，此項技術必将在行業中得(de)到廣泛的(de)應用(yòng)。