激光雷達(dá)測繪技術(shù)進(jìn)行三維重建的方法

發(fā)布日期：2018-12-26 00:00 瀏覽量：15764

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

激光雷達(dá)測繪技術(shù)是一種全新的測繪技術(shù)，可進(jìn)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(shè)計等優(yōu)點，可應(yīng)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(lǐng)域。

一、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建技術(shù)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(shù)的應(yīng)用是時下較為新興科技的話題。隨著地面激光雷達(dá)技術(shù)的日臻成熟，已廣泛應(yīng)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(yīng)用，我們認(rèn)為在水利水電工程中應(yīng)用應(yīng)該是可行的，現(xiàn)在開始研究實施更能夠高效地促進(jìn)該行業(yè)技術(shù)發(fā)展和科技進(jìn)步。

二、激光雷達(dá)數(shù)據(jù)應(yīng)用內(nèi)容

(1)三維模型重建

三維模型重建就是利用激光雷達(dá)設(shè)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(nèi)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(shè)計圖紙進(jìn)行正向建模。經(jīng)過重建后的三維模型必須達(dá)到高精度、高清晰度、高吻合度。

(2)通過三維模型制作相關(guān)圖冊和動畫

在水電站高精度三維模型基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)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(chǔ)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(jié)構(gòu)、設(shè)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(jìn)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(yùn)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(nèi)容。

（3）三維模型3D打印

3D打印技術(shù)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(jī)，將水電站建筑物的主體結(jié)構(gòu)和山體進(jìn)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(jìn)行相關(guān)的著色和噴繪。實體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結(jié)構(gòu)和壩頂?shù)母鞣N設(shè)備，對水電站的展示宣傳和綜合培訓(xùn)起到重要作用。

三、激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用水電站實例

1、數(shù)據(jù)采集

三維激光雷達(dá)設(shè)備可對水工建筑物進(jìn)行全方位的點云數(shù)據(jù)采集，收集了大量與工程有關(guān)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(yùn)輸?shù)戎T多困難。

2、點云數(shù)據(jù)處理

通過三維激光雷達(dá)系統(tǒng)對水電站相關(guān)建筑物進(jìn)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(jìn)行三維模型重建就必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)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(guān)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(dá)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(jié)構(gòu)細(xì)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(jié)合的方式進(jìn)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(shè)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(jìn)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(shù)技術(shù)，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(shù)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(jìn)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(yùn)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(nèi)容。

圖片2.png

模型效果圖

5、3D打印技術(shù)應(yīng)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(jī)，將水電站建筑物的主體結(jié)構(gòu)和山體進(jìn)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(jìn)行相關(guān)的著色和噴繪。實體三維模型展現(xiàn)了水電站的主體結(jié)構(gòu)和壩頂?shù)母鞣N設(shè)備。

四、三維激光雷達(dá)設(shè)備應(yīng)用重點

(1) 利用三維激光雷達(dá)設(shè)備在高海拔高寒地區(qū)進(jìn)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(yuǎn)，氣溫較低，因之前還未有三維激光雷達(dá)設(shè)備在如此高海拔的地方進(jìn)行過作業(yè)，加上設(shè)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(chǔ)。

(2)逆向與正向結(jié)合的方式進(jìn)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(dá)設(shè)備只能對地上可見部分進(jìn)行全方位、詳細(xì)的掃描。如果采用這種直接的逆向方式進(jìn)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(fù)研究，采取了根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)逆向建模和根據(jù)設(shè)計圖紙正向建模相結(jié)合的方式，進(jìn)行三維模型重建。結(jié)合建模難度非常大，很容易出現(xiàn)設(shè)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(jié)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(dá)到理想效果。

(3)模型貼圖、疊加、特效渲染等復(fù)雜技術(shù)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(shù)，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(shù)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(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)。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(shù)的應(yīng)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(shù)對其進(jìn)行3D打印。因本建筑物體型龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此次打印的最大尺寸為80cm×100cm，不但受到三維打印機(jī)尺寸限制，而且因結(jié)構(gòu)復(fù)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(jìn)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(dá)數(shù)據(jù)三維重建應(yīng)用前景

① 水電站建筑物開工建設(shè)前可以建立原始地貌三維模型；

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

③ 為水電站竣工后運(yùn)營期的設(shè)備維護(hù)管理，提供了一切的可能性；

④ 可以對水電站建筑物進(jìn)行完美的三維數(shù)字化展示和培

訓(xùn)；

⑤ 為其它類似工程建設(shè)及管理提供參考，前景十分廣闊。

6.結(jié)論

利用激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的三維重建關(guān)鍵技術(shù)在水利水電工程中的成功應(yīng)用，將水電站及類似工程項目的建設(shè)推向了科技發(fā)展的最前沿，特別是3D打印技術(shù)的應(yīng)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(dá)數(shù)據(jù)三維重建領(lǐng)域同時，我們率先在水電站進(jìn)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(shù)必將在行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

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