三維激光掃描技術在建筑物三維建?？梢暬械膽锰骄?/h1>
2024-01-08 08:51:36賴建民卜鵬飛
科技創(chuàng)新與應用 2024年1期
賴建民，卜鵬飛
（1.廣州南方測繪科技股份有限公司，廣州 510630；2.湖南南方測繪科技有限公司，長沙 410000）
近年來，傳統(tǒng)測量技術已無法滿足現(xiàn)代建模要求，其主要利用二維平面矢量圖和正射影像圖為基礎構建白膜，通過將紋理數(shù)據和高程數(shù)據應用在白膜上，從而完成傳統(tǒng)測量工作。但由于傳統(tǒng)建模方式存在生產成本高、勞動強度大、建模方法效率低等問題，被逐漸淘汰在人們視線中。而三維激光掃描技術可以有效解決人工建模中存在的問題，通過自動化數(shù)據處理技術來提高場景精細三維模型制作速度和精度，徹底突破傳統(tǒng)測量收集數(shù)據單一的局限性，將建筑物局部細節(jié)和層次感完全體現(xiàn)出來。另外，通過利用三維激光掃描技術來收集各種紋理信息數(shù)據，自動生成TIN 格網模型和實景建模模型，深度還原現(xiàn)實三維場景。但目前很多測量工作人員都遇到如何建立基于點云數(shù)據的高效率采集和高精度三維模型的技術難題?；诖耍疚闹饕康氖墙⒁粋€高精度三維模型，利用三維建模軟件，將點云數(shù)據結合起來，實現(xiàn)建筑物的數(shù)據采集和數(shù)據處理工作[1]。
1 三維建模技術概述
三維建模是利用虛擬三維空間信息技術，來建設三維模型空間。從某方面來看，三維建模是隨著計算機信息技術演化的信息化技術，在城市規(guī)劃測量方面具有重要作用，能將土建信息、三維建模技術、二維地籍數(shù)據信息相互結合，從而合理規(guī)劃土地，提高土地利用率。同時，能根據實際情況，收集三維信息技術處理測量數(shù)據，建立城市三維數(shù)據庫，給城市規(guī)劃提供豐富數(shù)據資源。分割后的建筑物點云數(shù)據能有效降低建筑物建模難度。工作人員采用L1-mean 算法提取單個建筑物的骨架線點云數(shù)據，給其選擇建筑物點云數(shù)據切片方向提供豐富的數(shù)據資源，保證點云數(shù)據切片工作能順利進行，為建筑物建模工作打下堅實基礎（圖1）。
圖1 三維建模技術
2 點云建模問題分析
無論是地面3D 激光掃描還是機載3D 激光掃描，對于建筑行業(yè)而言，除了對點云數(shù)據角度、平整度、距離等基礎數(shù)據進行分析外，還必須將各類云數(shù)據集中起來，自動生成三維模型，使三維建模技術發(fā)揮到極致。目前，三維建模軟件趨于多元化，如草圖大師、3dmax、Revit 等軟件，其中點云數(shù)據導入功能可以在3dmax 和Revit 中實現(xiàn)，但需要事先轉化為對應格式。但從目前實際應用情況來看，這2 個軟件在向建模傳輸點云數(shù)據時存在問題：①點云數(shù)據承載量出現(xiàn)問題。雖然Revit 和3dmax 都可以導入點云數(shù)據，但通常只能滿足輕量級的點云數(shù)據瀏覽，當點云數(shù)據超過千萬時，軟件一旦出現(xiàn)卡頓嚴重問題，根本無法正常使用。②點云建模問題。通常采用Revit軟件和3dmax 軟件作為三維建模常用軟件，即根據項目內容進行三維建模，有利于提高其在二維圖紙基準上的操作性和便捷性，而點云數(shù)據如果使用其他軟件基礎工具來構建基礎三維模型，再應用Revit 軟件和3dmax 軟件進行建模，這種建模方式對模型的精確性無法保證，且造型效率較低，一般要測很多遍才能出來[2]。3dmax 軟件可以導入點云數(shù)據文件，進行建模、紋理映射、渲染和導出，圖2 為根據點云數(shù)據生成的三維模型。
圖2 3dmax 軟件導出模型
3 外業(yè)數(shù)據采集和三維模型重建
3.1 建模算法
