建模技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)中的技術(shù)核心,虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)世界反映的真實(shí)性狀況與建模技術(shù)有著密切的關(guān)系。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提升和可視化技術(shù)的快速發(fā)展, 模型重建技術(shù)也更加成熟。傳統(tǒng)的建模方法按技術(shù)手段和表現(xiàn)形式分為兩種 :基于幾何模型建模技術(shù)和基于圖像建模技術(shù)。
常用的三維建模軟件有 :3DMax、AutoCAD、Google SketchUp 等?;趲缀文P偷慕<夹g(shù)操作簡(jiǎn)單,但數(shù)據(jù)采集和建模流程費(fèi)時(shí)費(fèi)力 ;基于圖像的建模技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)精度的要求較高,針對(duì)規(guī)則物體建模效果較好,但不適用于復(fù)雜物體。
如何高效、準(zhǔn)確地獲得數(shù)據(jù)、建立模型,成為當(dāng)前測(cè)繪遙感領(lǐng)域普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。
作為近年來(lái)出現(xiàn)的新型模型重建技術(shù),激光點(diǎn)云建模技術(shù)拓展了模型重建技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段 , 在數(shù)字城市、工程規(guī)劃、古建筑保護(hù)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。本文通過(guò)新技術(shù)與傳統(tǒng)方法的對(duì)比,突出了激光點(diǎn)云建模技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景。
一、三維建模方法的應(yīng)用研究
三維建模主要環(huán)節(jié)包括:空間數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、模型建立、模型可視化。三維空間模型分為地形模型和地物模型。
地物模型非常復(fù)雜,又可以歸納為:
建筑物模型(簡(jiǎn)單建筑物、復(fù)雜建筑物);
構(gòu)筑物模型(雕像);
道路模型 ;
環(huán)境景觀模型(草地、樹木、河流等);
其他地物模型(路燈、垃圾桶等)。
地物有自身的空間屬性特征 , 需要采用不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建模方法。
本文以某地區(qū)廣場(chǎng)為例,分別采用傳統(tǒng)3DMax 建模和激光點(diǎn)云建模技術(shù)進(jìn)行主要模型重建, 深入分析了二者的工作流程及特點(diǎn)。
1、 傳統(tǒng)建模方法的應(yīng)用
傳統(tǒng)幾何模型建模技術(shù)工作原理是 :以矢量幾何數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用模型構(gòu)建軟件建立三維模型,模型紋理圖片用數(shù)碼相機(jī)獲得,再經(jīng)過(guò)照片糾正處理后進(jìn)行貼圖。采用 3DMax、AutoCAD 軟件進(jìn)行模型構(gòu)建, 是幾何模型建模技術(shù)最常用的方法。利用 3DMax 軟件完成區(qū)域內(nèi)主要場(chǎng)景的建模 , 技術(shù)流程如圖 所示。
3DMax 建模流程圖
2、 激光點(diǎn)云的建模方法應(yīng)用
激光點(diǎn)云建模技術(shù)是根據(jù)三維激光掃描儀獲取包含三維坐標(biāo)的點(diǎn)云數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和配準(zhǔn)處理等操作,進(jìn)一步提取有效數(shù)據(jù),進(jìn)行曲面和實(shí)體構(gòu)造, 最終得到三維模型。
工作步驟包括 :
① 數(shù)據(jù)采集,通過(guò)三維激光掃描系統(tǒng)實(shí)地獲取目標(biāo)實(shí)體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)、紋理信息 ;
② 數(shù)據(jù)處理,包括多站點(diǎn)數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接、去噪、重采樣等處理 ;
③ 三維建模,根據(jù)不同的點(diǎn)云特征,建立三維空間數(shù)據(jù)模型 ;
④ 紋理映射,紋理信息映射到模型上,形成模型的真實(shí)紋理。
技術(shù)流程如圖所示。
激光點(diǎn)云建模的技術(shù)流程圖
點(diǎn)云建模需要滿足兩個(gè)條件 :
第一, 數(shù)據(jù)必須是配準(zhǔn)的 , 融合為一個(gè)整體 ;
