基于移動(dòng)Li DAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)的室內(nèi)全要素三維重建

龔躍健，毛文博，畢建濤，吉 瑋，何占軍

（1．中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2．中國(guó)科學(xué)院 遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094）

隨著數(shù)字城市的快速發(fā)展，城市三維建模工作進(jìn)行得如火如荼。地面激光雷達(dá)作為現(xiàn)有城市建模中最有效的工具之一，已被廣泛應(yīng)用于室外地物的三維重建中，如城市的三維可視化建模［1］，文物的保護(hù) 與 恢 復(fù)［2，3］，施 工 地 區(qū) 等 的 實(shí) 時(shí) 變 形 監(jiān) 測(cè)［4，5］等。然而由于在室內(nèi)GPS信號(hào)存在遮擋與失鎖等問(wèn)題，激光雷達(dá)很少被用在室內(nèi)地物的三維重建中，而基于其他方法的室內(nèi)物體的三維重建，如利用全站儀，卷尺和基于立體相機(jī)模型的測(cè)量方法在大范圍環(huán)境下相對(duì)于激光雷達(dá)都很費(fèi)時(shí)和不精確［6］。激光雷達(dá)可提供高密度、高精度的點(diǎn)云，基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的室內(nèi)三維建模，能大大提高室內(nèi)物體三維建模的效率和精度，而精確的室內(nèi)三維模型在室內(nèi)文化遺產(chǎn)的保護(hù)與修復(fù) 公共場(chǎng)所的精細(xì)化管理和室內(nèi)導(dǎo)航導(dǎo)購(gòu)等方面有著很重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前，盡管基于激光雷達(dá)的室內(nèi)三維建模已受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注，但對(duì)于點(diǎn)云數(shù)據(jù)三維重建尚缺少系統(tǒng)的研究。R．Huitl［7］等采用移動(dòng)激光雷達(dá)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行掃描，得到大量高分辨率的室內(nèi)數(shù)據(jù)集，包括真實(shí)的地面實(shí)況查詢序列和點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其主要是利用谷歌推出的室內(nèi)定位服務(wù)［8］，解決室內(nèi)定位的難題，并沒(méi)有對(duì)所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)真三維重建。E．Valer o等［6］在2012年提出基于激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)建立室內(nèi)邊界模型的方法，對(duì)室內(nèi)比較規(guī)則的平面，如墻、天花板、地板等進(jìn)行了簡(jiǎn)單的重建。張勤［9］使用三維激光掃描儀對(duì)室內(nèi)進(jìn)行掃描，并綜合利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)與圖像信息實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)的三維重建，但是仍然僅限于色彩鮮明、形狀相對(duì)簡(jiǎn)單的物體。

綜上所述可知，有效利用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)室內(nèi)所有物體進(jìn)行重建，是當(dāng)前研究的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題，尚缺乏系統(tǒng)的處理方法。鑒于此，本文采用國(guó)際先進(jìn)的室內(nèi)移動(dòng)激光雷達(dá)，通過(guò)高精度I MU獲取無(wú)GPS信號(hào)區(qū)域的定位信息；采用移動(dòng)激光掃描成像系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)所有附屬設(shè)施進(jìn)行高精度激光掃描，獲取了高精度室內(nèi)彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。最后，對(duì)所得室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)及相應(yīng)圖像進(jìn)行了有效處理，實(shí)現(xiàn)了三維重建和紋理映射，最終得到高精度的室內(nèi)全要素三維模型。

1 移動(dòng)激光雷達(dá)技術(shù)簡(jiǎn)介

1．1 移動(dòng)激光雷達(dá)簡(jiǎn)介

移動(dòng)激光雷達(dá)，就是將激光雷達(dá)系統(tǒng)安裝在移動(dòng)設(shè)備上，比如汽車，手推車等，移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)主要包括定位系統(tǒng)和激光掃描成像系統(tǒng)。