在將二維圖形轉變?yōu)槿S圖形的過程中，其具有較強靈活性特征，只需要簡單掃描圖形設計，就能自動生成三維圖形。根據截面和路徑個數(shù)不同，工作人員可將掃略面分為多路徑單截面線、多路徑多截面線、單路徑多截面線的掃略面，只需輸入沿路徑方向的截面形狀曲線和路徑曲線，就能自動生成完整物體。在路徑上的線段有弧線段和直線段2 種類型，工作人員要針對不同線段提出對應處理方法，要將弧線段進行等分，計算出等分點坐標信息，將其作為沿路徑方向截面坐標設置標準。另外，工作人員在計算出截面形狀曲線數(shù)據時，全面分析頂點數(shù)據存儲順序，計算多邊形中心點坐標，作為形體變換基點，再利用圖形變換技術掃略截面形狀曲線，將截面形狀曲線頂點坐標轉移到截面頂點坐標，保證截面法線方向和切線方向不存在嚴重差異性，有利于工作人員建立日常工作所需物體[3]。
3.2 外業(yè)數(shù)據采集
這片測試區(qū)是由大量附屬建筑圍合而成的老式住宅樓，整體人流較大，給測量人員的采集增加了點云采集的難度。因此，在進行建筑物外業(yè)測量前，進行現(xiàn)場調查，對建筑物掃描范圍、路線等進行規(guī)劃，避免后期出現(xiàn)重復測量、補測等工作內容。同時，在規(guī)劃路線時盡量回到原起點，構建閉合環(huán)路，以減少數(shù)據解算過程中誤差累積嚴重的現(xiàn)象。綜合各方面外業(yè)采集條件，制定架站、車載、機載3 種點云采集相結合的作業(yè)方式，以便于全面地收集建筑物的點云數(shù)據。
在進行三維激光掃描前，根據掃描需求收集掃描區(qū)域內已有的測繪信息，包括控制點、各類地形圖，確保在掃描作業(yè)前全面地了解區(qū)域內的地形地貌、人文信息、交通道路等信息。根據收集到的信息，初步確定掃描頻率、掃描點云質量、掃描角度等相關掃描參數(shù)。
為了順利開展三維激光掃描的數(shù)據采集工作，獲取目標體空間三維點云，需組織現(xiàn)場踏勘，實地了解掃描區(qū)域的自然地理、人文及交通狀況，并核對已有資料的真實性和適用性。任何的掃描操作都是在特定的環(huán)境下進行的，因此，對于環(huán)境復雜、條件惡劣的場地，在掃描工作前一定要對場地進行詳細的踏勘，對現(xiàn)場的地形、交通等進行了解，對掃描物體目標的范圍、規(guī)模、地形起伏做到心中有數(shù)，然后再根據調查情況對掃描的站點進行設計。
在采用架站測量時，采用南方SD-1500 地面式三維激光掃描測量系統(tǒng)進行作業(yè)，測量范圍為1.5～1 500 m，測量速度可達200 萬點/s，測量建筑物外立面，由于受三維掃描儀角度和視角的影響，距離過近會導致不能獲取建筑最高處數(shù)據，架站掃描儀時應與建筑物保持10～20 m的距離；而更高的建筑，如幾十米甚至幾百米高，則需要在建筑的近處和遠處都擺放，確保獲取到完整的建筑信息。測量建筑物內立面時，通常建筑都是兩邊對稱，所以內部架設站點是鏡像擺放。掃描儀與對象要保持一定距離，保證掃描到完整的對象；同時要根據項目合理規(guī)劃測站間距和測站數(shù)，提高作業(yè)效率和數(shù)據完整度。
在采用車載測量時，在車子啟動前開啟掃描，盡量減少在停車過程中造成的數(shù)據冗余。因相機文件較好進行處理且不影響點云精度，則遇紅綠燈時相機可自主選擇是否暫停拍照工作。遇到橋底隧道等信號失鎖路段，應盡快通過，通過減少衛(wèi)星失鎖時間來盡可能減少點云精度的損失。
外業(yè)點云數(shù)據采集完成后，要對主體點云明顯偏離的漂移點進行刪除，以免后期在特征提取時產生誤判，給建模精度帶來嚴重的影響[4]。等到點云消音工作完成后，再對消音后的點云數(shù)據進行優(yōu)化，以提高后期處理的便捷性（圖3）。
圖3 技術路線圖
4 三維模型重建
