激光點云數據在建筑小品精細建模中的應用

王洪蜀,汪仁銀,朱逍賢

(四川水利職業技術學院測繪地理信息系，四川成都 611231)

三維激光掃描技術又叫實景復制技術，能夠快速、主動、無接觸地獲取目標物高精度、高密度的激光點云數據,基于激光點云數據的三維建模技術在文物遺產保護、建筑物監測、室內場景還原、災害模擬預警、城市規劃、城市數字化等諸多領域被廣泛應用。在文化遺產方面，化蕾等人開展了客家土樓真實感、精細化三維建模的應用研究[1]，為文物保護作出了重要的貢獻；賈小鳳等人利用三維激光點云數據對室內場景物體進行三維模型建立，并與基于幾何測量數據建立的三維模型進行對比，表明點云數據進行室內物體精細建模更有優勢[2]。孫杰等人提出了基于三維激光點云的礦區建筑物形變特征提取方法，通過實測數據驗證了該方法的可用性[3]。朱曙光等人詳細論述了基于 Leica Scan Station P40 三維激光掃描系統在建筑物精細建模中的應用[4]。以上是目前一些學者利用激光點云數據展開的三維重建方面的應用研究，而在建筑小品方面的應用研究涉及非常少。建筑小品作為一種獨立的地物，是布置在街頭、廣場、綠地等處室外環境中的小型建筑設施，大部分除具有使用功能外，還具有觀賞和裝飾功能，造型獨特，富有藝術性，比如常見的雕塑、石盆景。用傳統的測量手段獲取建筑小品表面三維數據難度大、工作繁瑣、精度差，鑒于這個問題，本文主要研究以三維激光點云數據作為基礎數據源，構建建筑小品(日晷)精細三維模型。

1 激光點云測量原理

三維激光掃描技術是一項高新測量技術，突破傳統單點測量方法、能夠快速海量地測量目標物體表面的三維空間坐標，海量點的集合，稱為“點云”。三維激光掃描儀向目標物體發射激光，激光束按設定分辨率依次掃過測區，測量每個激光脈沖從發出經目標物表面返回儀器所經過的相位差(或者時間差)來計算掃描儀至掃描點的距離r；同時測量每個激光脈沖橫向掃描角度值α和縱向掃描角度值β，最后根據獲得的距離和角度值計算出每個掃描點相對于測站點的空間三維坐標。如圖1所示，在這樣的一個三維激光掃描儀器內部坐標系統中，坐標原點O為激光發射點，X軸、Y軸在儀器橫向掃描平面內，X軸與Y軸相互垂直；Z軸在儀器縱向掃描方向面與橫向掃描面垂直，構成右手坐標系[5]。每個點的三維坐標計算公式如下[6]。

(1)

圖1 儀器內部坐標系

2 激光點云數據采集和處理

2.1 激光點云數據采集

本研究利用Leica ScanStation C10三維激光掃描儀進行建筑小品(日晷)點云數據采集。Leica ScanStation C10是一種脈沖式掃描儀，可實現360 °×270 °范圍的掃描，掃描速度可達50 000點/s，單點的測量精度可達 mm 級，點云最小間隔可達1 mm。

掃描前應踏勘現場情況，根據掃描目標物位置、形狀及周圍地物的分布合理設置測站位置和數量，測站位置應選在地勢平坦、視野開闊、地基穩定的地方，盡量以較少的測站數獲取目標物的全部點云數據。由于各個測站數據是各自內部獨立的坐標系，為了統一在一個固定的坐標系中，在采集數據時，應根據實際情況和具體需求，考慮后期的配準方法。本研究采用公共標靶進行各測站數據的拼接，測站與標靶布設如圖2所示。公共標靶應布設在各測站掃描范圍的重疊區域，測站之間至少布置3個標準靶，且滿足這3個標準靶不在同一高度線上，以免產生線性關系，降低軟件解算的結果誤差?，F場布置好之后，通過設置掃描儀的視場范圍、分辨率等參數依次進行目標掃描、標靶粗掃描、標靶精掃描、場景拍照完成對目標物(日晷)點云數據和影像數據的獲取。

圖2 測站點與標靶分布

2.2 激光點云數據處理

激光點云數據處理主要是利用Leica高清晰測量系列掃描儀配套的數據后處理軟件 Cyclone完成，其處理過程包括點云配準、粗噪點的剔除、格式轉換等內容。

點云配準是將多個不同ScanWorld向一個基準坐標系轉換，此過程不同的ScanWorld通過同名點對約束條件旋轉相應的三個方向坐標軸，合并到基準坐標上，其內部結構并沒有改變，只是相對于位置有了變化。本研究是將標靶中心作為同名點對，通過自動添加約束條件，實現基于標靶的配準，研究所用數據配準最大誤差為1 mm。由于儀器誤差、物體表面、周圍環境等因素的影響，掃描點云中必然存在許多與目標對象無關的點云，必須剔除，以提高數據處理效率和保證后期建模精度，Cyclone軟件中主要是對一個肉眼可判的一些噪聲點進行剔除。為便于后期建模軟件Geomagic Studio的使用，可將IMP格式的數據庫文件，輸出為TXT、PTX、XYZ等多種數據格式。

