基于三维激光扫描技术的模型重建研究
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作者:李孟迪 王玉振
摘 要：本文主要研究了三维激光扫描技术在建筑物模型重建中的应用。具体做法是首先运用软件RiSCAN PRO进行初始数据的预处理，对数据进行拼接、滤波、重采样等处理，然后将处理完成的数据导入到Geomagic Studio软件中进行三角化得到初始的三角网格模型，在初始模型的基础上进行三角形网格错误检测、三角形网格填孔、三角形网格简化、三角形网格平滑等一系列操作，完成后进行纹理贴图得到最终的模型。采用这种方法使得建模的效率及精度都得到了较大的提高。
关键词：激光扫描 三角网格 模型重建
激光扫描技术作为一种快速发展的新技术，通过地面、车载或机载的激光扫描仪器，采用激光测量技术直接获得客观目标的空间信息。这些空间信息通常表现为高密度、高精度离散点的形式，通过对离散点的一系列处理，得到应用于生产实践的三维矢量化信息。
文中用到的地面激光扫描仪（Terrestrial Laser Scanner，简称TLS）正是基于激光扫描技术的新型仪器，因此与一般的测量仪器相比，TLS具有无可比拟的优势。随着地面激光扫描仪的不断发展，一些新的测量手段被广泛应用于建筑物的测绘中，使得建筑物的测绘手段变得更加高效率，高精度。本文正是基于这种背景展开的，由于三維激光扫描技术是通过发射与接收激光信号进行快速三维测量的一种技术，所以它能够直接测得目标点的三维空间坐标。该技术可以快速采集各种不规则及复杂的实体或实景的三维点云数据，进而可以通过三维点云进行三维建模。在对建筑物进行测量时，三维激光扫描技术的非接触式测量以及高效快捷等优势体现的尤为明显。三维激光扫描仪有着广阔的应用前景，它的使用可节省大量的人力、物力、财力，加快数据的生产速度，提高生产效率，同时也具有极大的社会价值和应用潜力。由于三维激光扫描技术是近年来逐渐发展起来的一种新技术，它在建筑物测绘领域中的应用尚不成熟，目前国内对其进行的研究与发达国家相比还很薄弱，还停留在在实验阶段，无法满足人们日益增长的需求，为了使该项技术更好地服务于我国的国民经济建设，对点云数据在建筑物模型重建中应用的研究因此具有十分重要的科研和现实意义。本文通过理论与实践相结合的方式研究了三维激光扫描技术在建筑物模型重建中应用的一些关键技术，对三维激光扫描技术在建筑物测绘领域中应用的发展有一定的意义。
1 数据预处理
地面激光扫描重建的步骤包括外业数据采集和内业数据处理两个阶段。具体分为前期准备阶段、点云数据采集阶段、点云数据处理阶段、建立模型阶段、模型精化阶段等。
一般的地面三维激光扫描仪都有配套的软件系统，该软件系统主要有两部分功能，一部分是用来控制仪器运行的，另外一部分是用来进行点云数据处理。以RIEGL VZ-400型号的仪器为例，其配套的软件系统为RiSCAN PRO，另外还配套有RiSCAN LIB库方便用户进行二次开发。RiSCAN PRO软件的点云处理功能主要包括显示浏览数据、点云数据基本处理、照片处理、点云三维建模等。
显示浏览数据：海量点云快速浏览、按2D/3D模式显示数据、按强度/反射率灰度模式显示数据、按距离/高程假彩色模式显示数据、按照片真彩色模式显示数据、支持fly/walk模式浏览数据、支持仅显示选择的数据等。
点云数据基本处理：点云数据导入导出、点云数据测量、点云单点坐标输出、点云裁剪、点云坐标转换、多站点云配准、点云滤波、特征点线面提取等。
照片处理：照片畸变消除、照片配准等。
点云三维建模：三角网生成、三角网平滑处理、三角网简化处理、三角网法向量修改、模型表面对比分析、模型纹理映射、模型表面积/体积计算等。
2 三角网格化建模
三维激光扫描仪采集得到的是目标物体三维空间中散乱的点组成的点的集合。这些散乱的点集通常不能精确地反映目标物体的细节特征，所以需要根据它们拟合出与目标物体接近的表面，这样才能得到能够反映目标物体的精确的细节特征，这个过程就是对散乱点集进行三维重建。而此时我们可以利用的信息仅仅是这些散乱的数据，如何将这些离散的点集进行连续化则是三维重建首先需要考虑的问题。常见的做法是通过将这些离散的点集构建成不规则三角网或者不规则四边形网格。不规则三角网通常能够使用更少的空间和时间来拟合目标物体表面，而且不规则三角网能够以不同层次的分辨率表现目标物体。另外，根据离散的点集构建三角网的算法比较简单，效率也比较高。所以在对三维激光扫描点云数据进行三维重建时可以采用构建不规则三角网的方法。
