利用3ds Max與三維激光掃描技術生成三維建筑模型的研究與實踐

陳云波，馮亞飛，季曉波

(1. 昆明市規劃編制與信息中心，云南 昆明 650500； 2. 偉景行科技股份有限公司，北京 100000)

利用3ds Max與三維激光掃描技術生成三維建筑模型的研究與實踐

陳云波1，馮亞飛1，季曉波2

(1. 昆明市規劃編制與信息中心，云南 昆明 650500； 2. 偉景行科技股份有限公司，北京 100000)

針對目前城市建模方法制作的建筑模型存在建模過程繁雜、生產效率低、數據精度不高的不足，提出了一種結合三維激光掃描技術與3ds Max生產建筑模型的方法。首先對3ds Max三維建筑模型生產的流程和方法進行了研究，然后應用三維激光點云數據對建筑模型進行了高度校正，最后采用與1∶500地形圖及全站儀量測的建筑結構尺寸相比較的方法對建筑模型的數學精度進行了檢驗。結果表明，該方法能夠快速生成外觀效果逼真、數學精度高的三維建筑模型。

3ds Max；三維激光掃描；建筑模型

隨著數字城市和智慧城市的快速推進，三維虛擬城市和城市數字沙盤已成為城市信息化建設的重要工作，城市三維模型可以為城市規劃和管理提供直觀、可視化和準確的現狀資料，為城市管理者提供城市發展建設的決策支持，為公眾提供參與規劃監督的平臺[1]。這不僅要求模型可以逼真展示城市的現狀，對其幾何尺寸的精確性也提出了要求。

目前城市建筑模型建模方法主要有3種：①基于大比例尺地形圖、影像圖、建筑立面拍照，借助3ds Max軟件手工建模來完成[2]，其建筑物的高度主要依據拍攝的數碼影像人工估算(估計每層樓高度×樓層)，這種方法建立的模型外立面美觀，但數學精度不高，難以滿足空間分析和量測需求；②全數字攝影測量系統，利用航片或衛星圖片獲取建筑物的輪廓及頂部紋理，通過全數字攝影測量系統采集建筑物的幾何特征信息，該方法可以準確重構建筑物的三維輪廓，但過程復雜，效率低[3-5]；③當前快速發展的三維激光掃描技術，利用激光測距原理，通過記錄被測物體表面大量密集點的三維坐標、反射率和紋理等信息，大面積快速獲取被測對象表面的三維坐標數據(三維點云數據)，具有獲取效率高、數據精度高的特點[6-7]?；谌S點云的建筑建模，雖然可以完成高逼真高精度的三維模型，但存在投入經濟成本高、后期數據處理自動化程度低、人力投入較大的問題[8]。

綜上所述，將三維激光掃描技術與3ds Max建模相結合，快速生產出外觀逼真、幾何尺寸準確的三維建筑模型是值得研究的一個課題。

一、3ds Max制作建筑模型的流程

三維建筑模型制作包括基礎數據收集、數據預處理、建模單元及管理單元劃分、建筑外立面的紋理信息采集等工作，經技術人員手工建模來完成。技術流程如圖1所示。具體包括：①建模區域基礎數據收集，包括基礎地形圖、點云數據，以及高精度的遙感影像數據或其他影像資料。②內業數據預處理，包括數據處理和管理單元的劃分。CAD圖紙預處理，將全要素地形圖進行分層、歸零等整理工作，使之成為適合建模需要的框架底圖；建模單元和管理單元劃分，在參照國家規范的基礎上，以行政區劃界線、現狀道路、水系等帶狀地物為邊界劃分，根據當地行政區劃編碼進行命名，從而方便數據生產和管理。③建筑立面信息采集。采用人工現場外業拍照方法，采集建筑物的側面紋理信息、地物、地景及植被景觀的紋理照片。為了方便外業的實施和數據管理，此項工作需要借助影像圖或基礎地形圖進行任務分配、現場定位與后期查看；采集到的照片按建模管理單元進行存儲。④數據模型生成。包括制定模型命名標準和建模工作。制定命名標準包括模型命名、模型貼圖命名規范等；在框架底圖的基礎上建模以保證平面精度，參照高度數據制作以保證高程精度，采用手工建模方式進行模型制作，生成中需要對模型數據量進行控制。生成過程中按照建模單元和管理單元進行任務分配、數據存儲及生成，根據規范及精度要求制定適合項目的模型參數。