將預處理好點云數(shù)據導入到3dmax 軟件。導入后，使用工具進行點云的調整和顯示，創(chuàng)建表面模型，使用建模工具將其轉換為表面模型。使用多邊形建模工具，對點云進行建模、填充表面，并添加細節(jié)，使用“Editable Poly”或“NURBS”工具對點云進行建模、細分表面或生成曲線等，使用“ProOptimizer”等工具對點云進行優(yōu)化、簡化，將紋理映射文件導入到3ds Max 中，并將其應用于模型，使用“UVW Mapping”工具將紋理映射到模型的表面。對模型進行渲染，選擇適當?shù)妮敵龈袷胶蛥?shù)，如分辨率、幀率等，調整相機視角和位置，確保獲得所需的渲染結果。
一般情況下，建筑物窗戶的大小基本一樣，如果在施工模型中發(fā)現(xiàn)有1 cm 以內的差異，則要按照相同尺寸造型，再綜合考慮點云采集要求，預處理誤差數(shù)據；若誤差值超過1 cm 時，應對照點云進行建模處理（圖4）。
圖4 三維建模
在完成建模工作后，要檢查點云，如果發(fā)現(xiàn)點云數(shù)據有不能貼合的現(xiàn)象，要進行刪除重建，建筑物建模，要確保點云與模型相互吻合，如果有些點云觀察細節(jié)不足，就說明模型較大；如果發(fā)現(xiàn)點云和模型中間可以看到明顯的空間，說明模型的推拉度不夠，且在尺寸空間上較小。因此，在改造模型的時候，為了便于工作人員觀察，要把模型設置成透視圖。本文提出一種模型自動生成算法，主要包括路徑掃略、形體放樣、布爾運算3 種方法。其中路徑掃略是根據截面形狀參數(shù)曲線和圖形變換技術，設置內插截面法線，建立完整的三維模型；形體放樣是將放樣截面中不同位置的頂點進行結合，建立三角形小平面，將其作為建筑物表面，進一步完善三維建筑物形狀；布爾運算作為常見的幾何計算法，能完成復雜模型的三維建模[5]。
5 點云數(shù)據處理
點云數(shù)據處理軟件采用南方SouthLidar 軟件，具有海量點云瀏覽、點云渲染、點云糾正、點云裁剪、DEM 生產、點云量測、全景疊加量測、地圖定位和DLG 矢量繪制等功能。
5.1 點云數(shù)據預處理
點云數(shù)據采集后，進行點云數(shù)據預處理。進行去除噪聲、濾波、降采樣等。去除噪聲可以通過高斯濾波、中值濾波實現(xiàn)。濾波可以去除點云數(shù)據中的離群點，使得點云數(shù)據更加平滑。降采樣可以減少點云數(shù)據的數(shù)量，降低計算復雜度。
5.2 點云數(shù)據配準
由于測量人員真實場景掃描范圍較廣，掃描時采用架站、車載、機載3 種方式進行掃描，才能保證掃描數(shù)據的準確性，但也導致每次掃描后的點云數(shù)據來自不同坐標控制點。而在進行三維建模時，工作人員要將全部掃描結果導入到同一個工程文件，要對架站、車載、機載中的點云數(shù)據進行配準。在配準過程中，地面的點云占比較大，卻沒有帶太多的特征信息，會對配準造成干擾，配準前先進行地面去除，為了提高拼接精度，通過全站儀確定控制點的坐標，用三維激光掃描儀對控制點進行精確掃描。以控制點為基站直接將掃描的多測站的點云數(shù)據與其拼接，完成點云配準。
5.3 點云數(shù)據融合
配準后的點云，需要進行點云融合，局部點云部分點存在嚴重飄逸的情況，會給完整點云帶來錯誤信息，所以需要對局部點云地圖進行分割篩選，判斷重疊區(qū)域，然后對重疊區(qū)域和完整點云進行加權融合，對于非重疊區(qū)域，通過聚類進行分割，篩選出需要的點云，最后完成點云融合。
5.4 點云數(shù)據檢查
確保三維激光點云數(shù)據的完整性與質量，不允許存在明顯的空洞，不允許存在點云錯層與雜點；三維激光點云的精度，如掃描精度、拼接精度及轉換坐標精度；三維激光影像點云數(shù)據的質量，不允許存在白色的浮動影像噪點。
5.5 點云數(shù)據導出
