校园典型建筑物点云数据三维建模方法

郑仕雄+李佳

摘要摘要：随着数字化测量的发展，三维激光扫描仪能够快速地以多角度、高效、高精度方式获取物体的表面三维数据，可以用于校园典型建筑物的三维建模。以云南师范大学呈贡校区内的国立西南联合大学纪念碑和国立昆明师范学院纪念柱为典型建筑物三维建模对象，首先采用徕卡P40三维激光扫描仪采集它的三维点云信息，然后利用Cyclone软件对多站式点云数据进行拼接、统一化和去燥，将处理后的点云数据导入Geomagic Studio软件，对其进行封装、孔洞填充、平滑等相关处理，构建其三维模型并对模型进行纹理映射，最终完成校园典型建筑物点云数据的三维模型构建。该三维建模流程方法对校园典型建筑物的三维建模可取得较好的效果。

关键词关键词：三维激光扫描仪；点云数据；三维建模；Cyclone；Geomagic Studio

DOIDOI：10.11907/rjdk.161873

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2017）001013703

本文采用徕卡公司研制的新款三维激光扫描仪，型号为P40，对云南师范大学呈贡校区内的国立西南联合大学纪念碑和国立昆明师范学院纪念柱进行三维数据扫描，并结合Cyclone软件对点云数据进行初步处理，然后结合Photoshop、Geomagic Studio完成点云数据的三维建模工作。

1点云数据三维建模技术流程设计

文本方法中三维点云数据的扫描设备采用徕卡公司研制的型号为Leica-P40的三维激光扫描仪。Leica-P40通过高速旋转的高分辨率摄像机和不触碰的扫描方式，可以很便捷地获取到建筑物三维表面的点云数据，通过后处理软件Cyclone可以很方便地对扫描获取的点云数据进行处理，而且Cyclone还提供了丰富的文件转换格式，可以很好地满足不同用户对点云数据的处理需要。如通过Cyclone软件将数据格式进行转换后，数据可导入Geomagic Studio、AutoCAD等多平台下处理。

按照数据的采集与处理环境可将基于三维激光扫描仪的三维建模分为外业和内业两部分。外业工作主要采用硬件设备，包括扫描环境的勘测和三维点云数据的采集；内业工作主要采用软件，对采集到的三维点云数据进行处理和建模等工作。从数据采集到三维建模流程包含的具体内容如表1所示。

3.1点云数据处理

从P40三维激光扫描仪中将点云数据导出，由于涉及多个站点的数据采集，因而需首先进行多站式点云数据的拼接[4]，将多站式数据用Cyclone软件打开，利用外业采集的标靶信息，在Cyclone软件register模块中将4个站点获取的数据进行拼接使其统一到同一个坐标系统下。由于扫描环境比较复杂，因而不可避免在扫描过程中会得到一些噪声点，为了后续建模的方便处理，需要将这些噪声点进行剔除。因此，在Cyclone软件中还需对点云数据进行去燥处理。

P40三维激光扫描仪得到三维点云数据格式为.imp或者是.pts，此类格式能够与Cyclone软件兼容。但后期三维建模软件Geomagic Studio中不支持.imp或.pts文件格式，因此需要在Cyclone软件中将处理好的三维点云数据导出成后缀名为.txt、.xyz、.ptx 等Geomagic Studio支持的数据格式。本文通过Cyclone软件将数据导出.txt格式，便于在Geomagic Studio软件中处理。

3.2点云数据建模

对三维点云数据进行处理后，需要构建其三维模型，在Geomagic Studio软件中称为封装（wrap），即将散乱的三维点云数据进行空间化组织，最为典型的是构建它们的三角网。在数据采集阶段扫描对象被树叶或建筑物遮挡，导致在对象的某些地方上获取不到三维点云数据，如果直接对三维点云数据进行封装，会使构建的三角网三维模型存在空洞，因此需要对存在的空洞进行填充形成较为完整的表面模型[5]。空洞填充有利于后续操作中对整个面的构建，如果没有进行空洞填充，可能会引起后期三维模型的不完整。如图2所示，图2 （a）为封装前的点云数据，即数据处理后的点云数据；图2 （b） 为封装后的点云数据，即对点云数据构建三角网的模型，在“石碑”下面存在着较多空洞；图2 （c）为对模型进行空洞修复后的三维模型。

图2点云封装与空洞填充 对三维模型进行空洞填充后，还需要对该模型进行平滑处理，因为模型表面可能存在褶皱明显的区域[6]，而这些区域与实际的对象形状不匹配，通过平滑处理会使三角形网格或者是所选区域的表面更加光滑，并会使构成其表面的三角形大小一致。如图3所示为所选区域平滑前后的对比效果。

没有纹理的三维模型称作为裸模，不能从视觉上感受真实的实景三维效果，因此需要对已经构建好的三维模型进行纹理映射。纹理映射是将高清的实物图片映射到已经构建好的三维模型上。纹理映射需要用到外业采集的照片，将照片导入Photoshop进行裁剪、抠图等操作，以作纹理映射的素材。

纹理映射有两种常见方法：①对三维模型和照片取相同的点，在对齐视图下选择定向和投影选项（对齐视图选择中要选择四对点及以上才能成功）将纹理映射到模型中；②使用模型和图片的映射框，将置于图片下面的模型调节到适当位置来进行贴图，这种方法在贴图时应从上往下进行，不然可能会有多余的贴图覆盖或者是贴在其它区域。本文采用第二种方法进行纹理映射，如图4所示为纹理映射效果，图4（a）为国立西南联合大学纪念碑，图4（b）为国立昆明师范学院纪念柱。

本文采用徕卡P40三维激光扫描仪对云南师范大学呈贡校区内国立西南联合大学纪念碑和国立昆明师范学院纪念柱进行三维点云数据的采集，结合Cyclone、Geomagic Studio、Photoshop软件对采集到的三维点云数据进行处理和三维模型构建取得了较好效果，为校园典型建筑物的三维建模提供了一定的借鉴。

参考文献：

[1]张序，李兆堃，罗小华，等.应用三维激光扫描测量进行文物逆向工程恢复[J].测绘科学，2013，38（6）.

[2]李永强，刘会云，毛杰，等.三维激光扫描技术在煤矿沉陷区监测应用[J].测绘工程，2015，24（7）：4347.

[3]杨林，盛业华，王波.利用三维激光扫描技术进行建筑物室内外一体化建模方法研究[J].测绘通报，2014（7）：2730.

[4]盛业华，张卡，张凯，等.地面三维激光扫描点云的多站数据无缝拼接[J].中国矿业大学学报，2010，29（2）：233237.

[5]郭培閃，杜黎明.运用Geomagic Studio实现点云数据的曲面重建及误差分析[J].地理信息世界，2015（1）：5760.

[6]林鹏，刘超，郑礼全，等.基于Geomagic Studio的雕像三维建模[J].北京测绘，2014（4）：3436.