激光雷達測繪技術進行三維重建的方法

發(fā)布日期：2018-12-26 00:00 瀏覽量：17368

目前利用激光雷達數(shù)據(jù)進行三維重建的技術已經(jīng)在智慧城市、古建筑與古文物保護、數(shù)字娛樂（游戲、動畫、電影）、地質研究等方面廣泛應用，是近些年科研與生產(chǎn)上的熱門。以后在復雜建筑物施工、建筑物形變監(jiān)測及水利水電工程等領域中具有廣闊的應用前景。

激光雷達測繪技術是一種全新的測繪技術，可進行大范圍數(shù)字地表模型的高精度實時獲取，可部分穿過樹林遮擋直接獲取真實的地表高精度三維信息，其具有多平臺、高精度、高效率、多功能、分體設計等優(yōu)點，可應用于高精度1:500地籍測量、地形地理測繪、高精度DEM模型等多個測繪領域。

一、激光雷達數(shù)據(jù)進行三維重建技術發(fā)展現(xiàn)狀

利用激光雷達數(shù)據(jù)進行三維重建技術的出現(xiàn)，使得任何實體事物均可實現(xiàn)數(shù)字化、信息化和數(shù)據(jù)化，此項技術的應用是時下較為新興科技的話題。隨著地面激光雷達技術的日臻成熟，已廣泛應用于多個行業(yè)中，它的出現(xiàn)也無疑給建筑物的三維模型重建提供了一種全新的方法。經(jīng)過其它行業(yè)的成功應用，我們認為在水利水電工程中應用應該是可行的，現(xiàn)在開始研究實施更能夠高效地促進該行業(yè)技術發(fā)展和科技進步。

二、激光雷達數(shù)據(jù)應用內容

(1)三維模型重建

三維模型重建就是利用激光雷達設備采集的原始點云數(shù)據(jù)，逆向建立能真實反映建筑物外觀與內在形狀的三維模型，對于無法采集數(shù)據(jù)的隱蔽性工程根據(jù)設計圖紙進行正向建模。經(jīng)過重建后的三維模型必須達到高精度、高清晰度、高吻合度。

(2)通過三維模型制作相關圖冊和動畫

在水電站高精度三維模型基礎上進行進一步的加工制作，首先在模型表面賦予彩色紋理，使三維模型更加真實美觀。然后將彩色三維模型渲染成高清圖片，作為制作圖冊的基礎素材。最后將渲染的效果圖放置在圖框中，并配合文字說明，圖文并茂的方式展示水電站的主體結構、設備和魚道等重要建筑物。

三維動畫方面本項目經(jīng)過研究是采用3DMax軟件進行制作，動畫中包含了粒子和流動特效，能充分展現(xiàn)水電站運時的實際效果。動畫中制作了水電站場景漫游、光照變化、開閘放水和魚道虛擬游覽等內容。

（3）三維模型3D打印

3D打印技術是目前科技界最熱門的話題，已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印房子、汽車、手槍等高難度的產(chǎn)品。我們基于水電站建筑物的高精度三維模型數(shù)據(jù)，使用Objet2603D打印機，將水電站建筑物的主體結構和山體進行了三維打印，打印材料為光敏樹脂，該材料打印的模型表面光滑、堅固、精度較高。打印完成后，根據(jù)現(xiàn)場的實體環(huán)境對打印的模型進行相關的著色和噴繪。實體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結構和壩頂?shù)母鞣N設備，對水電站的展示宣傳和綜合培訓起到重要作用。

三、激光雷達技術應用水電站實例

1、數(shù)據(jù)采集

三維激光雷達設備可對水工建筑物進行全方位的點云數(shù)據(jù)采集，收集了大量與工程有關的文字、圖紙、照片、影像等資料。數(shù)據(jù)采集期間，作業(yè)人員克服了高海拔、天氣寒冷、運輸?shù)戎T多困難。

2、點云數(shù)據(jù)處理

通過三維激光雷達系統(tǒng)對水電站相關建筑物進行全方位掃描后，得到相對完整全面的點云數(shù)據(jù)。但是原始的點云數(shù)據(jù)包含了所有的現(xiàn)場元素，要進行三維模型重建就必須對數(shù)據(jù)進行細致的處理，刪除干擾因素。

圖片1.png

處理后的點云數(shù)據(jù)圖

3、三維模型重建

通過處理后的點云數(shù)據(jù)和相關圖紙、照片、影像資料，重建三維模型，使重建后的三維模型具有真實尺寸，點云精度最高可達到8毫米，三維模型與點云具有同等精度，高精度三維模型可以將水電站各個建筑物的主體結構細節(jié)完整的表現(xiàn)出來。

三維模型的重建采用兩種方法相結合的方式進行，一種是根據(jù)點云數(shù)據(jù)逆向建立；另一種是因水工建筑物的隱蔽或覆蓋部分無法直接獲取點云數(shù)據(jù)，根據(jù)設計圖紙中的位置、尺寸等資料，將此部分正向建立模型，分別建立完成后，進行統(tǒng)一合并。

