基于点云数据的建筑物快速三维重建方法

陈治睿;官云兰;杨鹏;胡晶晶

【摘 要】为实现建筑物的快速可视化三维重建,对用地面激光扫描仪获取的建筑物点云数据进行可视化处理,提出了一种拟合平面投影线的快速建模方法,并以Geomagic Studio软件为平台进行了实验。结果表明该方法能提高模型三维重建速度,所建模型很好地再现了原始场景,建模效果好,方法可行。%In order to realize 3D reconstruction of buildings fast,this paper first illustrated reconstruction process from point clouds gained by terrestrial laser scanner,and then a fast reconstruction method based on fitting plane projection line was proposed.Taking Geomagic studio as experiment platform,we realized the method.Result shows the method can improve 3D reconstruction speed,and the model maintains original scene well.The method has good modeling effect and is practical.

【期刊名称】《江西科学》

【年(卷),期】2011(029)005

【总页数】4页(P603-606)

【关键词】地面激光扫描;点云数据;可视化;三维重建;投影线拟合

【作 者】陈治睿;官云兰;杨鹏;胡晶晶

【作者单位】东华理工大学测绘工程学院,江西抚州344000;东华理工大学测绘工程学院,江西抚州344000;东华理工大学测绘工程学院,江西抚州344000;东华理工大学测绘工程学院,江西抚州344000

【正文语种】中 文

【中图分类】P237

随着可视化技术的发展与激光扫描仪的出现，基于点云数据的建筑物三维重建日益成为研究热点。在建筑物的三维可视化建模中，由于地面激光扫描所获取的点云数据量巨大，建筑物表面特征复杂，再加上地形数据、建筑物周围的遮挡(如树木、车辆等)以及盲区使得基于建筑物的可视化建模过程变得复杂。利用建筑物的点云数据进行建模，对点云数据进行拼接、预处理、表面建模及特征处理建立完整逼真的建筑物模型是比较常用的方法，当前的研究焦点在于如何快速的实现这一建模过程。许多学者对此进行了研究。Shi Pu［1］提出用假设轮廓线的方法来构造建筑物的不可见部分使模型保持良好的完整性，并提出二次特征提取方法，通过特征要素的自动提取大大减少了特征处理时间，提高了建模效率。这种方法对每一个建筑物部分进行建模，在处理相同建筑物结构时会重复相同的处理工作，影响了建模效率。

考虑到建筑物是由各种几何形状构成，本文提出一种新的建模方法，该方法首先获取建筑物特征在某一平面上的投影形状，然后再根据投影形状直接拟合恢复立体形状。本文

以Geomagic Studio软件为平台，通过实例分析可得该方法能实现快速可视化，快捷可行。

点云数据获取与建模的流程如图1所示。

1.1 数据采集

由于扫描视场角的限制及遮挡等原因，数据采集一般采用分站式扫描方法，即从不同扫描站对目标物进行扫描，获取各站的点云数据。分站数和采样密度应根据物体规模大小和表面特征情况合理选用。为了便于点云拼接，在2个扫描站的重叠区域放置至少3个不在同一条直线上的平面靶标或球靶标;也可以预先设置控制点，并用全站仪测量出各个控制点的大地坐标。

1.2 数据拼接

由于各站所获取的点云数据是在本扫描站坐标系下，在处理时需要将这些数据转换至一个统一坐标系下，即拼接成一片完整的数据，拼接精度直接影响到后续处理效果。点云拼接方式有多种，可以直接在处理软件中，利用软件坐标系统，通过查找公共靶标的方式完成;也可借助全站仪，测量各靶标坐标，将各站点云转换至统一的全站仪坐标系下，从而实现点云拼接。

