三维激光扫描仪在数字城市三维模型建设方面的应用

摘要：本文通过利用三维激光扫描仪扫描获取建筑物的几何数据，构建数字城市三维模型的方法的研究，初步试验表明了该方法可以应用于数字城市的三维建模领域，是构建数字城市三维模型的较为先进的一种技术手段。

关键词：三维激光扫描仪 数字城市三维模型应用

Abstract: In this paper, through the use of three-dimensional laser scanner to obtain building geometry data, to build a the digital city three-dimensional model method research, preliminary tests showed that the method can be applied to the field of three-dimensional modeling of the Digital City, is a three-dimensional model to build a digital citymore advanced means of a technique.Keywords: three-dimensional laser scanner; digital city three-dimensional model; application;

中图分类号：O343.2 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

“数字城市”是以信息技术为基础，以宽带网络为纽带，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类三维描述的系统。数字城市以地理空间框架为基准，集成城市自然、社会、经济、人文、环境等综合信息，基于网络基础设施实现城市信息的广泛共享。数字城市代表了城市信息化的发展方向，是推动整个国家信息化的重要手段。国家测绘局于2006年启动了“数字城市建设示范工程”项目，在全国选择若干具备条件的城市作为试点，开展数字城市地理空间框架建设，并在最近几年内在市、县两级逐渐推广。在数字城市地理空间框架中构建三维模型，有助于提高城市的综合管理水平，提升城市的形象，在城建、规划、旅游、国土、消防等众多领域发挥了积极作用。如何快速准确的获取构建三维模型所需要的空间几何数据，一直是困扰人们的一个问题，也是国内外研究的重点和热点之一。三维激光扫描仪的出现和在工程领域的广泛应用,在这个方面实现了较大的突破和改进。三维激光扫描仪能够快速准确的获得建筑物的高程和立面数据，对于构建精准的三维模型发挥了重要的作用。

1 三维激光扫描仪测量原理

三维激光扫描仪的工作过程是一个不断重复的数据采集和处理过程，它采用仪器坐标系下的三维空间点组成的点云图来表达对目标物体采样的结果。三维激光扫描系统通过内置伺服驱动马达系统精密控制多面反射棱镜的转动，使脉冲激光束沿横轴方向和纵轴方向快速扫描。通过测量扫描仪到目标点的距离值和激光束的水平方向值和竖直方向值计算激光脚点的三维坐标。同时，彩色CCD相机拍摄被测物体的彩色照片，记录物体的颜色信息，采用贴图技术将所摄取的物体的颜色信息匹配到各个被测点上，得到物体的彩色三维信息。

2 利用三维激光扫描仪构建三维模型的工作流程

利用三维激光扫描仪获取建筑物的空间几何数据，进行数字城市三维模型建设的工作流程主要包括：外业扫描、数据拼接、特征线提取、3D建模、格式转换几个部分。

2.1 外业扫描

首先根据扫描目标的位置、大小和复杂程度设计出各扫描站和控制标靶的位置，通常一个目标点需要多个测站才能完成。可以根据当地的GPS控制点的点位，通过全站仪进行测量定向，从而确定三维扫描仪扫描数据的坐标参考。一般采用连接点测量的方法进行扫描，连接点测量法具有高效和精确的特点，站与站的连接精度可达1毫米，适用于测量范围在300 米之内的区域。

外业测量过程中，待测对象和标靶是分开进行扫描和测量的。首选在一个测站位置上选定测量区域，指定测量距离与间距，进行自动扫描。然后选择测量标靶命令，照准标靶位置，记录点位。要保证三个标靶点位在下一测站中可见，从而保证可将扫描数据依次拼接。在扫描过程中，启用三维扫描仪的自动拍照功能，在形成点云数据的同时，采集到扫描目标的纹理照片。

2.2 数据拼接

将外业的扫描数据导入到电脑的Cyclone软件中，软件可自动识别点云、图像和标靶点，并分站放置在对应的目录树下。采用连接点拼接，只需依次选中对应的两站中的三个标靶点，软件系统可自动进行拼接。选择全部点云数据，合并到一个工作场景中。在此基础上进行删除噪声点、非测量区域点，并把导入的图像的颜色分别赋予对应的点云等处理。

2.3 特征线提取

为了方便特征线的提取，通常需要将建筑物的坐标改成正南正北状态。首先框选楼房正立面墙体上一块点云，将框内的点云拟合成mesh网格平面，在生成的mesh面片上任意选择一点，点取更改坐标命令，就可将建筑物纠正为正南正北方向。将点云数据统一化后导入到AutoCAD软件中，利用Cyclone软件的cloudworx插件打开点云数据，根据点云的形状，描绘出特征线。在提取特征线的过程中，为了避免背面的点云对描线产生影响，可以使用点云切片的功能。在描线的过程中还可以使用刷新点云的功能使点云的轮廓更加清晰。

图1 坐标纠正之前状态 图2坐标纠正之后状态

图3根据点云提取模型的特征线

2.4 3D建模

将特征线文件导入3DMAX软件中，作为底图或立面高程数据的参考，进行三维建模和纹理贴图工作。利用3DMAX软件的拉伸、挤出、旋转、变形等命令进行模型，将数码相机实地采集的纹理照片或三维扫描仪拍摄的照片修饰成贴图纹理，并将纹理指定给选定对象上，完成三维建模工作。构建模型时应遵循真实性、美观性、代表性三个原则。

图4 特征线导入到3DMAX中建模图5 建成的三维模型

2.5 格式转换

现在的数字城市地理空间框架建设多是以NEWMAP软件作为平台的。该软件对导入的三维模型的格式是有要求的。一般要求数据格式为*.x格式(DirectX的压缩格式) ，模型能用微软的Directx viewer工具打开，且不缺失纹理，模型的面应尽量少。模型中用到的纹理图片应为dds(DXT3)格式，纹理尺寸采用MIP MAP 模式 (即2的n次幂 ×2的m次幂)。所以要将3D模型通过转换工具转换成上述要求的标准格式，才能导入到数字城市地理空间框架平台中。

3 结束语

本文通过对利用三维激光扫描仪扫描构建三维模型方法的研究，分析了三维激光扫描仪的工作原理，探索了构建三维模型的基本的工作流程，初步试验表明了该方法可以应用于城市建筑物的三维建模，是构建数字城市三维模型的较为先进的技术手段。另外，庞大的点云数据，如何管理和处理海量数据，并保证数据在处理过程中精度不受损失是需要进一步解决的问题。获取的三维点云数据如何能够自动拟合形成实体模型或自动提取出特征线，是三维扫描仪在软件处理方面亟待解决的内容，也是下一步研究的重点和难点问题。

参考参考文献

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[3]范海英，李畅．Cyra三维激光扫描点云数据在AutoCAD中的处理方法研究[J]．辽宁科技学院学报，2007，(3)

[4]王彬华．AutoCAD2002中文版实例教程[M]．电子科技大学出版社，2002年文献

作者简介：

宋波 (1970~)，男，山东济南人，测绘工程师，现主要从事地形测量、工程测量工作。