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激光雷达测绘技术进行三维重建的方法

2018-12-26

目前利用激光雷达数据进行三维重建的技术已经在智慧城市、古建筑与古文物保护、数字娱乐（游戏、动画、电影）、地质研究等方面广泛应用，是近些年科研与生产上的热门。以后在复杂建筑物施工、建筑物形变监测及水利水电工程等领域中具有广阔的应用前景。

激光雷达测绘技术是一种全新的测绘技术，可进行大范围数字地表模型的高精度实时获取，可部分穿过树林遮挡直接获取真实的地表高精度三维信息，其具有多平台、高精度、高效率、多功能、分体设计等优点，可应用于高精度1:500地籍测量、地形地理测绘、高精度DEM模型等多个测绘领域。

一、激光雷达数据进行三维重建技术发展现状

利用激光雷达数据进行三维重建技术的出现，使得任何实体事物均可实现数字化、信息化和数据化，此项技术的应用是时下较为新兴科技的话题。随着地面激光雷达技术的日臻成熟，已广泛应用于多个行业中，它的出现也无疑给建筑物的三维模型重建提供了一种全新的方法。经过其它行业的成功应用，我们认为在水利水电工程中应用应该是可行的，现在开始研究实施更能够高效地促进该行业技术发展和科技进步。

二、激光雷达数据应用内容

(1)三维模型重建

三维模型重建就是利用激光雷达设备采集的原始点云数据，逆向建立能真实反映建筑物外观与内在形状的三维模型，对于无法采集数据的隐蔽性工程根据设计图纸进行正向建模。经过重建后的三维模型必须达到高精度、高清晰度、高吻合度。

(2)通过三维模型制作相关图册和动画

在水电站高精度三维模型基础上进行进一步的加工制作，首先在模型表面赋予彩色纹理，使三维模型更加真实美观。然后将彩色三维模型渲染成高清图片，作为制作图册的基础素材。最后将渲染的效果图放置在图框中，并配合文字说明，图文并茂的方式展示水电站的主体结构、设备和鱼道等重要建筑物。

三维动画方面本项目经过研究是采用3DMax软件进行制作，动画中包含了粒子和流动特效，能充分展现水电站运时的实际效果。动画中制作了水电站场景漫游、光照变化、开闸放水和鱼道虚拟游览等内容。

（3）三维模型3D打印

3D打印技术是目前科技界最热门的话题，已经出现了3D打印房子、汽车、手枪等高难度的产品。我们基于水电站建筑物的高精度三维模型数据，使用Objet2603D打印机，将水电站建筑物的主体结构和山体进行了三维打印，打印材料为光敏树脂，该材料打印的模型表面光滑、坚固、精度较高。打印完成后，根据现场的实体环境对打印的模型进行相关的着色和喷绘。实体三维模型展现了水电站的主体结构和坝顶的各种设备，对水电站的展示宣传和综合培训起到重要作用。

三、激光雷达技术应用水电站实例

1、数据采集

三维激光雷达设备可对水工建筑物进行全方位的点云数据采集，收集了大量与工程有关的文字、图纸、照片、影像等资料。数据采集期间，作业人员克服了高海拔、天气寒冷、运输等诸多困难。

2、点云数据处理

通过三维激光雷达系统对水电站相关建筑物进行全方位扫描后，得到相对完整全面的点云数据。但是原始的点云数据包含了所有的现场元素，要进行三维模型重建就必须对数据进行细致的处理，删除干扰因素。

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处理后的点云数据图

3、三维模型重建

通过处理后的点云数据和相关图纸、照片、影像资料，重建三维模型，使重建后的三维模型具有真实尺寸，点云精度最高可达到8毫米，三维模型与点云具有同等精度，高精度三维模型可以将水电站各个建筑物的主体结构细节完整的表现出来。

三维模型的重建采用两种方法相结合的方式进行，一种是根据点云数据逆向建立；另一种是因水工建筑物的隐蔽或覆盖部分无法直接获取点云数据，根据设计图纸中的位置、尺寸等资料，将此部分正向建立模型，分别建立完成后，进行统一合并。

4、模型贴图、渲染、动画制作

对三维立体模型的贴图和叠加采用的是AO(AmbientOcclusion)贴图叠加技术技术，采用此方法制作电站三维渲染图，不仅可以增加图像的真实感和立体感，而且具有很好的展示效果。但该技术制作步骤较多，而且需要同时渲染三维底图和彩色纹理图，渲染工作量大。