數(shù)據過濾采用手動選擇和軟件自動篩選2 種模式進行冗余數(shù)據和噪點數(shù)據過濾刪除的方式進行數(shù)據優(yōu)化，保留主體數(shù)據，能有效地減少數(shù)據量，提高作業(yè)效率。然后再利用裁剪框工具將建筑物框選出來，導出點云。
6 精度分析和成果生成
6.1 模型精度分析
為檢驗模型的精確度，以全站儀測量成果資料為基礎資料，模型成果資料為對照資料，選取陽臺、房屋拐角、窗沿等區(qū)域作為測量對象，進行5 組對比，見表1。
表1 模型精度檢驗分析m
通過分析表1，對比三維模型和全站儀測量的外立面特征點，發(fā)現(xiàn)兩者尺寸差異性較小，最高尺寸差異程度為1 cm，最小尺寸誤差值為3 mm，平均偏差是6.2 mm，能滿足常規(guī)測量中外立面精度要求[6]。
6.2 成果生成
直接基于激光點云構建的建筑物模型是白模，雖然模型具有建筑物的三維外觀輪廓，但缺乏真實感，為盡最大程度地達到逼真效果，還需要對其進行側面紋理貼圖。以構建的白模為基礎，利用建筑物自動紋理貼圖軟件，可以將采集的建筑物4 個方面的影像數(shù)據快速貼在白模上，真實地再現(xiàn)建筑物外觀?？梢詫嫿ê玫慕ㄖ锬Ｐ?，通過與全息影像融合進行紋理提取，在三維模型中顯示與其對應的貼圖紋理；利用點云數(shù)據為參考繪制建筑物平面、立面圖，對建筑物門窗、空調機位、樓頂女兒墻、樓梯間及下水管等進行繪制標注，整理成果資料。
7 結束語
綜上所述，通過將三維激光掃描技術應用到建筑物三維建模方面，有利于解決傳統(tǒng)測量技術中存在的問題，如數(shù)據精度低、無法呈現(xiàn)建筑物立面形狀、數(shù)據效率低等問題。同時，三維激光掃描技術提升外業(yè)數(shù)據采集效率，控制測量工作外業(yè)工作強度，增強測量數(shù)據準確性，解決以往建筑物立面數(shù)據總量不清楚的問題，提供三維模型、平面和立面圖。
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賴建民，卜鵬飛
（1.廣州南方測繪科技股份有限公司，廣州 510630；2.湖南南方測繪科技有限公司，長沙 410000）
近年來，傳統(tǒng)測量技術已無法滿足現(xiàn)代建模要求，其主要利用二維平面矢量圖和正射影像圖為基礎構建白膜，通過將紋理數(shù)據和高程數(shù)據應用在白膜上，從而完成傳統(tǒng)測量工作。但由于傳統(tǒng)建模方式存在生產成本高、勞動強度大、建模方法效率低等問題，被逐漸淘汰在人們視線中。而三維激光掃描技術可以有效解決人工建模中存在的問題，通過自動化數(shù)據處理技術來提高場景精細三維模型制作速度和精度，徹底突破傳統(tǒng)測量收集數(shù)據單一的局限性，將建筑物局部細節(jié)和層次感完全體現(xiàn)出來。另外，通過利用三維激光掃描技術來收集各種紋理信息數(shù)據，自動生成TIN 格網模型和實景建模模型，深度還原現(xiàn)實三維場景。但目前很多測量工作人員都遇到如何建立基于點云數(shù)據的高效率采集和高精度三維模型的技術難題?；诖耍疚闹饕康氖墙⒁粋€高精度三維模型，利用三維建模軟件，將點云數(shù)據結合起來，實現(xiàn)建筑物的數(shù)據采集和數(shù)據處理工作[1]。
1 三維建模技術概述
三維建模是利用虛擬三維空間信息技術，來建設三維模型空間。從某方面來看，三維建模是隨著計算機信息技術演化的信息化技術，在城市規(guī)劃測量方面具有重要作用，能將土建信息、三維建模技術、二維地籍數(shù)據信息相互結合，從而合理規(guī)劃土地，提高土地利用率。同時，能根據實際情況，收集三維信息技術處理測量數(shù)據，建立城市三維數(shù)據庫，給城市規(guī)劃提供豐富數(shù)據資源。分割后的建筑物點云數(shù)據能有效降低建筑物建模難度。工作人員采用L1-mean 算法提取單個建筑物的骨架線點云數(shù)據，給其選擇建筑物點云數(shù)據切片方向提供豐富的數(shù)據資源，保證點云數(shù)據切片工作能順利進行，為建筑物建模工作打下堅實基礎（圖1）。