圖1 3d Max建模流程

二、3ds Max制作三維建筑模型研究

以昆明市為例，需要對城市的標志性建筑、中心商務區(CBD)、城市主干道等區域約60 km2的建筑模型進行三維模型制作。

建筑模型制作要求：在滿足視覺效果的情況下，減少模型的幾何面數，降低紋理的分辨率；對有規律紋理的建筑可采用重復貼圖的方式；模型的基底、外立面幾何結構與建筑高度應準確，紋理拼接應過渡自然；模型的紋理應正確反映木材、石材、玻璃、金屬等建筑材質特征。

建筑模型精度要求：模型結構準確，特有結構不能省略，能夠清晰表現0.5 m以上的建筑特征，平面誤差小于0.5 m，高度誤差小于0.5 m。屋頂結構大于1 m需建模；附屬物大于2 m需建模。

貼圖紋理要求：文字標識、Logo、底商，側面采用真實照片，并作光影效果處理。屋頂顏色參考影像圖制作,要求貼真實紋理，貼圖紋理中對于0.5 m的建筑細節應清晰可辨，達到90%的相似度。

收集到的資料有1∶500地形圖、數字正射影像圖和三維激光點云數據,見表1。采用3d Max建模，具體的工作內容敘述如下。

表1 現有數據資料情況

1. 前期1∶500CAD地形圖整理

在CAD軟件中將地形圖的計量單位統一設置為“米”，將指定點坐標歸零并記錄坐標相對偏移量，CAD圖應作為獨立對象，僅保留建筑及地形基礎線[9]。保證導入3ds Max以后，CAD框架底圖清晰簡潔，所形成的對象不應存在漏縫、不共面和廢點等情況。

2. 3ds Max建模

在3ds Max軟件中導入整理好的地形圖和影像圖。建筑模型需要完全按照CAD基礎線進行模型平面位置的搭建，拍攝的數碼影像以人工估算模型高度(估計每層樓高度×樓層)的方式進行建模。保持所有的模型中物體的編輯使用Edit Mesh或Edit Poly方式完成，特殊情況可使用Surface建模。

3. 建模注意事項

把建筑的體量關系制作出來，能夠準確地表現建筑的特征即可，在滿足模型細節層次要求的情況下，應盡量減少幾何模型的面數，如圓柱邊數要控制在10邊以內。

4. 面的處理

模型制作好后，應刪除對模型結構和貼圖坐標起不到作用的點和面，以節約數據量。模型中看不到的面也應該刪除，以減小烘焙貼圖面積。

對于需要疊加在物體表面的，例如建筑立面的字或一些招牌廣告等，做成片疊加在物體表面，但面片與該物體的立面距離至少要達到0.03 m，保證導出的osg重疊面不閃爍，同時在側面不能看到明顯的兩個面間的距離。

5. 貼圖的制作

利用采集到的建筑紋理照片制作成建筑的貼圖，其效果真實自然。在制作前應仔細分析照片資料，多張照片綜合處理后制作成建筑貼圖。選取一張合適角度的照片，在Photoshop軟件中使用裁切工具，選取可用色相、飽和度及光影關系；貼圖使用TIF文件格式，貼圖長寬方向必須符合2的冪次方，如32×32、64×64等。表現建筑欄桿等鏤空效果時需要為貼圖創建一個Alpha通道，全透明部分(欄桿中除桿外的透明部分)在通道中表示為黑色；不透明部分表示為白色。模型賦予貼圖后，需要細致地調整貼圖坐標?？刹捎肬VW Map和Unwrao UVW工具進行調節。

三、采用三維激光掃描技術進行建筑模型高度校正

采用三維激光掃描技術獲取的建模區域三維點云數據共649項(*.las格式)，首先進行數據分析：每項*.las中包含1 500 000個以上點，數據量巨大；數據中包含了大量地面點，這些點對于糾正建筑模型的高度貢獻不大，但是運算時卻消耗了大量的時間和空間，應去除這些點以提高運算效率[10]；*.las的采樣間隔較小，約為1 m，適當將采樣間隔抽稀對計算結果影響不大。