第二, 重建的表面與融合的數(shù)據(jù)拓?fù)潢P(guān)系一致。
這就要求在進(jìn)行建模前,需要將點(diǎn)云數(shù)據(jù)在 StudioClouds 軟件中進(jìn)行處理操作。數(shù)據(jù)拼接與坐標(biāo)糾正是數(shù)據(jù)采集時(shí)在相鄰區(qū)域設(shè)置至少三個(gè)以上的標(biāo)靶點(diǎn),將不同站點(diǎn)不同角度掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下,再根據(jù)得到的大地坐標(biāo),將拼接好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到大地坐標(biāo)系下 ;數(shù)據(jù)去噪是利用軟件中去除噪聲、去除特征等功能,結(jié)合人工分析的方法刪除遮擋被測(cè)實(shí)體的樹木、行人等障礙數(shù)據(jù) ;重采樣是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化,通過(guò)重采樣獲得大于 2 mm 任意間距的點(diǎn)云數(shù)據(jù),減少數(shù)據(jù)量,提高效率。處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)如圖所示。
處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖
二、 激光點(diǎn)云建模與傳統(tǒng)建模對(duì)比分析
1、數(shù)據(jù)采集對(duì)比
傳統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)方法是通過(guò)外業(yè)測(cè)量和資料收集, 獲取空間實(shí)體的CAD 地形圖、模型照片等數(shù)據(jù)。三維激光掃描系統(tǒng)通過(guò)記錄激光脈沖從發(fā)射到接收回波之間的時(shí)間差得到實(shí)體與掃描儀中心的距離。編碼器通過(guò)測(cè)量脈沖的角度來(lái)獲取被測(cè)物體的三維坐標(biāo),獲取實(shí)體表面完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和紋理信息,包含被測(cè)物體空間尺寸和反射率信息,同時(shí)其內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)也相應(yīng)地采集到被測(cè)物體的照片,獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠。本次對(duì)比實(shí)驗(yàn)為了更好地突出三維激光掃描儀獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),分別采用 Reigl三維激光掃描儀和傳統(tǒng)的全站儀對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
結(jié)果顯示, 采用 Reigl三維激光掃描儀和StudioClouds 系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行掃描,3 個(gè)外業(yè)測(cè)量人員用了 1 d 的時(shí)間,通過(guò)設(shè)置 32 個(gè)站點(diǎn)就完整地掃描了奧特萊斯廣場(chǎng)上共 11 座建筑,獲取的有效數(shù)據(jù)點(diǎn)達(dá)4 千多萬(wàn)。同樣的區(qū)域,通過(guò)傳統(tǒng)的全站儀測(cè)量需要 6 個(gè)人花費(fèi) 3 d 的時(shí)間才能完成,數(shù)據(jù)獲取的能力有限, 外業(yè)工作量大。因此,利用三維激光掃描儀可以省時(shí)省力并獲取豐富精確的數(shù)據(jù)。
2、 建模方法及效果對(duì)比
基于 3DMax,構(gòu)建地形、地貌模型,一般利用軟件的功能模塊由等高線和高程點(diǎn)生成 DEM。構(gòu)建建筑物模型,根據(jù)得到的地形圖數(shù)據(jù)構(gòu)筑建筑物的幾何輪廓,在 3DMax 中,以實(shí)地測(cè)量的建筑物長(zhǎng)寬高數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按照實(shí)體輪廓拉伸成具有高度的實(shí)體模型,生成的實(shí)體模型。構(gòu)建環(huán)境景觀和其他地物模型一般通過(guò)紋理貼圖或直接使用三維模型庫(kù)中模型的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是通過(guò)建模的過(guò)程和最后模型的呈現(xiàn)可見,3DMax 建模方式單一,獲取的數(shù)據(jù)離散,失去了很多細(xì)部特征,幾何信息不準(zhǔn)確。特別是對(duì)復(fù)雜實(shí)體建模時(shí)不能很好地表現(xiàn)建筑的細(xì)節(jié)特征。
激光點(diǎn)云建模的方法有兩種 :
① 點(diǎn)云數(shù)據(jù)表面模型制作 , 通過(guò)構(gòu)造三角網(wǎng)格逼近掃描物體表面來(lái)構(gòu)建實(shí)體的三維模型。