圖1 三維建模技術
2 點云建模問題分析
無論是地面3D 激光掃描還是機載3D 激光掃描，對于建筑行業(yè)而言，除了對點云數(shù)據角度、平整度、距離等基礎數(shù)據進行分析外，還必須將各類云數(shù)據集中起來，自動生成三維模型，使三維建模技術發(fā)揮到極致。目前，三維建模軟件趨于多元化，如草圖大師、3dmax、Revit 等軟件，其中點云數(shù)據導入功能可以在3dmax 和Revit 中實現(xiàn)，但需要事先轉化為對應格式。但從目前實際應用情況來看，這2 個軟件在向建模傳輸點云數(shù)據時存在問題：①點云數(shù)據承載量出現(xiàn)問題。雖然Revit 和3dmax 都可以導入點云數(shù)據，但通常只能滿足輕量級的點云數(shù)據瀏覽，當點云數(shù)據超過千萬時，軟件一旦出現(xiàn)卡頓嚴重問題，根本無法正常使用。②點云建模問題。通常采用Revit軟件和3dmax 軟件作為三維建模常用軟件，即根據項目內容進行三維建模，有利于提高其在二維圖紙基準上的操作性和便捷性，而點云數(shù)據如果使用其他軟件基礎工具來構建基礎三維模型，再應用Revit 軟件和3dmax 軟件進行建模，這種建模方式對模型的精確性無法保證，且造型效率較低，一般要測很多遍才能出來[2]。3dmax 軟件可以導入點云數(shù)據文件，進行建模、紋理映射、渲染和導出，圖2 為根據點云數(shù)據生成的三維模型。
圖2 3dmax 軟件導出模型
3 外業(yè)數(shù)據采集和三維模型重建
3.1 建模算法
在將二維圖形轉變?yōu)槿S圖形的過程中，其具有較強靈活性特征，只需要簡單掃描圖形設計，就能自動生成三維圖形。根據截面和路徑個數(shù)不同，工作人員可將掃略面分為多路徑單截面線、多路徑多截面線、單路徑多截面線的掃略面，只需輸入沿路徑方向的截面形狀曲線和路徑曲線，就能自動生成完整物體。在路徑上的線段有弧線段和直線段2 種類型，工作人員要針對不同線段提出對應處理方法，要將弧線段進行等分，計算出等分點坐標信息，將其作為沿路徑方向截面坐標設置標準。另外，工作人員在計算出截面形狀曲線數(shù)據時，全面分析頂點數(shù)據存儲順序，計算多邊形中心點坐標，作為形體變換基點，再利用圖形變換技術掃略截面形狀曲線，將截面形狀曲線頂點坐標轉移到截面頂點坐標，保證截面法線方向和切線方向不存在嚴重差異性，有利于工作人員建立日常工作所需物體[3]。
3.2 外業(yè)數(shù)據采集
這片測試區(qū)是由大量附屬建筑圍合而成的老式住宅樓，整體人流較大，給測量人員的采集增加了點云采集的難度。因此，在進行建筑物外業(yè)測量前，進行現(xiàn)場調查，對建筑物掃描范圍、路線等進行規(guī)劃，避免后期出現(xiàn)重復測量、補測等工作內容。同時，在規(guī)劃路線時盡量回到原起點，構建閉合環(huán)路，以減少數(shù)據解算過程中誤差累積嚴重的現(xiàn)象。綜合各方面外業(yè)采集條件，制定架站、車載、機載3 種點云采集相結合的作業(yè)方式，以便于全面地收集建筑物的點云數(shù)據。
在進行三維激光掃描前，根據掃描需求收集掃描區(qū)域內已有的測繪信息，包括控制點、各類地形圖，確保在掃描作業(yè)前全面地了解區(qū)域內的地形地貌、人文信息、交通道路等信息。根據收集到的信息，初步確定掃描頻率、掃描點云質量、掃描角度等相關掃描參數(shù)。