3 三維精細建模

將Cyclone軟件導出的點云數據，借助Geomagic Studio軟件構建建筑小品(日晷)的三維精細模型，一般會經過點處理、多邊形處理、曲面處理三個階段。

3.1 點處理階段

點處理階段主要是對處理后的點云做進一步的處理，使之更為精簡，完成后封裝為可用的多邊形模型。導入的點云數據默認顯示為黑色，為了更加清晰、直觀地查看點云數據需要對其進行著色處理。由于Cyclone軟件是通過肉眼判讀去除噪聲點，在此可以設置系統經驗值選擇非連接項、體外孤點進行去除?！皽p少噪音”操作刪除了移動偏差較大的點云數據，使其變得平滑，提高曲面精度，其中“棱柱形(積極)”方式適用于物體表面有尖銳邊角的曲面模型，適合本研究對象的處理?！胺庋b”實質是將散亂的點云數據在空間生成多個三角網，用來更加逼真呈現點云的三維模型。

3.2 多邊形處理階段

掃描儀獲取數據時，由于遮擋或物體表面反射等因素存在一些地方點云數據不完整或缺失，封裝后的多邊形模型表面會出現孔洞、尖狀物等，因此需要對其進一步處理，為后面的曲面階段奠定基礎。首先需要進行填充操作，對一些漏洞進行修補。修補完后，多邊形模型表面有明顯凹凸不平的區域應進行平滑處理，可使用“去除特征”、“刪除釘狀物”、“松弛”工具。平滑處理完成后，使用“網格醫生”工具檢測模型有問題的網格并對其進行修復。一般情況下多邊形數據量大，為減少內存占用提高建模速度，在保證模型精度的前提下可簡化多邊形，通過使用“簡化”工具用更少數量的多邊形來表示模型載體。

3.3 曲面處理階段

曲面處理階段可探測多邊形模型表面生成輪廓線，并對效果不好的輪廓線利用編輯輪廓線工具進行修復；然后根據輪廓線構造曲面片并進行編輯處理使曲面平滑；再對曲面片構建柵格將其處理為指定分辨率的網格結構；最后將曲面片擬合成NURBS曲面，完成點云數據的逆向曲面造型。本研究擬合日晷的曲面效果如圖3所示。

圖3 日晷曲面模型

4 三維建模精度分析

在虛擬的環境下，為用戶呈現逼真的現實環境，三維模型就必須精確地描述每個地物的真實三維尺寸，模型精度檢驗是三維模型重建中的一個重要環節。精度包括絕對精度和相對精度，本研究進行點位精度分析和距離對比分析。

4.1 點位精度分析

由計算式(1)可知，點的坐標直接受儀器系統的測距誤差和測角誤差的影響，此外儀器對中誤差、標靶精度、點云配準等都會對點的坐標產生影響[7]。本文選取6個全站儀觀測、且容易識別的特征點作為研究數據，將全站儀獲取的坐標值與模型上點的坐標值進行對比分析。結果見表1。

分別計算X、Y、Z3個方向的坐標較差，然后由坐標誤差計算式(2)得到點位精度。

(2)

由表1可以看出坐標點位最大誤差4.3 mm，能夠滿足大多數三維建模工作的需求。

表1 點坐標對比

4.2 距離對比分析

本研究以鋼尺量測的特征邊長作為真值，在點云數據和模型數據上分別選取對應的特征邊進行對比，并計算較差和相對誤差，結果如表2所示。

表2 距離對比

縱觀表2可發現，經與鋼尺測量的值對比，點云數據上量測的邊長比三維模型上量測的對應邊長與真值偏差較小，且分布穩定。點云數據邊長變形檢驗最大偏差是4 mm，最小偏差為1 mm，最大相對誤差是1/214，最小相對誤差為1/1 843；由于點云數據點、多邊形、曲面建模處理，三維模型對應邊長變形檢驗最大偏差是7 mm，最小偏差為1 mm，最大相對誤差為1/214，最小相對誤差為1/2 309。

5 結論

本研究以建筑小品(日晷)為研究對象，利用三維激光掃描儀非接觸、高效地獲取激光點云數據，經點云數據處理后利用Geomagic Studio逆向建模軟件建立了日晷的三維模型，并與全站儀實測坐標和鋼尺實測距離數據進行了精度方面的對比分析。結果表明：利用三維激光掃描技術實現快速高精度、真三維模型的構建是可行的，且基于點云數據的模型構建更加形象直觀。在未來的發展中，三維激光掃描技術可在精細模型構建等領域發揮重要的作業。