城市建模中三维激光点云数据的运用

[摘要]随着三维激光扫描技术水平的不断提高，逐渐成为了城市建模中不可缺少的一个重要技术组成部分。基于此，本文通过介绍HDS2500激光扫描系统在城市建模中的应用实例，分析了城市建模中三维激光点云数据的具体运用情况。

[关键词]城市建模 三维激光扫描 点云数据

[中图分类号] N945.12 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-4-143-2

现阶段在建立虚拟城市时，通常都是通过城市数据地图、建筑设计图纸、航空摄影以及三维激光扫描数据等方式来取得所需数据。而当中的三维激光扫描技术系统作为一种先进的测量技术手段，正在随着仪器价格的不断下降逐渐在各大技术领域例如三维建模、空间分析以及形态测量中发挥着非常重要的作用。

1三维激光扫描技术分类

通常我们会按照激光测距原理把三维激光扫描技术分为三大类，主要包括激光三角法、脉冲测距法以及基于相位测距法等。激光扫描技术采用的是仪器内部坐标系统，如图1所示，X轴、Y轴均在横向扫描面内并相互垂直，而 Z 轴垂直于横向扫描面，同时还通过X轴和Y轴的交点。

2城市建模中三维激光点云数据的实际运用

2.1HDS2500三维激光扫描系统简介

HDS2500三维激光扫描系统主要包括两个部分，一部分为HDS2500三维激光扫描仪，扫描仪中有一个激光脉冲发射体，在运行过程中同时有两个反光镜不断的按照一定的顺序快速旋转，并将激光脉冲发射体发出的窄束激光脉冲全部扫过被检测区域。该扫描仪在计算距离时的依据就是激光脉冲从发出到返回所花费的时间，与此同时该扫描仪还可以利用编码器测量每个脉冲的角度大小，以此来获得被测物体的坐标，并将这些坐标显示在电脑屏幕上，就可以形成被测物体相对应的点云图。如下图1所示为某建筑大楼的点云图。而HDS2500三维激光扫描系统中的另一部分则为Cy-clone软件，通过采用Cy-clone软件，将点云图按照一定的原理转换为断面图、等高线图、三维模型等。人们可以从Auto-CAD软件平台更快捷的获得所需数据，同时也可以采用Cyclone软件在点云图的基础上进行三维交互式可视化检测等操作，快速的完成相关概念的设计工作。

2.2实体扫描

如上文所述的某建筑三维激光点云图，本文将该建筑物作为扫描实体作为说明案例，通过采用HDS2500三维激光扫描仪以及Cyclone5.0扫描软件，完成整个实体扫描工作。在扫描过程中，由于在水平方向上进行扫描时只能达到40°的视野，而且可以在1～50m的范围获得较高的精度，所以本案例在距离建筑物30m左右的四个方向上分别设立站点，分别进行10次分景扫描，并把各个扫描点之间的间隔距离均设置为2mm。在衔接各个景物之间时要求将其重叠度严格控制在30%～50%的范围内，并且在每个重叠区域中设置5个衔接点，每个点的位置都应保持相同的距离。

