梁晨　張安兵　杜賽賽　張新新　王炳靈

【摘 要】本文以河北省某高校某一校區(qū)為研究對象，利于天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀獲取學(xué)校內(nèi)各建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀的點(diǎn)云后處理軟件Realworks對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后再利用SketchUp軟件進(jìn)行建筑物三維建模，對模型進(jìn)行紋理信息的補(bǔ)充，建立具有逼真視覺效果的三維數(shù)字化校園模型。

【關(guān)鍵詞】地面三維激光掃描技術(shù)；點(diǎn)云數(shù)據(jù)；三維建模；數(shù)字校園

中圖分類號： P208 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）23-0163-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.23.072

【Abstract】This paper takes a certain campus of a university in Hebei Province as the research object，Tianbao （Trimble） TX8 3D laser scanner is used to get cloud data of buildings in schools.Then，we use Tian Bao（Trimble） TX8 3D laser scanner's point cloud post-processing software Realworks to process the point cloud data，F(xiàn)inally，the SketchUp software is used for building 3D modeling，Supplement of the texture information to the model，A three-dimensional digital campus model with realistic visual effects is established.

【Key words】3D ground laser scanning technology；Point cloud data；3D modeling

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，地面三維激光掃描技術(shù)作為一門新興的測繪技術(shù)，成為了人們的關(guān)注熱點(diǎn)之一[1]。近年來，隨著人們對建筑物三維化信息的需求日漸增加，傳統(tǒng)的二維平面信息已經(jīng)很難滿足人們的需求。而三維數(shù)字校園具有逼真的視覺效果，可以真實(shí)地展現(xiàn)校園景觀，提供更加豐富的建筑物信息，提供更加完善的信息化服務(wù)[2]。地面三維激光掃描技術(shù)作為一門新興的測繪技術(shù)，逐漸取代了傳統(tǒng)的測量方式，對測繪成果數(shù)字化、科學(xué)化具有重要的意義[3]。該技術(shù)采用激光進(jìn)行測量，非接觸、高速度、高精度、大量地獲取目標(biāo)物的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被稱為“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)、動態(tài)、真實(shí)地反映客觀事物的現(xiàn)狀，為科學(xué)準(zhǔn)確地建立數(shù)字模型提供一種全新的技術(shù)手段。

美國，加拿大，瑞典等國對三維激光掃描技術(shù)的研究起步較早，已經(jīng)形成具備一定規(guī)模的新興產(chǎn)業(yè)。其中地面三維激光掃描技術(shù)是研究的熱點(diǎn)，并且已經(jīng)取得了大量的成果及商業(yè)化產(chǎn)品，特別是機(jī)載三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。如瑞典的SASB公司的Topeye系統(tǒng)，加拿大Optech公司的ALTM系統(tǒng)，美國John Chance公司的Fli--map系統(tǒng)等。由于基于TOF激光測距技術(shù)的三維激光掃描儀是近幾年研究的新成果，目前國內(nèi)外對此技術(shù)的研究仍處于探索階段[4]。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，獲取更加全面、精細(xì)的建筑物三維信息及紋理信息已經(jīng)成為數(shù)字校園的建設(shè)在全國已經(jīng)形成一個(gè)勢不可擋的浪潮[5]。本文以河北省某高校某一校區(qū)為研究對象，利于天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀及SketchUp建模軟件，建立具有逼真視覺效果的三維數(shù)字化校園模型。

1 研究方法

本文以河北省某高校某一校區(qū)為研究對象，基于天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀與SketchUp建模軟件進(jìn)行三維數(shù)字校園建設(shè)。

所用三維激光掃描儀的基本信息如表1所示。

表1 三維激光掃描儀基本信息

本文主要技術(shù)路線如圖1所示。首先利用天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀對校園內(nèi)主要建筑物進(jìn)行掃描，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再利用天寶（Trimble）TX8三維激光掃描儀點(diǎn)云后處理軟件Realworks對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)、去噪、去遮擋物等處理，然后在形成的完整建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中利用SketchUp軟件對建筑物進(jìn)行三維建模，再對建好的三維模型添加合適的紋理[6]，最后利用已有的地形圖資料對構(gòu)件好的三維模型根據(jù)實(shí)際比例進(jìn)行縮放，再根據(jù)地形圖資料添加道路等地物信息，最后對數(shù)字三維校園進(jìn)行后期渲染與修飾，形成完整的數(shù)字三維校園模型[7]。