4、模型貼圖、渲染、動畫制作

對三維立體模型的貼圖和疊加采用的是AO(AmbientOcclusion)貼圖疊加技術技術，采用此方法制作電站三維渲染圖，不僅可以增加圖像的真實感和立體感，而且具有很好的展示效果。但該技術制作步驟較多，而且需要同時渲染三維底圖和彩色紋理圖，渲染工作量大。

三維動畫方面，本項目經(jīng)過研究是采用3DMax軟件進行制作，動畫中包含了粒子和流動特效，能充分展現(xiàn)水電站運時的實際效果。動畫中制作了水電站場景漫游、光照變化、開閘放水和魚道虛擬游覽等內容。

圖片2.png

模型效果圖

5、3D打印技術應用

我們基于水電站建筑物的高精度三維模型數(shù)據(jù)，使用Objet2603D打印機，將水電站建筑物的主體結構和山體進行了三維打印，打印材料為光敏樹脂，該材料打印的模型表面光滑、堅固、精度較高。打印完成后，根據(jù)現(xiàn)場的實體環(huán)境對打印的模型進行相關的著色和噴繪。實體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結構和壩頂?shù)母鞣N設備。

四、三維激光雷達設備應用重點

(1) 利用三維激光雷達設備在高海拔高寒地區(qū)進行數(shù)據(jù)采集作業(yè)

本次水電站實例項目位于海拔在3500左右，路途遙遠，氣溫較低，因之前還未有三維激光雷達設備在如此高海拔的地方進行過作業(yè)，加上設備自重加大，給外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作帶來了很多困難。經(jīng)過與現(xiàn)場人員的多次溝通交流，最后選取及時保溫、及時充電、專用車輛等多項措施保證數(shù)據(jù)采集的順利性。通過10天的努力，完成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集工作，為后期三維模型建立打下了堅實的基礎。

(2)逆向與正向結合的方式進行三維重建

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時水電站已基本完工，激光雷達設備只能對地上可見部分進行全方位、詳細的掃描。如果采用這種直接的逆向方式進行三維模型重建，此模型將不能全面反映此水工建筑物的真實原貌。經(jīng)過反復研究，采取了根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)逆向建模和根據(jù)設計圖紙正向建模相結合的方式，進行三維模型重建。結合建模難度非常大，很容易出現(xiàn)設計數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)不匹配問題，經(jīng)過專業(yè)工程師與建模工程師數(shù)次溝通、研究、探討，最終將圖紙模型合并到點云模型中。

逆向與正向結合的方式既能通過點云保證模型精度，又能通過圖紙保證模型的完整性，使整體模型達到理想效果。

(3)模型貼圖、疊加、特效渲染等復雜技術且工作量巨大對三維立體模型的貼圖和疊加采用的是AO(Ambient Occlusion)貼圖疊加技術，采用此方法制作電站三維渲染圖，不僅可以增加圖像的真實感和立體感，而且具有很好的展示效果。但該技術制作步驟較多，而且需要同時渲染三維底圖和彩色紋理圖，渲染工作量大。本項目中使用的圖片是在兩名設計工程師和兩名渲染工程師共同配合下，耗時兩個多月完成的。

在水電站特效渲染和三維動畫制作過程中，大量使用了粒子特效和光影變幻，將水電站開閘放水的過程表現(xiàn)得栩栩如生，同時制作過程動畫展示開閘過程，制作的漫游動畫以魚的第一人稱視角展示魚道內部結構。本次動畫渲染采用并行的方式，使用10臺圖形工作站同時工作，歷時兩個月，最終完成。

(4)3D打印技術的應用

水電站的三維立體模型制作完成后，本項目選用3D打印技術對其進行3D打印。因本建筑物體型龐大、結構復雜，此次打印的最大尺寸為80cm×100cm，不但受到三維打印機尺寸限制，而且因結構復雜打印速度也比較漫長。經(jīng)過多次討論研究，最終采用拆分打印的方法進行操作，由于拆分打印后拼接難度大，必須在模型精度和打印精度能同時保證的情況下，才能做到拼接后的縫隙幾乎不可見。

5.激光雷達數(shù)據(jù)三維重建應用前景

① 水電站建筑物開工建設前可以建立原始地貌三維模型；

② 隨著工程建設的進展，梯次建設三維模型，為工程驗收保留不可估量的云數(shù)據(jù)，更可擴展大數(shù)據(jù)庫；

③ 為水電站竣工后運營期的設備維護管理，提供了一切的可能性；

④ 可以對水電站建筑物進行完美的三維數(shù)字化展示和培

訓；

⑤ 為其它類似工程建設及管理提供參考，前景十分廣闊。

6.結論

利用激光雷達數(shù)據(jù)的三維重建關鍵技術在水利水電工程中的成功應用，將水電站及類似工程項目的建設推向了科技發(fā)展的最前沿，特別是3D打印技術的應用，使我們在同行業(yè)中率先邁出了第一步。在其它同行還未涉足，利用三維激光雷達數(shù)據(jù)三維重建領域同時，我們率先在水電站進行此方面的研究和實驗是必要的，緊迫的。我們相信在不久的將來，此項技術必將在行業(yè)中得到廣泛的應用。