三维动画方面，本项目经过研究是采用3DMax软件进行制作，动画中包含了粒子和流动特效，能充分展现水电站运时的实际效果。动画中制作了水电站场景漫游、光照变化、开闸放水和鱼道虚拟游览等内容。

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模型效果图

5、3D打印技术应用

我们基于水电站建筑物的高精度三维模型数据，使用Objet2603D打印机，将水电站建筑物的主体结构和山体进行了三维打印，打印材料为光敏树脂，该材料打印的模型表面光滑、坚固、精度较高。打印完成后，根据现场的实体环境对打印的模型进行相关的着色和喷绘。实体三维模型展现了水电站的主体结构和坝顶的各种设备。

四、三维激光雷达设备应用重点

(1) 利用三维激光雷达设备在高海拔高寒地区进行数据采集作业

本次水电站实例项目位于海拔在3500左右，路途遥远，气温较低，因之前还未有三维激光雷达设备在如此高海拔的地方进行过作业，加上设备自重加大，给外业数据采集工作带来了很多困难。经过与现场人员的多次沟通交流，最后选取及时保温、及时充电、专用车辆等多项措施保证数据采集的顺利性。通过10天的努力，完成了现场数据采集工作，为后期三维模型建立打下了坚实的基础。

(2)逆向与正向结合的方式进行三维重建

现场数据采集时水电站已基本完工，激光雷达设备只能对地上可见部分进行全方位、详细的扫描。如果采用这种直接的逆向方式进行三维模型重建，此模型将不能全面反映此水工建筑物的真实原貌。经过反复研究，采取了根据现场数据逆向建模和根据设计图纸正向建模相结合的方式，进行三维模型重建。结合建模难度非常大，很容易出现设计数据与实际数据不匹配问题，经过专业工程师与建模工程师数次沟通、研究、探讨，最终将图纸模型合并到点云模型中。

逆向与正向结合的方式既能通过点云保证模型精度，又能通过图纸保证模型的完整性，使整体模型达到理想效果。

(3)模型贴图、叠加、特效渲染等复杂技术且工作量巨大对三维立体模型的贴图和叠加采用的是AO(Ambient Occlusion)贴图叠加技术，采用此方法制作电站三维渲染图，不仅可以增加图像的真实感和立体感，而且具有很好的展示效果。但该技术制作步骤较多，而且需要同时渲染三维底图和彩色纹理图，渲染工作量大。本项目中使用的图片是在两名设计工程师和两名渲染工程师共同配合下，耗时两个多月完成的。

在水电站特效渲染和三维动画制作过程中，大量使用了粒子特效和光影变幻，将水电站开闸放水的过程表现得栩栩如生，同时制作过程动画展示开闸过程，制作的漫游动画以鱼的第一人称视角展示鱼道内部结构。本次动画渲染采用并行的方式，使用10台图形工作站同时工作，历时两个月，最终完成。

(4)3D打印技术的应用

水电站的三维立体模型制作完成后，本项目选用3D打印技术对其进行3D打印。因本建筑物体型庞大、结构复杂，此次打印的最大尺寸为80cm×100cm，不但受到三维打印机尺寸限制，而且因结构复杂打印速度也比较漫长。经过多次讨论研究，最终采用拆分打印的方法进行操作，由于拆分打印后拼接难度大，必须在模型精度和打印精度能同时保证的情况下，才能做到拼接后的缝隙几乎不可见。

5.激光雷达数据三维重建应用前景

① 水电站建筑物开工建设前可以建立原始地貌三维模型；

② 随着工程建设的进展，梯次建设三维模型，为工程验收保留不可估量的云数据，更可扩展大数据库；

③ 为水电站竣工后运营期的设备维护管理，提供了一切的可能性；

④ 可以对水电站建筑物进行完美的三维数字化展示和培

训；

⑤ 为其它类似工程建设及管理提供参考，前景十分广阔。

6.结论

利用激光雷达数据的三维重建关键技术在水利水电工程中的成功应用，将水电站及类似工程项目的建设推向了科技发展的最前沿，特别是3D打印技术的应用，使我们在同行业中率先迈出了第一步。在其它同行还未涉足，利用三维激光雷达数据三维重建领域同时，我们率先在水电站进行此方面的研究和实验是必要的，紧迫的。我们相信在不久的将来，此项技术必将在行业中得到广泛的应用。