文/彭燕青 董文煜 吳德聰 王佳琪

隨著數(shù)字城市、智慧城市的快速發(fā)展，三維空間技術(shù)在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，逐漸改變了人們的生活方式。相比于二維空間技術(shù)，三維空間主要利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行三維空間數(shù)據(jù)的采集，構(gòu)建三維場(chǎng)景，可給人們最直觀、真實(shí)的感受，給用戶展現(xiàn)更真實(shí)的地理空間關(guān)系。因此在三維空間技術(shù)的研究中，三維可視化技術(shù)是其中一項(xiàng)很重要的研究?jī)?nèi)容。關(guān)鍵因素在于三維模型的建立與三維空間數(shù)據(jù)的整合。通過(guò)三維激光掃描從而進(jìn)行模型構(gòu)建，同時(shí)利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行空間數(shù)據(jù)整合，解決由于三維數(shù)據(jù)的來(lái)源廣泛、資料分散、時(shí)間跨度大、格式復(fù)雜等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)真正的可視化管理。

1 三維空間模型的建立

1.1 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)又稱實(shí)景復(fù)制技術(shù)，主要利用激光測(cè)距的原理，對(duì)實(shí)景進(jìn)行大面積、高分辨率的采集。具有非接觸測(cè)量、采樣率高、高精度、高分辨率、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)越性能，突破了傳統(tǒng)的測(cè)量方法，是快速建立物體三維模型的一種全新技術(shù)手段。該技術(shù)在安防、智慧城市、城建規(guī)劃等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)主要利用Focus3D X330三維激光掃描儀對(duì)實(shí)景進(jìn)行掃描，從而獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.2 三維模型構(gòu)建

1.2.1 三維激光掃描及數(shù)據(jù)預(yù)處理

在進(jìn)行實(shí)景掃描時(shí)，主要根據(jù)周圍環(huán)境選擇相應(yīng)的測(cè)站點(diǎn)，布設(shè)標(biāo)靶點(diǎn)，繪制一張點(diǎn)位分布圖并對(duì)測(cè)站編號(hào)，同時(shí)根據(jù)測(cè)站點(diǎn)架設(shè)掃描儀，進(jìn)行實(shí)景三維激光掃描。但由于進(jìn)行三維激光掃描時(shí)，因機(jī)器誤差、掃描盲區(qū)、環(huán)境、天氣、物體結(jié)構(gòu)等因素，會(huì)導(dǎo)致獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)存在一些噪聲點(diǎn)、空洞等，嚴(yán)重的影響點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接精度。而點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接精度決定模型的精度，而且點(diǎn)云數(shù)據(jù)相對(duì)離散，因此點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理至關(guān)重要。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理流程主要包括點(diǎn)云配準(zhǔn)、去噪、去濾波、壓縮等，進(jìn)而獲取完整的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)將不同站點(diǎn)掃描到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接在同一個(gè)掃描坐標(biāo)系下，利用基于特征的配準(zhǔn)算法，通過(guò)掃描物體的明顯特征來(lái)解算變換參數(shù)，并對(duì)所獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取噪聲檢測(cè)與去除的研究設(shè)定，從而提高點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度，使得數(shù)據(jù)拼接的誤差更小。

1.2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接與模型構(gòu)建

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接是點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，拼接方法主要有基于標(biāo)靶拼接、幾何特征拼接、控制點(diǎn)三維坐標(biāo)拼接等。其中基于標(biāo)靶拼接法是最簡(jiǎn)便的拼接方法，也是目前市場(chǎng)上使用最多的一種。因此通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，將處理后的點(diǎn)云導(dǎo)入scene（Focus3D X330激光掃描儀配套點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件）軟件中，提取標(biāo)靶點(diǎn)，利用標(biāo)靶拼接原理，以其特征為基礎(chǔ)，進(jìn)行定位管理，最后進(jìn)行模型細(xì)節(jié)處理，從而拼接合并為完整的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)掃描場(chǎng)景的三維重建。

1.3 三維建模方法比較

目前，市場(chǎng)上對(duì)三維模型進(jìn)行構(gòu)建的方式主要有：3Dmax、CAD、SCENE、點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維實(shí)景、傾斜攝影建模等，它們各自都有自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，部分比較如表1。

通過(guò)對(duì)以上市場(chǎng)上使用最多的幾種方法比較后，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維實(shí)景建模方式精度高、效果好、真實(shí)度高，點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接時(shí)間快，是目前建模的最佳選擇，唯一不足的就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)，模型格式需要轉(zhuǎn)化為3Ds等格式才能導(dǎo)入平臺(tái)進(jìn)行使用。