点云三角网格化建模是指通过将点云数据按照一定的规则连接成三角形网格，从而拟合出物体表面的过程。这种网格模型可以用一个二元组（K， V）表示，其中K确定了网格之间连接的拓扑关系，包括网格的顶点、边和面之间的拓扑关系。V表示网格顶点信息的集合。这种通过构建网格模型的方法能够对散乱点云数据进行快速三维重建。
重建完成后要进行三角网后处理，主要包括：
（1）三角形网格错误检测。
自相交情况，是指相邻三角形之间存在相交的情况。这种情况往往是由于存在噪声点或者由于模型局部特征较复杂时出现的。消除这种情况的方法是首先删除相交的三角网，然后删除这些噪声点，最后重新构建三角网。
高度折射边情况，是指相邻两个三角形之间的夹角为锐角，而且相对于模型呈现凹进去的状态的情况。通常正常情况下构成模型的相邻两个三角形之间的夹角为钝角，出现这种情况可能是有个别噪声点相对于周围点凹进去了，消除这种情况的方法是首先删除出现高度折射边的三角网，然后删除这些噪声点，最后重新构建三角网。
尖状物情况，是指相邻两个三角形之间的夹角为锐角，而且相对于模型呈现凸出来的状态的情况。出现这种情况可能是有个别噪声点相对于周围点凸出来了，消除这种情况的方法是首先删除出现尖状物的三角网，然后删除这些噪声点，最后重新构建三角网。 （2）三角形网格填孔。
由于扫描过程中出现遮挡情况，所以有时候会产生少量的扫描盲区，这些盲区没有点云数据，这时候需要根据其周围的点云以及周围的点云构建的三角网进行拟合出这些盲区的三角网。通常这种拟合有三种方式：按曲率进行拟合，即指定新网格必须匹配周围网格的曲率;按切线进行拟合，即指定新网格必须匹配周围网格的曲率，但具有大于曲率的尖端;按平面进行拟合，即指定新网格大致平坦。
（3）三角形网格平滑。
由于扫描过程中出现的噪声以及拼站过程中的误差都会使得构建的三角出现轻微的凹凸不平，这时候需要对网格进行平滑处理，使得模型的表面比较光滑。
（4）三角形网格简化。
在构建完三角网后，还可以根据实际需要对模型的三角网进行简化，三角网简化必须要尽可能地保留模型的特征，所以一般进行简化的部分是模型上特征不明显的部分。
3 建筑物模型重建实例分析
由于许多历史建筑中包含有一些实体雕塑，本文通过选取一尊雕像数据来验证地面三维激光扫描仪在这种实体雕塑的三维重建中的应用。实验扫描的李四光雕像高约2m、长约1m、宽约0.5m，雕像面部特征较明显，表面较粗糙。在获取数据的基础上进行数据的处理，数据处理步骤如下：
（1）通过选取至少4对同名点进行测站之间的粗略配准;
（2）采用msa进行测站之间的精确拼接;
（3）导出点云数据后导入到Geomagic软件中进行处理，由于相邻两测站之间存在重叠点云，所以需要对点云数据进行局部重采样使得整个雕像的点云分布比较均匀，雕像表面有比较光滑的部分，也有特征比较明显的部分，所以采用曲率重采样的方法;
（4）通过点云构建三角网的方法进行三维模型重建;
（5）对网格中的自相交、高度折射边、尖状物、小孔等情况进行检测;
（6）对模型表面进行平滑處理，消除模型表面钉状物，且使三角形网格的大小一致;
（7）根据需要可以对模型的三角网格进行简化;
（8）进行纹理映射;
（9）进行色调均衡后的纹理映射。
4 结语
本文研究了三维激光扫描技术在建筑物模型重建中主要采用的建模方法，实验结果表明三维激光扫描仪获得的点云数据能够满足建模的要求。三维激光扫描仪采用非接触的测量手段，每次可采集几十万甚至更多的表面点，点与点之间的间距可达毫米级甚至更低，可精确地获得建筑物的外形、结构及表面特征，结合软件Geomagic Studio进行模型的构建，使得建模的效率及精度都有了很大的提高。但该技术仍然存在以下不足，如对于结构比较复杂或者某些构件比较复杂的部分（比如建筑物的屋顶部分），三维激光扫描仪很难获取完整的点云数据，有大量的区域会成为扫描盲区，而且这些区域往往比较小而且数量比较多，所以通过补测会带来很大的工作量。
参考文献
[1] 李必军，方志祥，任娟. 从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究[J].武汉大学学报，信息科学版，2003（1）：65-70.
[2] 刘志强.复杂场景真三维几何表达方法研究[D].首都师范大学，2005.
[3] 马立广.地面三维激光扫描测量技术研究[D].武汉大学，2005.
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