基于以上3點考慮，第一步先對現有的點云數據進行整理；第二步借助整理后的點云數據糾正建筑模型高度，流程如圖2所示。

圖2 點云數據糾正建筑高度流程

1. 點云數據預處理

①首先將點云數據導入Cylone軟件中，手工刪除地面點，在Unify Clouds工具中將點云抽稀間隔設置為5 m，預處理后的點云數據如圖3所示；②將處理后的點云保存為*.txt文件；③將所有的*.txt合并，在ArcMap軟件中使用Add XY Data工具導入*.txt文件，導入ArcGIS生成*.shp文件；④在CityMaker Builder軟件中，將*.shp文件轉換為FDB大數據文件，如圖4所示。

圖3 抽稀后的點云示意圖

圖4 *.shp文件導入CityMaker Builder

2. 根據點云數據糾正建筑模型高度

在CityMaker Builder中將點云(FDB)與建筑模型進行疊加，逐一搜索每棟建筑，找到在垂直方向上與該棟建筑模型相交的點云，并計算點云與建筑模型交點之間的高差，統計所有高差的平均值，作為該棟建筑的修正高度來修改建筑高度，如圖5所示。

圖5 修正高度前后對比

3. 根據點云數據手動修正個別模型

對于個別存在一定誤差的建筑模型，在CityMaker Builder中用建筑高度修改插件進行修正。

四、三維建筑模型精度結果檢驗與分析

昆明60 km2范圍內的建模單元數為376個，選取市中心南屏街片區530102A017、530102A018、530102A020共3個建模單元約1 km2范圍內的模型進行平面和高度精度檢查(如圖6所示)。

圖6 南屏街片區建筑模型截圖

1. 平面精度檢查

選取530102A017建模單元中的21棟建筑進行平面精度檢查，分別在3ds Max和1∶500地形圖中量測同一建筑的平面結構尺寸，將模型中結構尺寸a與地形圖中建筑的結構尺寸b比對，分別計算21棟建筑平面結構尺寸誤差值Δ(a-b)。根據式(1)，計算出中誤差為0.35 m，小于0.5 m的平面精度要求，見表2。中誤差計算公式為

(1)

表2 建筑模型與實測尺寸誤差分析 m

2. 高度精度檢查

選取530102A017、530102A018、530102A020建模單元中的11棟建筑進行高度精度檢查，采用全站儀的懸高測量法測量到建筑的高度值d，與生成的建筑模型中的高度值c進行比對，分別計算11棟建筑高度尺寸誤差值Δ(c-d)。根據式(1)，計算中誤差為0.4 m，小于0.5 m的精度要求，見表2。

五、結論與討論

本文充分發揮傳統3ds Max建模和三維激光掃描技術快速精準獲取建筑高度的優勢，將二者結合起來對城市建筑進行三維建模。試驗結果表明，與傳統的城市建模方法相比，該方法操作簡單、效率高效，獲取的三維建筑模型成果逼真、數學精度高，滿足了城市規劃管理和數字城市建設的需要，為三維虛擬城市和數字沙盤建設提供了理論和技術參考。通過本文研究方法生成的數字沙盤成果自2014年已在昆明城市規劃展覽館面向公眾展示，已成為市政府科學決策和宏觀調控城市建設發展的重要參考依據，為公眾提供了參與城市規劃管理的平臺。

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Research and Practice of Manufacturing 3D Construction Model by Combining 3D Laser Scanning Technology and 3ds Max

CHEN Yunbo，FENG Yafei，JI Xiaobo

2016-07-01；

陳云波(1971—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為數字城市、城市測繪及規劃信息化建設。E-mail：chybkm@qq.com 通信作者： 馮亞飛

陳云波，馮亞飛，季曉波.利用3ds Max與三維激光掃描技術生成三維建筑模型的研究與實踐[J].測繪通報，2016(12)：77-80.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0406.

P234

B

0494-0911(2016)12-0077-04

修回日期：2016-09-21