1.3 点云滤波与精简

在激光扫描仪实际测量过程中，由于测量设备精度、操作人员经验以及被测物体表面

质量、环境条件等各种人为、随机因素的影响，测量数据点云中包含了大量的无用背景数据点，还包含了一些影响后续处理的噪声点和误差点等。若直接将测量点云数据用于曲线、曲面造型，会降低曲面精度，影响模型的光顺性，甚至导致曲面无法拟合。因此在建模之前，需要对三维激光扫描仪的实际测量数据进行降噪处理，以获得满意的三维数据。滤波是指剔除原始数据中背景数据点、噪声点和误差点等干扰点的过程。国内外的学者在3种常用滤波方法(高斯滤波、中值滤波、均值滤波)的基础上潜心研究，提出了许多改进的滤波方法，使得滤波更为简便和高效。

三维激光扫描获得的点云数据，其数据量比较大，给处理和储存工作带来很大负担。此外，采用点云数据建立物体模型，存在分辨率的问题。合理的压缩和精简点云数据可以减少不必要的操作，提高后续工作效率，有助于提高建模精度。数据压缩也是整个建模工作中的关键步骤。目前，随着地面三维激光扫描研究的深入，很多学者都提出了自己的压缩方法，新思路和新算法层出不穷。例如包围盒法［2］、基于扫描线数据压缩方法和基于网格法数据压缩方法［3］等。

1.4 表面建模

表面建模阶段，主要是根据封装后的多边形数据进行流形操作，填充孔处理;去除凸起或多余的特征，将多边形打磨光滑，编辑各处边界，进行拟合平面或者拟合孔等，建立建筑物的表面模型，还原建筑物特征。

表面建模前需要对点云数据进行整体封装，然后根据点云生成三角形格网创建模型。多边形处理的目的是生成平整光滑的表面，由于数据丢失或不完整，封装后的数据在表面

会产生孔、洞、凸起、褶皱等现象，所以必须要通过填充孔、去除特征等处理，如果生成的三角形数量太大还需要进行简化处理，否则会影响处理效率，还会造成数据量过大。表面建模后的模型曲率变化通常比较均匀，而真实建筑物的墙体或轮廓线的转角处曲率变化较大，有一定的角度，这样势必会造成建筑物模型失真。为了不让模型失真以获得具有高度真实性的建筑物三维模型，应该对这些地方进行曲率锐化。

此外，由于激光扫描扫描仪扫描区域的局限性以及建筑物的复杂结构，最终扫描结果可能导致某些建筑物结构数据的丢失，即盲区。这时还需要对模型进行修补，构建出这些不可见部分。

1.5 特征处理

特征要素的处理是建筑物建模的重要环节，是还原建筑物真实特征的关键。

如何识别出建筑物的特征要素并重建出来是当前研究的热点，一般特征要素的处理遵循以下步骤：点云分割;分析特征要素的参数;特征要素识别;对特征要素建模。当前手动处理特征要素的方法比较普及，但速度慢，效率低下。在自动特征处理方面比较典型的是Shi Pu提出的二次提取方法，这种方法先将地面激光扫描点云数据进行分割，每个部分的扫描点大致集合在它们所属的平面内，然后根据事先定义的特征参数检查这些部分，识别出它们是建筑物的哪个部分。在识别特征要素的基础上利用其他CAD辅助软件可以将建筑物的各个特征要素以简单图形的方式提取出来，然后与点云数据进行拟合。

1.6 光顺处理

光顺处理目的是从多变形阶段转换后进行一系列处理从而得到理想的曲面模型。其主要思路及流程［4］是：(1)进行轮廓线处理，探测和编辑轮廓线、探测曲率、自动拟合曲面;(2)进行曲面片处理，构造曲面片并编辑曲面片、绘制曲面片布局图;(3)进行格栅处理，构造格栅、指定尖角轮廓线;(4)完成NURBS曲面的处理，进行曲面拟合;(5)得到理想的NURBS曲面，以IGES格式文件输出到其他系统。

进入形状阶段，开始对模型的轮廓线和面片布局进行编辑以获得理想的NURBS曲面。根据探测粒度和曲率级别划分曲面，系统用黑的线框将曲面划分为多个面片，并在曲率最大的区域生成橘黄色的轮廓线。通过移动、分解或合并面片将面片的形状和布局调整到规则状态，然后对轮廓线进行逐条编辑，使轮廓线的特征更加明显，最后构建栅格拟合NURBS曲面。