為了順利開展三維激光掃描的數(shù)據采集工作，獲取目標體空間三維點云，需組織現(xiàn)場踏勘，實地了解掃描區(qū)域的自然地理、人文及交通狀況，并核對已有資料的真實性和適用性。任何的掃描操作都是在特定的環(huán)境下進行的，因此，對于環(huán)境復雜、條件惡劣的場地，在掃描工作前一定要對場地進行詳細的踏勘，對現(xiàn)場的地形、交通等進行了解，對掃描物體目標的范圍、規(guī)模、地形起伏做到心中有數(shù)，然后再根據調查情況對掃描的站點進行設計。
在采用架站測量時，采用南方SD-1500 地面式三維激光掃描測量系統(tǒng)進行作業(yè)，測量范圍為1.5～1 500 m，測量速度可達200 萬點/s，測量建筑物外立面，由于受三維掃描儀角度和視角的影響，距離過近會導致不能獲取建筑最高處數(shù)據，架站掃描儀時應與建筑物保持10～20 m的距離；而更高的建筑，如幾十米甚至幾百米高，則需要在建筑的近處和遠處都擺放，確保獲取到完整的建筑信息。測量建筑物內立面時，通常建筑都是兩邊對稱，所以內部架設站點是鏡像擺放。掃描儀與對象要保持一定距離，保證掃描到完整的對象；同時要根據項目合理規(guī)劃測站間距和測站數(shù)，提高作業(yè)效率和數(shù)據完整度。
在采用車載測量時，在車子啟動前開啟掃描，盡量減少在停車過程中造成的數(shù)據冗余。因相機文件較好進行處理且不影響點云精度，則遇紅綠燈時相機可自主選擇是否暫停拍照工作。遇到橋底隧道等信號失鎖路段，應盡快通過，通過減少衛(wèi)星失鎖時間來盡可能減少點云精度的損失。
外業(yè)點云數(shù)據采集完成后，要對主體點云明顯偏離的漂移點進行刪除，以免后期在特征提取時產生誤判，給建模精度帶來嚴重的影響[4]。等到點云消音工作完成后，再對消音后的點云數(shù)據進行優(yōu)化，以提高后期處理的便捷性（圖3）。
圖3 技術路線圖
4 三維模型重建
將預處理好點云數(shù)據導入到3dmax 軟件。導入后，使用工具進行點云的調整和顯示，創(chuàng)建表面模型，使用建模工具將其轉換為表面模型。使用多邊形建模工具，對點云進行建模、填充表面，并添加細節(jié)，使用“Editable Poly”或“NURBS”工具對點云進行建模、細分表面或生成曲線等，使用“ProOptimizer”等工具對點云進行優(yōu)化、簡化，將紋理映射文件導入到3ds Max 中，并將其應用于模型，使用“UVW Mapping”工具將紋理映射到模型的表面。對模型進行渲染，選擇適當?shù)妮敵龈袷胶蛥?shù)，如分辨率、幀率等，調整相機視角和位置，確保獲得所需的渲染結果。
一般情況下，建筑物窗戶的大小基本一樣，如果在施工模型中發(fā)現(xiàn)有1 cm 以內的差異，則要按照相同尺寸造型，再綜合考慮點云采集要求，預處理誤差數(shù)據；若誤差值超過1 cm 時，應對照點云進行建模處理（圖4）。
圖4 三維建模
在完成建模工作后，要檢查點云，如果發(fā)現(xiàn)點云數(shù)據有不能貼合的現(xiàn)象，要進行刪除重建，建筑物建模，要確保點云與模型相互吻合，如果有些點云觀察細節(jié)不足，就說明模型較大；如果發(fā)現(xiàn)點云和模型中間可以看到明顯的空間，說明模型的推拉度不夠，且在尺寸空間上較小。因此，在改造模型的時候，為了便于工作人員觀察，要把模型設置成透視圖。本文提出一種模型自動生成算法，主要包括路徑掃略、形體放樣、布爾運算3 種方法。其中路徑掃略是根據截面形狀參數(shù)曲線和圖形變換技術，設置內插截面法線，建立完整的三維模型；形體放樣是將放樣截面中不同位置的頂點進行結合，建立三角形小平面，將其作為建筑物表面，進一步完善三維建筑物形狀；布爾運算作為常見的幾何計算法，能完成復雜模型的三維建模[5]。
5 點云數(shù)據處理
點云數(shù)據處理軟件采用南方SouthLidar 軟件，具有海量點云瀏覽、點云渲染、點云糾正、點云裁剪、DEM 生產、點云量測、全景疊加量測、地圖定位和DLG 矢量繪制等功能。