定位系統(tǒng)主要包括I MU慣性測(cè)量單元和GPS。I MU具有無(wú)信號(hào)傳播、完全自主、能定位、測(cè)速、快速得出載體的姿態(tài)信息等優(yōu)點(diǎn)，可以彌補(bǔ)在室內(nèi)GPS信號(hào)失鎖、不能量測(cè)載體瞬間快速的變化等缺點(diǎn)［10］。本文通過(guò)Google最近推出的基于Wi Fi信號(hào)的室內(nèi)定位服務(wù)［7］來(lái)確定量測(cè)路線初始點(diǎn)的坐標(biāo)信息，初始點(diǎn)可以是室內(nèi)的任意一點(diǎn)。由于初始點(diǎn)坐標(biāo)是大地坐標(biāo)系坐標(biāo)，因此，整個(gè)過(guò)程的參考坐標(biāo)系為大地坐標(biāo)系。

激光掃描成像系統(tǒng)主要包括三維激光掃描儀和球面攝像機(jī)系統(tǒng)。三維激光掃描儀的基本工作原理是通過(guò)發(fā)射與接收信號(hào)時(shí)間差計(jì)算出采樣點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集車間的空間距離 再根據(jù)數(shù)據(jù)采集車的坐標(biāo)信息計(jì)算出采樣點(diǎn)的三維坐標(biāo)；通過(guò)傳動(dòng)裝置的掃描運(yùn)動(dòng)，對(duì)室內(nèi)物體進(jìn)行全方位掃描；最后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到掃描區(qū)域的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)［11－12］。球面攝像機(jī)系統(tǒng)擁有六個(gè)攝像頭，五臺(tái)分布在側(cè)面，水平朝向，一臺(tái)在頂部，垂直朝向，可以對(duì)掃描區(qū)域進(jìn)行360度實(shí)時(shí)拍照，最后得到1 200萬(wàn)像素全景影像。激光掃描測(cè)距數(shù)據(jù)精度高，不易受可見光的影響，且方向性很好，可快速獲取掃描區(qū)域的深度信息，但是對(duì)掃描區(qū)域的表現(xiàn)力度不夠；而球面攝像機(jī)系統(tǒng)可以快速獲取掃描區(qū)域的色彩及紋理信息，但易受光照變化影響，缺少掃描區(qū)域的深度信息表達(dá)［9］。采用貼圖技術(shù)實(shí)時(shí)將攝像機(jī)得到的色彩信息融合到相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上，最后得到既具有掃描區(qū)域空間幾何信息，又具有色彩信息的彩色點(diǎn)云。

1．2 移動(dòng)激光雷達(dá)與靜態(tài)激光雷達(dá)的對(duì)比分析

移動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)，可以快速自由出入一座建筑的所有部分，即使是在正在維修的場(chǎng)所也能進(jìn)行很好的工作；可以從任何角度觀察建筑，提供所有建筑對(duì)象的識(shí)別；可以徹底完整地收集廣闊區(qū)域的內(nèi)部數(shù)據(jù)；獲取數(shù)據(jù)快，保守估計(jì)1 d能測(cè)9 000 m2；能以2D和3D的方式創(chuàng)造與真實(shí)場(chǎng)景一樣的建筑圖紙和模型。而目前應(yīng)用廣泛的靜態(tài)激光雷達(dá)，雖然也是利用激光測(cè)距的原理，通過(guò)記錄被測(cè)物體表面大量密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速?gòu)?fù)建出被測(cè)目標(biāo)的三維模型及線、面、體各種圖件數(shù)據(jù)，但是僅適用于戶外，在室內(nèi)測(cè)量時(shí)會(huì)因?yàn)樵O(shè)站較多，而大大降低工作效率。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

