点云数据在建模中的应用

□马勇

（山西省测绘工程院，山西 太原 030002）

点云数据在建模中的应用

□马勇

（山西省测绘工程院，山西 太原 030002）

地面三维激光扫描技术的迅速发展改变了传统测量获取空间数据的手段方法，已经在数字化城市的建设中及其他领域中取得越来越广泛的应用。本文介绍了Riegl VZ-4000的扫描原理及后处理。以怀仁住建局为例介绍了应用点云数据进行建模。

地面三维激光扫描系统；点云数据；建模；数字城市

引言

当前，在以3S技术支撑的现代化时代，社会各行各业特别是文物保护、数字城市、数字矿山、数字工厂等领域，对空间数字三维虚拟信息的需求提出了越来越高的要求[1]。国内外很多学者对点云数据的处理进行了深入的研究，为了能够更方便、更准确、更快捷的获取三维信息，本文结合生产实际对Riegl VZ-4000的数据生产做了初步的探讨。

三维激光扫描测量系统克服了传统测量技术的局限性，通过非接触主动测量方式能够准确获取高精度三维测量数据而且能够全天候的扫描，在不受物体的形态、状态影响下进行快速扫描，能够快速准确地将现实世界的数字三维信息转换成可以处理的有效数据[2]，是现阶段一种全新的获取三维信息的手段，在产业链方面颇具规模。 三维激光扫描测量系统的特点是快速扫描、精确定位、抗干扰、非接触、全数字化等特征；在测量方面可以极大地降低成本、节省时间、提高效率、操作方便；通过软件输出的格式可直接导入CAD软件。

1.地面三维激光扫描系统

1.1地面三维激光扫描系统的主要构造

地面三维激光扫描系统构成由一个快速有效旋转扫描、可以引导激光的两组反光镜和一个高精度的激光测距仪组成并且具有广阔的视角和内置激光铅垂对点器及自动倾斜补偿装置，同时通过被扫描物体的表面反射发出的信号，进而可以准确的测出设备与反射物之间的距离。由此每一个扫描点可以测得测站点到扫描点的斜距，依据扫描设备的垂直方向角和水平方向角可以得到每一扫描点与测站的空间相对坐标。假设测站的空间坐标是已知的那么就可以算出每一个扫描点的三维坐标[3]。以Riegl VZ-4000三维激光扫描系统为例，该扫描系统水平方向是以旋转激光头完成水平360度扫描垂直方向则以旋转反射棱镜在-30度至30度之间扫描，从而获取三维点云数据。

1.2地面三维激光扫描系统工作原理

地面三维激光扫描系统的工作原理和雷达的工作原理很相似。它将光线通过平面镜发射出去应用全波形回波放射技术把物体表面的漫反射沿着相似的路径及相反的方向传回到设备的接收器[4]，可以计算出目标点P与该扫描系统的距离S；通过内置的用户界面来测量每一个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值θ[5]。三维激光扫描系统通常具有为仪器本身定义坐标系统的功能。X轴在横向的扫描面内，Y轴在横向的扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向的扫描面垂直。获取P的坐标（见图1）。

图1 地面三维激光扫描系统工作原理

2.点云数据制作

2.1点云数据获取

根据怀仁县住建局的整体结构扫描共布设4站点，其中的扫描分辨率为0.02扫描距离大于300米；通过预扫描选取每站的扫描范围，完成扫描后把数据导入RISCAN PRO软件进行处理。（见图2）。

图2 点云数据

2.2点云数据处理

通过实地勘测住建局主体由四个面构成，在实际建模当中只用到住建局的框架结构，也就是24条边就能完成模型的主体建设。由此分析得出在不损失精度的情况下需要对点云进行抽稀处理。（见图3）。

图3 抽希后点云数据

2.3点云数据精度检查

根据甲方要求住建局模型结构是精细模型，窗户的制作也采用结构表示而不是纹理表示；Riegl VZ-4000三维激光扫描系统的精确扫描完全能满足其扫描精度。扫描完成后用拓普康5秒级仪器对楼主体四个角进行平面测量及顶部无棱镜高程测量，平面较差2厘米，高程较差5厘米；测量结果与扫描结果的误差满足城市测量相关技术规范要求。

3.点云数据应用

3.1点云数据在CAD中的应用

通过底视图、左视图、右视图、前视图、后视图完成点云数据的截取，截取的同时注意正确选取不同截面的边界点，一般情况下相邻截面之间存在公共点；将截取的点云数据转换成CAD软件能读的dxf格式。导入支持3D显示的CAD软件中，在CAD软件中检查不同截面之间的拼接精度；如果截面之间不存在公共点，那么通过交会法找到公共点并且检查相邻截面间公共点的重合度是否满足要求的精度；检查合格后在CAD中依据点云数据构建框架模型并储存为DWG的数据格式（见图4）。

图4 框架模型

3.2点云数据在3DS MAX建模中的应用把以上数据导入MAX中，依据外景拍摄的照片结合模型结构制作。在MAX当中利用多边形建模工具利用“挤出”命令先做体块模型制作，依据导入的CAD作为参考线制作模型的细部结构。贴图来源外景拍摄，利用Photoshop CS5软件，进行纹理面的选择、匀光处理等，然后选择修改器当中的“UVW贴图”给模型贴图，将最能准确、真实反映建筑纹理信息的影像映射在对应的模型上最后虚拟模型完成制作（见图5）。

图5 虚拟模型

结束语

显然如今数字化程度越来越高，城市二维基础地理信息系统已经不能满足信息时代的需求。本文利用Riegl VZ-4000获取高精度的三维空间数据，利用实地拍摄照片快速搭建三维模型，使建模及贴图效率大大增加，模型精度大大提升，无需再通过地面拍摄的照片对建筑物进行结构的判断。综上本文采用多种综合技术所建立的怀仁县住建局三维模型获得了满意的结果,表明利用三维激光扫描系统采集点云数据进行数字城市三维模型建设可以推广使用。

参考文献：

【1】李奇，林绍福.数字城市技术框架研究[J].武汉大学学报（信息科学版）,2002（增刊）: 9～13.

【2】黄俊华，陈文森．连续卫星定位综合服务系统建设与应用[M]．北京：科学出版社, 2009.

【3】秦福军，王虹创．河南省首家市级连续运行卫星定位综合服务系统正式启动[J]．资源导刊,2008(02):26-26.

【4】黄承亮，吴 侃，向 娟．三维激光扫描点云数据压缩方法[J].测绘科学,2009,34,（2）: 142-144.

【5】张远智，胡广洋，刘玉彤等.基于工程应用的三维维激光扫描系统[J].测绘通报,2002（1）:34-36.

马勇（1979年9月——），男，工作单位山西省测绘工程院，毕业院校太原理工大学。

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2095-7319（2014）01-0052-04