2 數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取與處理

由于校園內(nèi)教學(xué)樓等建筑較多，不可能一次性使用三維激光掃描儀將所有的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)都掃描到，所以本研究對建筑物進(jìn)行分區(qū)掃描，最后將掃描到所有的建筑物點(diǎn)云利用已有的地形圖資料在SketchUp建模軟件中進(jìn)行三維建模。

校園內(nèi)某建筑物的數(shù)據(jù)獲取及處理過程如下。該建筑物掃描共設(shè)置8個(gè)測站，通過匹配各測站點(diǎn)的同名目標(biāo)球，完成8個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云配準(zhǔn)與拼接。點(diǎn)云數(shù)據(jù)最終配準(zhǔn)與拼接結(jié)果如圖2所示。所有建筑物的掃描點(diǎn)云配準(zhǔn)與拼接過程中，相鄰測站點(diǎn)間均勻3個(gè)或3個(gè)以上同名目標(biāo)球匹配，并且目標(biāo)球的位置均掃描良好，滿足點(diǎn)云配準(zhǔn)的精度和要求，配準(zhǔn)結(jié)果最大誤差為0.015m，配準(zhǔn)效果良好。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括去除噪聲、點(diǎn)云配準(zhǔn)與拼接、數(shù)據(jù)精簡和三維建模幾個(gè)方面。點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與拼接完成后再將其進(jìn)行去噪、數(shù)據(jù)精簡等處理，形成的完整建筑物的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

2.2 平面數(shù)據(jù)的獲取與處理

利用Google Earth 中的影像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行矢量化處理，勾畫出建筑物平面圖及地物平面圖，如圖3、圖4所示。

3 數(shù)字模型的建立

基于掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維模型建立，采用約束自動建立模型，并在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行修改[8]。本文采用對建筑物的角點(diǎn)檢測方法，在SketchUp中直接創(chuàng)建出建筑物的各個(gè)角點(diǎn)，并將創(chuàng)建的相應(yīng)角點(diǎn)進(jìn)行連接，形成建筑物的各個(gè)面，形成一個(gè)獨(dú)立的建筑物三維模型[9]，如圖5所示。

由于采用三維激光掃描技術(shù)利用點(diǎn)云數(shù)據(jù)對建筑物進(jìn)行建模時(shí)，每個(gè)建筑物都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，所以需要對建筑物進(jìn)行場景合并，并將所有建筑物及地物信息合并在同一坐標(biāo)系中[10]。最后對校園模型進(jìn)行渲染及修飾，建立具有逼真視覺效果的三維數(shù)字化校園模型，下圖為傳統(tǒng)的二維校園平面圖與三維建模數(shù)字化校園圖對比，如圖6、圖7所示。

4 結(jié)論

本文以三維激光掃描技術(shù)采集的建筑物點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為校園建筑物建模數(shù)據(jù)，以Google Earth 提供的高分辨率影像為校園區(qū)域的主要平面數(shù)據(jù)及坐標(biāo)系統(tǒng)依據(jù)，利用SketchUp軟件構(gòu)建了河北省某高校某一校區(qū)的三維數(shù)字化校園模型，與傳統(tǒng)的二維校園平面圖形相比具有逼真視覺效果。該數(shù)字校園模型實(shí)現(xiàn)了三維校園的放大、縮小、查看屬性信息，對建立大范圍的“數(shù)字城市”等都具有重要的參考價(jià)值。

由于受時(shí)間等因素的限制，本文未對精度方面的研究進(jìn)行嘗試，僅利用相對位置之間的誤差作為精度分析的依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和三維模型景觀技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字校園的建模還可以添加更多現(xiàn)實(shí)豐富的內(nèi)容：如在數(shù)字校園模型中添加動態(tài)模型（例如運(yùn)動中的人、行進(jìn)的汽車和動態(tài)的噴泉等）和自然現(xiàn)象（風(fēng)、雨、雪等）?？傊?，利用三維激光技術(shù)進(jìn)行三維模型的建立可以更加趨近于真實(shí)場景，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景的三維數(shù)字模型化。

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