本文采集數(shù)據(jù)的地點(diǎn)為明長(zhǎng)陵的祾恩殿，坐落于北京昌平縣天壽山南麓，為十三陵中的首陵，是十三陵中唯一保存下來(lái)的陵，原名“享殿”，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)存最大的木構(gòu)大殿。臺(tái)基高3．13 m，由三層漢白玉石雕成，占地面積達(dá)4 400余m2。殿脊到臺(tái)基地面高25．1 m，墻為紅色木墻，殿頂全為黃色琉璃瓦覆蓋。殿平面廣九間（66．75 m），深五間（22．31 m）。殿內(nèi)由60根楠木立柱支撐殿頂，其中最中心一間的四個(gè)內(nèi)柱最大，直徑達(dá)1．17 m，高約23 m，自頂至根，一木構(gòu)成。殿頂部分的檐、柁、檁、斗拱等由上千根楠木構(gòu)成。殿中央朱棣全身銅坐像，座長(zhǎng)2．9 m，寬3 m，高4．08 m，重約5．6 t。

3 室內(nèi)全要素三維重建的方法

基于移動(dòng)激光雷達(dá)的室內(nèi)全要素三維重建的方法主要有三個(gè)過(guò)程 數(shù)據(jù)獲取 數(shù)據(jù)處理與模型建立，其具體流程如圖1所示。

圖1 基于移動(dòng)激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的室內(nèi)全要素三維建模流程

3．1 數(shù)據(jù)采集

本文獲取數(shù)據(jù)的工具為Applanix公司的TI MMS（Tri mble Indoor Mobile Mapping Sol ution）系統(tǒng)，是一個(gè)約0．5 m2，高1．5 m的移動(dòng)激光雷達(dá)數(shù)據(jù)采集車，具有精確穩(wěn)健的慣性輔助定位解決方案和促進(jìn)創(chuàng)造準(zhǔn)確真實(shí)的室內(nèi)空間及其所有內(nèi)容展現(xiàn)的激光掃描成像系統(tǒng)，最佳的技術(shù)融合可以獲取室內(nèi)GPS信號(hào)漏洞區(qū)域的空間信息。TI MMS的工作原理是先觀察量測(cè)區(qū)域，制定大概的量測(cè)路線，定位初始點(diǎn)，然后推著數(shù)據(jù)采集車按量測(cè)路線行進(jìn)，慣性輔助定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)采集車的位置，激光掃描儀和全景相機(jī)采集室內(nèi)物體點(diǎn)云數(shù)據(jù)和圖片數(shù)據(jù)，同時(shí)采用貼圖技術(shù)實(shí)時(shí)地將圖像的RGB信息與相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)融合，得到帶有大地坐標(biāo)的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

3．2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理和圖像數(shù)據(jù)處理。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理工作主要包括點(diǎn)云數(shù)據(jù)的切分和對(duì)被切分的點(diǎn)云數(shù)據(jù)去除噪聲點(diǎn)，以保證接下來(lái)的三維建模工作順利進(jìn)行及所建模型的精確性和準(zhǔn)確性。本文采用Pointools系列軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù) 因?yàn)槠渚哂懈咝阅茳c(diǎn)云引擎 可以很流暢的瀏覽大數(shù)據(jù)集，抗運(yùn)動(dòng)模糊，可以基于圖層細(xì)節(jié)快速地編輯和分割點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Pointools系列軟件只支持POD格式的點(diǎn)云，因此，先通過(guò)Pointools POD Creator將大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高性能的Pointools POD格式。然后使用Pointools Edit編輯點(diǎn)云數(shù)據(jù)，將大量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按需求切分成很多小的部分，比如可以把一個(gè)柜子或者幾個(gè)柱子的點(diǎn)云數(shù)據(jù)切分出來(lái)保存單獨(dú)的一個(gè)文件（如圖2所示），切分后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)仍保持原有的所有信息如大地坐標(biāo)信息和彩色信息，以便于多人合作。還可以量測(cè)點(diǎn)云之間的距離，可用于檢驗(yàn)重建后模型的精確度。

圖2 切分出來(lái)的佛像點(diǎn)云數(shù)據(jù)