②幾何模型制作 , 通過(guò)分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)提取實(shí)體的幾何輪廓從而進(jìn)行模型重建。
由于激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)是離散的,需要把點(diǎn)云分類,采用的是數(shù)據(jù)濾波分類與點(diǎn)云數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)融合相結(jié)合的方法。對(duì)于不同的實(shí)體類型,應(yīng)參考點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及建模需求采用相應(yīng)的建模方法,主要有:
1)地形模型建模。采用投影后構(gòu)建平面三角網(wǎng)的方法,即將點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到平面坐標(biāo)上,利用 X、Y 坐標(biāo)構(gòu)建二維三角網(wǎng),然后再給各點(diǎn)賦 Z 值,從而構(gòu)建數(shù)字高程模型DEM 。
2)規(guī)則建筑物建模。規(guī)則建筑物一般由連續(xù)的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)成,采用幾何模型制作方法建模。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和曲面擬合,采用人機(jī)交互的方式來(lái)提取特征輪廓線繪制成實(shí)體的幾何線框圖,進(jìn)而構(gòu)建模型,進(jìn)行紋理貼圖。
3)不規(guī)則的復(fù)雜物體和構(gòu)筑物建模。這類空間模型表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度要求比較高,表面是任意的。
4)對(duì)于其他地物(如電桿、郵筒、花圃花壇等),這些實(shí)體幾何形狀比較復(fù)雜,一般只需要作為一種符號(hào)表示其位置即可,因此可根據(jù)實(shí)際需要,采用建模軟件三維模型庫(kù)中的單體模型和人工特征提取輪廓線建模相結(jié)合的辦法。
激光點(diǎn)云建模針對(duì)不同的場(chǎng)景采用相應(yīng)的方法,成果表現(xiàn)形式多樣,在建模效率、模型精度、實(shí)現(xiàn)的可能性和可靠性上都高于 3DMax 建模方法。
下面表格為基于 3DMax 建模與基于激光點(diǎn)云建模的各項(xiàng)指標(biāo)比較,相對(duì)于傳統(tǒng)的建模方法,激光點(diǎn)云的建模具有很大的優(yōu)越性。特別是三維激光掃描儀能夠采集到傳統(tǒng)測(cè)量方法難以獲得的不規(guī)則建筑物角點(diǎn),對(duì)一些細(xì)微特征的描述比較精細(xì),因此激光點(diǎn)云建模方法在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大規(guī)模建筑物建模中具有更大的應(yīng)用價(jià)值。
激光點(diǎn)云建模技術(shù)與 3DMax 建模技術(shù)比較表 :
建模指標(biāo) |
3DMax 建模 |
|
數(shù)據(jù)獲取方式 |
以全站儀為主的單點(diǎn)測(cè)量,獲取數(shù)據(jù)能力有限 |
三維激光掃描技術(shù)全面掃描,可獲取完整數(shù)據(jù) |
數(shù)據(jù)獲取類型 |
建模實(shí)體的輪廓數(shù)據(jù)、紋理信息 |
建模實(shí)體的三維坐標(biāo)、反射率和紋理信息 |
建模方式 |
方 法單一 |
方法 多樣,實(shí)現(xiàn)的可能性高 |
模型精確程度 |
一般,不適合復(fù)雜實(shí)體的建模 |
精確,成果表現(xiàn)形式多樣 |
工作量 |
數(shù)據(jù)采集和建模工作量 都很大、周期長(zhǎng) |
數(shù)據(jù)采集和建模工作量 較小,在處理海量點(diǎn)云 數(shù)據(jù)時(shí)工作量較大 |
綜上所述,主要從數(shù)據(jù)獲取手段和建模方式兩方面對(duì)以3DMax 為代表的傳統(tǒng)建模和激光點(diǎn)云建模方法進(jìn)行實(shí)例比較,結(jié)果表明,利用三維激光掃描系統(tǒng)采集的點(diǎn)云適合于構(gòu)建復(fù)雜模型,可以有效地建立完整的模型, 彌補(bǔ)了傳統(tǒng)建模方法的不足。但是,激光點(diǎn)云建模方法也存在著一些問(wèn)題:在數(shù)據(jù)采集方面,原始數(shù)據(jù)冗余; 數(shù)據(jù)處理方面,如果受外界干擾過(guò)多會(huì)產(chǎn)生大量噪聲點(diǎn),增加了處理工作量等。如何在實(shí)際應(yīng)用中改善這些問(wèn)題,是需要深入研究的內(nèi)容。
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