2 基于三維空間信息的可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要基于B/S架構(gòu)，結(jié)構(gòu)采取多層分布式的結(jié)構(gòu)，主要分為感知層、數(shù)據(jù)層、傳輸層、應(yīng)用層。感知層包含各種感知終端，進(jìn)行物體識(shí)別、信息采集，利用數(shù)據(jù)采集底板采集傳感器信息，并與監(jiān)控對(duì)象相連。數(shù)據(jù)層則是各種采集的數(shù)據(jù)、地理信息以及三維模型數(shù)據(jù)等，從而實(shí)現(xiàn)空間信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，同時(shí)對(duì)采集底板采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀和判斷。傳輸層則主要運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)通信模塊將解讀出來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器中，從而傳遞給各PC端網(wǎng)關(guān)。應(yīng)用層層則是系統(tǒng)等主要部分，以三維空間模型為依托，信息數(shù)據(jù)為紐帶，實(shí)現(xiàn)三維可視化平臺(tái)的呈現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要采用多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊相結(jié)合方式，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊主要由兩個(gè)部分組成，分別是：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理。其中數(shù)據(jù)采集部分主要利用各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)入數(shù)據(jù)處理終端與計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中；數(shù)據(jù)處理部分主要就是將傳感器采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)、處理；數(shù)據(jù)傳輸部分則主要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行系統(tǒng)協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

2.3 信息數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

各種傳感器采集上來(lái)的信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，傳輸進(jìn)入?yún)f(xié)調(diào)器中，協(xié)調(diào)器講解析道道信息數(shù)據(jù)以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給相關(guān)網(wǎng)絡(luò)基站，基站以TCP/IP的處理方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再發(fā)送到后臺(tái)三維可視化系統(tǒng)，從而完成三維信息數(shù)據(jù)的傳輸。

3 基于三維空間信息的可視化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

隨著三維空間技術(shù)研究和應(yīng)用的不斷深入，二維世界已經(jīng)無(wú)法滿足社會(huì)的需求，安防、建筑等相關(guān)領(lǐng)域?qū)臻g可視化的探索更為迫切，因此三維可視化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)極大的實(shí)現(xiàn)了三維場(chǎng)景的交互和共享，信息數(shù)據(jù)的傳輸與分析。

3.1 模型自由導(dǎo)入與伸縮

通過(guò)采用激光掃描技術(shù)與三維模型構(gòu)建技術(shù)，首先將掃描獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建出場(chǎng)景三維模型，并將三維模型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為可視化平臺(tái)能夠識(shí)別的格式，主要為3ds、obj、mesh等格式，利用three.js庫(kù)里封裝了三維模型導(dǎo)入的接口，實(shí)現(xiàn)模型導(dǎo)入平臺(tái)之中，形成真實(shí)的三維景觀。將模型導(dǎo)入平臺(tái)之后，運(yùn)用three.js特有的視角轉(zhuǎn)換技術(shù)，調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)視角的轉(zhuǎn)換與縮小，使其能與系統(tǒng)進(jìn)行自由縮放。

3.2 空間數(shù)據(jù)同步

通過(guò)對(duì)三維可視化模型進(jìn)行標(biāo)注，添加一些矢量要素信息，并掛接在模型的相關(guān)節(jié)點(diǎn)上。同時(shí)，通過(guò)前端多結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的對(duì)接，利用分布式數(shù)據(jù)采集獲取數(shù)據(jù)，將各種傳感器采集上來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理、轉(zhuǎn)化、修復(fù)、渲染，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。最后通過(guò)PHP頁(yè)面鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)用$id=$_POST[‘id’];函數(shù)，訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件，查詢相應(yīng)數(shù)據(jù)并返回前段時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出，使掛在模型節(jié)點(diǎn)上的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，達(dá)到數(shù)據(jù)同步，確保了可視化系統(tǒng)的全面與具體。

3.3 信息智能化

系統(tǒng)以三維空間模型為基礎(chǔ)，信息數(shù)據(jù)為紐帶，用PHP技術(shù)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)文件，將分布在空間的各種信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，使其可以能隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。推動(dòng)空間數(shù)據(jù)向著集成化、動(dòng)態(tài)化、智能化發(fā)展。同時(shí)利用各種大數(shù)據(jù)分析挖掘技術(shù)架構(gòu)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度的分析與挖掘，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)警、查詢等，達(dá)到真正意義的可視化、智能化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用三維激光掃描、點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)建、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)結(jié)合PHP、JavaScript、HTML程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的方式，利用三維空間模型與三位空間數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)基于三維空間信息的可視化平臺(tái)。解決了信息數(shù)據(jù)量大、信息分散、傳輸時(shí)間跨度大等問(wèn)題，給人一種身臨其境的感覺(jué)，實(shí)現(xiàn)了空間信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)查詢、分析、全方位的監(jiān)控與防護(hù)等。為智慧城市、小區(qū)安防、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域提供了一種新的技術(shù)平臺(tái)。