球面攝像機(jī)系統(tǒng)得到的結(jié)果是一幅幅數(shù)字全景圖像，而給模型粘貼紋理時(shí)需要正攝圖像，所以需要將數(shù)字全景圖像拆分為單個(gè)相機(jī)拍攝的圖像，即將一幅數(shù)字全景影像拆分為六幅圖像。因此，首先使用Point Grey Ladybug SDK處理數(shù)字全景影像，得到單個(gè)的普通數(shù)字圖像；然后再通過(guò)Photoshop對(duì)圖像進(jìn)行裁剪，扭曲，調(diào)色等校正處理，得到適合直接粘貼的紋理圖像。

3．3 三維建模

本文基于Autodesk CAD對(duì)祾恩殿進(jìn)行了三維重建?；贑AD平臺(tái)重建的三維模型精度都很高，保持了數(shù)據(jù)原有的坐標(biāo)系統(tǒng)，最終的模型滿足一般的三維瀏覽及測(cè)繪?；贑AD平臺(tái)的重建我們借助了Point Sence插件。Point Sence插件可將．POD格式點(diǎn)云無(wú)損轉(zhuǎn)化為其可識(shí)別的．pcg格式點(diǎn)云，并導(dǎo)入CAD里，使CAD的所有命令都可以作用于點(diǎn)云數(shù)據(jù)，使CAD能夠?qū)?shù)以億計(jì)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的后處理。以下是Autodesk CAD與其他三維軟件的性能比較［13］（如表1所示）。通過(guò)對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，目前基于CAD對(duì)室內(nèi)物體進(jìn)行三維重建是具有一定優(yōu)勢(shì)的

表1 CAD與Sketch Up、Sky Line的對(duì)比分析

而對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的物體如雕像等，如果用CAD處理，工作非常繁瑣，而且效果很不理想。因此本文采用3dreshaper軟件對(duì)不規(guī)則物體進(jìn)行三維重建，3dreshaper是一款專門處理3D點(diǎn)云數(shù)據(jù)的建模軟件，可簡(jiǎn)單快速的處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其可以對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行清除，去噪，校正等預(yù)處理，然后快速建立三角網(wǎng)格，三角網(wǎng)格優(yōu)化，補(bǔ)洞，平滑，最后一鍵式建立CAD表面模型。雖然其功能及處理數(shù)據(jù)流程類似于逆向工程軟件，但是3dreshaper是為專門處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)而誕生的，因此在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)，效率和效果等方面都明顯優(yōu)于逆向工程軟件，如Geomagic和Imageware。表2是三者的性能比較。

表2 3dreshaper與Geomagic、Imageware的對(duì)比分析

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4．1 高精度室內(nèi)彩色點(diǎn)云

采用移動(dòng)激光雷達(dá)采集室內(nèi)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以快速得到室內(nèi)所有物體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集的最終數(shù)據(jù)結(jié)果有原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)和抽稀后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，抽稀文件所包含的點(diǎn)云數(shù)為原始數(shù)據(jù)的十分之一，數(shù)據(jù)格式為．las格式，數(shù)據(jù)誤差控制在2 c m內(nèi)，得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是融合了CCD影像色彩信息的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其不僅具有用于構(gòu)建物體表面幾何模型的空間幾何特征，還包含物體表面的光譜信息，可用于恢復(fù)幾何模型的色彩和紋理特征［15］，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)

4．2 三真模型（真三維、真尺寸、真紋理）

本文基于CAD平臺(tái)，借用Point Sence插件對(duì)祾恩殿的室內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維重建。在繪制三維模型的過(guò)程中，為了使點(diǎn)云輪廓比較清晰，先將點(diǎn)云的色彩信息隱藏；將暫時(shí)不需要的點(diǎn)云也隱藏，以方便視覺上的三維重建。同時(shí)在CAD里自定義UCS用戶坐標(biāo)系，選取參考面，以快速定義到最便于工作的視圖。通過(guò)CAD的材質(zhì)貼附功能，使用經(jīng)過(guò)處理的圖像編輯相應(yīng)的材質(zhì)，然后將相應(yīng)的材質(zhì)賦值給相應(yīng)的地物，其中像柱子等單一顏色的物體，本文直接提取圖像的顏色對(duì)地物進(jìn)行賦值，實(shí)現(xiàn)有紋理的完整的三維模型。此建模方式能基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單快速的建立非常精準(zhǔn)的三維模型，在點(diǎn)云清晰處能保證誤差幾乎為零，但是只適合較規(guī)則物體的建模 祾恩殿的建模結(jié)果如圖4 所示