5.1 點云數(shù)據預處理
點云數(shù)據采集后，進行點云數(shù)據預處理。進行去除噪聲、濾波、降采樣等。去除噪聲可以通過高斯濾波、中值濾波實現(xiàn)。濾波可以去除點云數(shù)據中的離群點，使得點云數(shù)據更加平滑。降采樣可以減少點云數(shù)據的數(shù)量，降低計算復雜度。
5.2 點云數(shù)據配準
由于測量人員真實場景掃描范圍較廣，掃描時采用架站、車載、機載3 種方式進行掃描，才能保證掃描數(shù)據的準確性，但也導致每次掃描后的點云數(shù)據來自不同坐標控制點。而在進行三維建模時，工作人員要將全部掃描結果導入到同一個工程文件，要對架站、車載、機載中的點云數(shù)據進行配準。在配準過程中，地面的點云占比較大，卻沒有帶太多的特征信息，會對配準造成干擾，配準前先進行地面去除，為了提高拼接精度，通過全站儀確定控制點的坐標，用三維激光掃描儀對控制點進行精確掃描。以控制點為基站直接將掃描的多測站的點云數(shù)據與其拼接，完成點云配準。
5.3 點云數(shù)據融合
配準后的點云，需要進行點云融合，局部點云部分點存在嚴重飄逸的情況，會給完整點云帶來錯誤信息，所以需要對局部點云地圖進行分割篩選，判斷重疊區(qū)域，然后對重疊區(qū)域和完整點云進行加權融合，對于非重疊區(qū)域，通過聚類進行分割，篩選出需要的點云，最后完成點云融合。
5.4 點云數(shù)據檢查
確保三維激光點云數(shù)據的完整性與質量，不允許存在明顯的空洞，不允許存在點云錯層與雜點；三維激光點云的精度，如掃描精度、拼接精度及轉換坐標精度；三維激光影像點云數(shù)據的質量，不允許存在白色的浮動影像噪點。
5.5 點云數(shù)據導出
數(shù)據過濾采用手動選擇和軟件自動篩選2 種模式進行冗余數(shù)據和噪點數(shù)據過濾刪除的方式進行數(shù)據優(yōu)化，保留主體數(shù)據，能有效地減少數(shù)據量，提高作業(yè)效率。然后再利用裁剪框工具將建筑物框選出來，導出點云。
6 精度分析和成果生成
6.1 模型精度分析
為檢驗模型的精確度，以全站儀測量成果資料為基礎資料，模型成果資料為對照資料，選取陽臺、房屋拐角、窗沿等區(qū)域作為測量對象，進行5 組對比，見表1。
表1 模型精度檢驗分析m
通過分析表1，對比三維模型和全站儀測量的外立面特征點，發(fā)現(xiàn)兩者尺寸差異性較小，最高尺寸差異程度為1 cm，最小尺寸誤差值為3 mm，平均偏差是6.2 mm，能滿足常規(guī)測量中外立面精度要求[6]。
6.2 成果生成
直接基于激光點云構建的建筑物模型是白模，雖然模型具有建筑物的三維外觀輪廓，但缺乏真實感，為盡最大程度地達到逼真效果，還需要對其進行側面紋理貼圖。以構建的白模為基礎，利用建筑物自動紋理貼圖軟件，可以將采集的建筑物4 個方面的影像數(shù)據快速貼在白模上，真實地再現(xiàn)建筑物外觀?？梢詫嫿ê玫慕ㄖ锬Ｐ?，通過與全息影像融合進行紋理提取，在三維模型中顯示與其對應的貼圖紋理；利用點云數(shù)據為參考繪制建筑物平面、立面圖，對建筑物門窗、空調機位、樓頂女兒墻、樓梯間及下水管等進行繪制標注，整理成果資料。
7 結束語
綜上所述，通過將三維激光掃描技術應用到建筑物三維建模方面，有利于解決傳統(tǒng)測量技術中存在的問題，如數(shù)據精度低、無法呈現(xiàn)建筑物立面形狀、數(shù)據效率低等問題。同時，三維激光掃描技術提升外業(yè)數(shù)據采集效率，控制測量工作外業(yè)工作強度，增強測量數(shù)據準確性，解決以往建筑物立面數(shù)據總量不清楚的問題，提供三維模型、平面和立面圖。
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