Trimble Realworks在点云数据真三维建模中的应用

彭 磊，黄真辉，程 平，柴春鹏

(河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031)



天宝测绘解决方案专栏

Trimble Realworks在点云数据真三维建模中的应用

彭 磊，黄真辉，程 平，柴春鹏

(河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031)

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，其应用取决于点云数据的建模质量。将点云数据导入Trimble Realworks，经过数据配准、点云降噪、模型创建、曲面构建等处理，生成三维模型，并将三维模型与点云模型进行比较。试验表明，采用Trimble Realworks软件进行点云数据三维建模，大大提高了建模质量。

Trimble Realworks；三维激光扫描技术；三维建模

三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，它利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量密集点的三维坐标、反射率和RGB等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。目前，该技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域已有了很多的尝试、应用和探索。

三维激光扫描技术的应用取决于点云数据建模的质量。在三维建模中，常用的方法是利用几何建模软件通过人机交互方式获得人为控制下的三维模型，如3ds Max、AutoCAD等，这些方法建模存在周期长、精度低、不支持空间操作等一系列问题，并且对于复杂的不规则的物体，这类软件无法真实反映物体的形态。而Trimble Realworks软件可轻松读取扫描所获取的点云数据，通过自身强大的点云处理功能对点云数据进行预处理，创建出多边形模型。使用该方法进行三维建模可以充分利用点云数据，速度快、效果好，为三维建模提供了一种新的建模思路。本文将以笔者所在单位一座雕像为例，探讨如何采用Trimble Realworks软件合理有效地利用点云数据，提高建模的效率与质量。

1 点云数据获取

通过非接触测量的测量方法，三维激光扫描仪利用激光测距原理获得真三维几何结构形状的表面三维信息。三维激光扫描仪通电并打开开关后，首先扫描控制模块工作，调节激光信号的射出角度，控制反射棱镜勾速转动；然后距离测量模块得到每个点云数据所对应的激光传播距离，再利用点云数据在水平和垂直方向上的角度值，间接得出在空间分布的激光点云数据。

本文采用Trimble TX8三维激光扫描仪来获取雕像的点云数据，经过现场勘察，并结合雕像周边的环境，拟采用特征点数据拼接的方式对雕像进行4站扫描。每站扫描完成后，检查点云数据是否完整，确保最后得到精确可靠的点云数据。

2 点云数据拼接

点云数据拼接是将不同坐标系下的点云统一到同一坐标系下，对点云数据的后续处理一直到模型表面重建的各个环节都存在重要意义。常用的点云拼接方法有标靶拼接、点云特征点拼接及控制点拼接3种。由于雕像周边特征点较多，本文在Realworks软件中采用基于目标的匹配方法完成雕像的点云数据拼接。具体过程如下：

(1) 相邻两测站间选取3个公共特征点进行匹配，监测迭代过程中的误差大小与出现的比率图。

(2) 查看数据配准后的误差大小，以3 cm为误差限值，超过限值则重新配准，直至满足精度要求为止。

(3) 按步骤(1)—(2)的要求依次完成剩余站之间点云数据的拼接，最后将匹配好的点云约束在一起，完成所有站之间的拼接。拼接好的雕像点云数据如图1所示。

图1 雕像点云数据

拼接好点云数据后，删除雕像之外多余的点云，保证点云的完整与真实性。

3 基于Trimble Realworks的真三维建模

Trimble Realworks的曲面建模原理是利用许多细小的空间三角形来逼近还原CAD实体模型，又称为三角网模型。Trimble Realworks软件建模的具体流程为：点云处理—封装成三角网—三角网模型处理阶段—输出模型。

3.1 点阶段的处理

在Trimble Realworks软件中，点阶段的处理工作主要包括点云着色、降噪及重采样等。具体步骤如下：

(1) 点云数据导入Trimble Realworks软件后，首先使用点着色处理，目的是突显出噪点与现场真实的环境情况。

(2) 选择多余的噪点区域，并进行删除。

(3) 点云采样，进行点云数据规则性的点云抽稀，确保数据处理的流畅性。

(4) 封装数据，设置好相应参数后即可进行三角网封装。

3.2 三角网模型阶段的处理

该阶段是建模过程中的关键步骤，它的效果直接决定了后面的模型效果。首先需要进行填充工作，对点云数据的一些漏洞地方进行填充。填充功能用于在缺失数据的区域创建一个新的平面或曲面。可以执行全部填充和部分填充，全部填充一般用于简单结构体，对于复杂物体一般采用部分填充。根据不同的填充要求选择基于曲率、切线和平面的填充方式。

修补好孔洞后，需要进行平滑处理，首先选择模型表面褶皱明显区域进行平滑，可以通过改进工具进行修复；修复完成之后，对模型进行最后的平滑工作，可以使用删除凸起、平滑工具进行最后的平滑工作。如图2所示。

3.3 三角网模型的精度评价

模型重构过程中，精度是衡量模型重构优劣的评价标准，体现了模型与实际文物之间的差距大小。在Trimble Realworks软件中，可将参考模型与测试模型的某些相对应的特征作为特征对，对两个模型进行比较并生成精度分析报告。Trimble Realworks软件的3D比较功能可以生成反映两个模型间误差的彩色3D模型， 同时还可以给出两个模型之间的最大偏差、平均偏差及标准偏差。以雕像点云模型为参照，将三角网模型作为测试对象，两者偏差比较结果如图3所示。

图2 改进工具修复前后对比

图3 点云模型与三角网模型的3D偏差分析

以上精度评价表明，基于Trimble Realworks和点云数据构建的雕像三维模型具有很高的精度，能够精确反映出雕像的真实形状。

4 结 语

如何有效利用点云数据提高建模精度是近几年来三维激光扫描技术的研究热点。试验表明，用Trimble Realworks软件可以有效地对点云数据进行处理，包括点云配准、点云降噪、多边形处理、孔洞填充、模型光滑、生成三维模型等，大大提高了建模的效率和质量，为点云数据三维建模提供了一种参考方法。