圖4 基于CAD的三維建模結(jié)果圖

對(duì)于復(fù)雜物體，本文利用3dreshaper軟件進(jìn)行處理。3dreshaper軟件對(duì)復(fù)雜模型建模效果非常好，但對(duì)于規(guī)則模型則不能通過(guò)一鍵式模型重建，對(duì)規(guī)則表面重建時(shí)會(huì)受噪點(diǎn)影響而出現(xiàn)表面不光滑的現(xiàn)象，圖5是最終模型部分。從圖5可以看出，3dreshaper對(duì)不規(guī)則的佛像表面處理得非常好，但是佛像下面的石凳，該平滑的平面有點(diǎn)粗糙，但是在可接受范圍內(nèi)。

通過(guò)以上處理流程，最終得到了真三維、真尺寸、真紋理、且有大地坐標(biāo)信息的室內(nèi)全要素模型。從圖5左小角黑色方框中可以看到圖中一點(diǎn)的三維坐標(biāo)，整體建模效果好。

4．3 三維建模過(guò)程中碰到的問(wèn)題

雙面問(wèn)題：繪制的三維模型不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些雙面，即重疊面或者距離非常小的兩個(gè)面，這樣在瀏覽三維模型時(shí)就會(huì)產(chǎn)生閃爍的現(xiàn)象。

解決方法 在繪圖過(guò)程中盡量避免雙面的出現(xiàn)，在瀏覽三維模型的時(shí)候檢查模型，刪除重疊面，距離很小的兩個(gè)面盡量用一個(gè)面表示

圖5 復(fù)雜物體建模結(jié)果及最終坐標(biāo)展示

紋理失真：給模型貼紋理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)紋理重疊或不全；直接根據(jù)圖像顏色對(duì)單一顏色的物體賦紋理，紋理會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。解決方法：給模型添加材質(zhì)時(shí)，仔細(xì)調(diào)整圖像的大小及方向；貼紋理時(shí)盡量使用圖片，以確保紋理的真實(shí)性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用目前較為先進(jìn)、高效率、靈活、低成本的移動(dòng)激光雷達(dá)快速獲取了高精度的室內(nèi)物體三維彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)。同時(shí)給出了室內(nèi)全要素三維重建的技術(shù)流程，并借助相應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理軟件和建模軟件，對(duì)所得的彩色點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，實(shí)現(xiàn)了快速的真三維、真尺寸、真紋理的室內(nèi)全要素可視化建模。實(shí)驗(yàn)表明，基于移動(dòng)激光雷達(dá)，可以快速獲取高精度的室內(nèi)三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采用本文提出的流程，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)全要素快速三維建模。由于本文實(shí)驗(yàn)所得模型具有大地坐標(biāo)信息，因此，還可以將所建的模型放到Google等三維地圖中共享，事實(shí)上，目前的數(shù)字地球，如谷歌和微軟Bing三維地圖，都已支持室內(nèi)三維的展示，如虛擬商店等［16］。但是如何實(shí)現(xiàn)模型的快速自動(dòng)化建模，以及根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的色彩信息給模型進(jìn)行紋理映射，需要更進(jìn)一步的深入研究。

鳴 謝

本文作者在此特別感謝北京十三陵特區(qū)辦事處對(duì)我們研究工作的支持，給我們提供獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)的場(chǎng)地，同時(shí)也特別感謝北京中科數(shù)遙信息有限公司給我們提供設(shè)備與技術(shù)支持。

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