通常建筑物模型的轮廓线都会有明显的角度(尖角)特征，这是建筑物模型特有的特征，需要完整的保留。如果直接拟合NURBS曲面则会造成特征丢失，造成模型失真。因此，在拟合NURBS曲面之前需要对有“尖角”特征的轮廓线进行指定，这样在拟合曲面的时候系统就会保留轮廓线的尖角特征。

2.1 建模思路

建筑物模型一般存在许多相同的特征结构，如门、窗、立柱等，如果对这些结构一一建模将会浪费很多时间。可以对这些结构进行批量建模，以本文中的凉亭为例，凉亭中存在许多造型相同的圆柱形立柱，考虑到这些特征结构的相似性，本文提出了平面投影线拟合法，并以Geomagic Studio软件为平台进行实现。该方法先选择或者创建一个平面作

为基准平面，将要建模的形状投影到基准平面上产生平面投影形状，这个平面形状即为建筑物结构在基准平面上的投影边界，通过边界编辑功能由平面投影形状恢复建筑物的立体形状。

用平面投影线拟合法可以快速处理建筑物的特征结构，对相同的结构可以批量处理，提高建模速度。特别在处理简单规则的特征结构时，用平面投影线拟合法生成的特征要素三角网结构规整，形状规则光滑，基本无需再对其进行光顺处理。

2.2 实验与结果

实验采用奥地利Riegl公司的地面三维激光扫描仪对某高校一凉亭进行扫描，扫描分6个站进行，共获取6个站点云数据。扫描时在相邻站重叠部分放置反射片，用全站仪实测这些反射片的坐标。为了实现拼接，先将反射片坐标导入扫描软件，并提取出反射片在各扫描站坐标系下的坐标，通过反射片的两套坐标，计算出各扫描站的坐标转换参数;接着将各扫描点的坐标转换至统一的全站仪坐标系统中，完成点云拼接。图2为经过拼接与去噪后的点云数据。

对点云数据预处理，经过封装、修补等系列处理后，用拟合平面投影线的方法先获取建筑物立柱结构在基准平面上的投影形状，再根据投影边界恢复立体形状。图3为实验中用拟合投影线法建凉亭某一根装饰立柱的过程，上图中圆形为立柱在基准平面上的投影线，下图为拟合投影线后生成的立柱效果图。

用此法批量处理并对立柱进行光顺处理，建模后的效果图如图4所示。

通过实验结果可以看出，拟合平面投影线法在处理大量相同特征结构时快速简便、优势明显，且恢复的立体结构特征真实程度高，数据完整性好。

大型建筑物模型的可视化三维重建是当前研究的热点。如何在短时间内处理大量点云数据实现模型的快速重建是整个建模过程的关键。本文将Geomagic studio与建筑物的三维重建结合起来，利用Geomagic studio强大的点云处理能力快速的分析和处理数据巨大的建筑物模型数据，提出了拟合平面投影线构造特征要素的方法，很好的保持了建筑物的各项特征，并且还原建筑物的真实原貌，实现了建筑物的快速可视化三维重建。

本文还存在一些不足的地方，不可见部分的构建和复杂特征要素处理方面还需要进一步深入研究。

【相关文献】

［1］ Shi Pu.Automatic building modeling from terrestrial laser scanning［J］.Lecture Notes in Geoinformation and Cartography，2008，Part II，Theme II：147-160.

［2］ Weir D J，Milroy M，Bradley C，et al.Reverse engineering physical models employing wrap-around B-spline surfaces and quadrics［A］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers.Part B，Journal of engineering manufacture［C］.1996，210：147-157.

［3］ 吴杭彬，刘 春.三维激光扫描点云数据的空间压缩［J］.遥感信息，2006，(2)：

22-24.

［4］ 成思源，谢韶旺.逆向工程技术及应用［M］.北京：清华大学出版社，2010：10.

［5］ Geomagic Inc Geomagic Studio 10［M］.培训手册，2008.