2.3对点云数据进行预处理

点云数据的预处理主要包括下述几个工作内容，分别为各景数据的拼接、去噪工作以及重采样等。首先，由于上文中四个扫描站点分别对建筑物进行了10次分景扫描，因此我们需要采用Cyclone5.0建模软件将这些获取到的点云数据进行拼接，使其成为完成的一景。通过该建模软件具有的坐标注册功能，把相邻景图像的衔接点，按照其各自的对应关系全部添加到建模软件的坐标匹配窗口内，点击注册功能后进行图像拼接。由于HSD2500激光扫描仪主要采用的是自定义独立坐标系统，所以还应该在实体附近按照上文所述的布置原则设置最少三个控制点，通过采用全站仪取得控制点的大地坐标，然后利用Cyclone5.0建模软件把所有点云数据都转换到大地坐标系中，以此来准确的获得实体的大地坐标。如果遇到误差较大的衔接点可以直接将其剔除，确保拼接精度在1单位个厘米内。其次，在扫描实体时难免会存在树木、人体、路灯等造成的遮挡问题，使得点云数据中出现较多的噪声数据，因此有必要做好去噪处理工作。这一部分工作可以利用Cyclone5.0软件内的视图工具以及编辑工具进行处理，把遮挡住实体建筑物的树木、人体、房屋等全部删除，只把建筑物楼梯以及地表的数据全部保留下来即可。遇到判断难度较小的噪点，我们只需要利用软件中具有的fence功能，通过采用多边形圈出噪点的边界，然后将fence内的点云数据全部删除。但是在实际去噪处理工作中经常遇到判断难度较大的噪点，导致我们很难将其完全剔除，例如一些与地面紧贴的花草、行人等，因此我们可以采用Cyclone5.0软件里具有的regiongrow功能，合理设置去噪时的地表范围以及角度等数据，提高去噪成功率。最后，由于本次激光扫描完成后获得了海量的数据，基本上2mm的间隔距离就能够获得1GB的点云数据，如果依然采用通常我们使用的电脑根本无法对这些数据进行处理。而对点云数据进行重采样则可以很好的解决这一问题。由于Cyclone5.0建模软件中具有重采样功能，能够随时获得2mm以上任意间隔距离中的点云数据，因此我们可以按照用户的实际需求有效控制点云之间的间隔距离，提高数据处理的工作效率。

2.4三维建模

完成点云数据的预处理工作之后，我们可以直接利用Cyclone建模软件进行三维建模工作，当然也可以将完成预处理后的数据全部导入到Microstation或者AutoCAD软件中进行建模。本文主要介绍了AutoCAD建模过程。首先在将数据导入CAD之前需要将所有的数据格式都转换成dxf，但是由于数据的海量性极大的提高了CAD数据处理的困难度。因此为了确保CAD数据处理的流畅度，可以在Cyclone建模软件中利用坐标提取工具，把表示建筑物轮廓的所有特征点的坐标都提取出来，对各个特征点设置相应的点号，将其对应的坐标按照点号保存为文本文件，采用Lisp语言进行三维展点程序的编写工作，确保Lisp程序展点的顺利进行。另外，我们还可以通过将点云数据均匀的切割为4份，把建筑物的所有信息完整的保留下来，并将每一份都分别进行保存。这样我们就可以在画建筑物的某一个部分时，只需要加载与该部分相对应的点云数据，将其作为参考文件，就能够对特征点进行操作了。

在本文案例建筑物的三维建模中，由于建筑物模型的复杂程度较大，因此我们可以将其分解为若干个简单体，先完成简单三维模型的创建工作，然后将这些简单模型组合起来，例如在构建建筑物台阶时就可以先创建几个长方形的三维模型，再将这些长方形实体组合起来形成台阶建模。另外我们还可以采用拉伸、三维列阵、三维旋转等方式进行实体的编辑工作。例如在绘制窗体时我们主要采用了三维列阵编辑法，将列阵的行、层、列等相应的偏移量全部设置好，并通过采用布尔运算获得所需组合体，然后通过线框图生成墙体和窗体。但是由于这两部分实体是相交的，所以还需要通过CAD实体编辑工具条中的差集工具，用墙体减去窗体之后墙体上形成的空洞即为窗体大小。再比如说，在绘制滴水管的面时还可以利用CAD中曲面工具来完成编辑工作。最后，完成建筑物各部分的绘制工作后，采用CAD实体编辑工具条中的并集工具，把这些各自绘制好的实体组合成一个有机整体，从而得到建筑物的整体三维模型，如图3所示。

3结束语

随着三维激光扫描技术的不断发展，现阶段已经从地面扫描技术水平的基础上上升到了航空扫描，因此更加容易获取虚拟城市的空间数据，但是随着检测站数量的不断增加，需要处理的三维点云数据量也在大幅度增多，所以如何在提高海量数据处理效率的过程中增加数据的精度将成为接下来重点解决的问题。