激光雷達測繪技術(shù)進(jìn)行三維重建的方法

目前利用激光雷達數據進(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、數字娛樂(lè )（游戲、動(dòng)畫(huà)、電影）、地質(zhì)研究等方面廣泛應用，是近些年科研與生產(chǎn)上的熱門(mén)。以后在復雜建筑物施工、建筑物形變監測及水利水電工程等領(lǐng)域中具有廣闊的應用前景。

 激光雷達測繪技術(shù)是一種全新的測繪技術(shù)，可進(jìn)行大范圍數字地表模型的高精度實(shí)時(shí)獲取，可部分穿過(guò)樹(shù)林遮擋直接獲取真實(shí)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(diǎn)，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(gè)測繪領(lǐng)域。

一、激光雷達數據進(jìn)行三維重建技術(shù)發(fā)展現狀

利用激光雷達數據進(jìn)行三維重建技術(shù)的出現，使得任何實(shí)體事物均可實(shí)現數字化、信息化和數據化，此項技術(shù)的應用是時(shí)下較為新興科技的話(huà)題。隨著(zhù)地面激光雷達技術(shù)的日臻成熟，已廣泛應用于多個(gè)行業(yè)中，它的出現也無(wú)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(guò)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，現在開(kāi)始研究實(shí)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、激光雷達數據應用內容

(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(diǎn)云數據，逆向建立能真實(shí)反映建筑物外觀(guān)與內在形狀的三維模型，對于無(wú)法采集數據的隱蔽性工程根據設計圖紙進(jìn)行正向建模。經(jīng)過(guò)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(guò)三維模型制作相關(guān)圖冊和動(dòng)畫(huà)

在水電站高精度三維模型基礎上進(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(shí)美觀(guān)。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(shuō)明，圖文并茂的方式展示水電站的主體結構、設備和魚(yú)道等重要建筑物。

三維動(dòng)畫(huà)方面本項目經(jīng)過(guò)研究是采用3DMax軟件進(jìn)行制作，動(dòng)畫(huà)中包含了粒子和流動(dòng)特效，能充分展現水電站運時(shí)的實(shí)際效果。動(dòng)畫(huà)中制作了水電站場(chǎng)景漫游、光照變化、開(kāi)閘放水和魚(yú)道虛擬游覽等內容。

（3）三維模型3D打印

3D打印技術(shù)是目前科技界最熱門(mén)的話(huà)題，已經(jīng)出現了3D打印房子、汽車(chē)、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據，使用Objet2603D打印機，將水電站建筑物的主體結構和山體進(jìn)行了三維打印，打印材料為光敏樹(shù)脂，該材料打印的模型表面光滑、堅固、精度較高。打印完成后，根據現場(chǎng)的實(shí)體環(huán)境對打印的模型進(jìn)行相關(guān)的著(zhù)色和噴繪。實(shí)體三維模型展現了水電站的主體結構和壩頂的各種設備，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(shù)應用水電站實(shí)例

1、數據采集

三維激光雷達設備可對水工建筑物進(jìn)行全方位的點(diǎn)云數據采集，收集了大量與工程有關(guān)的文字、圖紙、照片、影像等資料。數據采集期間，作業(yè)人員克服了高海拔、天氣寒冷、運輸等諸多困難。

2、點(diǎn)云數據處理

通過(guò)三維激光雷達系統對水電站相關(guān)建筑物進(jìn)行全方位掃描后，得到相對完整全面的點(diǎn)云數據。但是原始的點(diǎn)云數據包含了所有的現場(chǎng)元素，要進(jìn)行三維模型重建就必須對數據進(jìn)行細致的處理，刪除干擾因素。

處理后的點(diǎn)云數據圖

3、三維模型重建

通過(guò)處理后的點(diǎn)云數據和相關(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(shí)尺寸，點(diǎn)云精度最高可達到8毫米，三維模型與點(diǎn)云具有同等精度，高精度三維模型可以將水電站各個(gè)建筑物的主體結構細節完整的表現出來(lái)。

三維模型的重建采用兩種方法相結合的方式進(jìn)行，一種是根據點(diǎn)云數據逆向建立；另一種是因水工建筑物的隱蔽或覆蓋部分無(wú)法直接獲取點(diǎn)云數據，根據設計圖紙中的位置、尺寸等資料，將此部分正向建立模型，分別建立完成后，進(jìn)行統一合并。

4、模型貼圖、渲染、動(dòng)畫(huà)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(shí)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(shí)渲染三維底圖和彩色紋理圖，渲染工作量大。

三維動(dòng)畫(huà)方面，本項目經(jīng)過(guò)研究是采用3DMax軟件進(jìn)行制作，動(dòng)畫(huà)中包含了粒子和流動(dòng)特效，能充分展現水電站運時(shí)的實(shí)際效果。動(dòng)畫(huà)中制作了水電站場(chǎng)景漫游、光照變化、開(kāi)閘放水和魚(yú)道虛擬游覽等內容。

模型效果圖

5、3D打印技術(shù)應用

我們基于水電站建筑物的高精度三維模型數據，使用Objet2603D打印機，將水電站建筑物的主體結構和山體進(jìn)行了三維打印，打印材料為光敏樹(shù)脂，該材料打印的模型表面光滑、堅固、精度較高。打印完成后，根據現場(chǎng)的實(shí)體環(huán)境對打印的模型進(jìn)行相關(guān)的著(zhù)色和噴繪。實(shí)體三維模型展現了水電站的主體結構和壩頂的各種設備。

四、三維激光雷達設備應用重點(diǎn)

(1) 利用三維激光雷達設備在高海拔高寒地區進(jìn)行數據采集作業(yè)

本次水電站實(shí)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(jìn)行過(guò)作業(yè)，加上設備自重加大，給外業(yè)數據采集工作帶來(lái)了很多困難。經(jīng)過(guò)與現場(chǎng)人員的多次溝通交流，最后選取及時(shí)保溫、及時(shí)充電、專(zhuān)用車(chē)輛等多項措施保證數據采集的順利性。通過(guò)10天的努力，完成了現場(chǎng)數據采集工作，為后期三維模型建立打下了堅實(shí)的基礎。

(2)逆向與正向結合的方式進(jìn)行三維重建

現場(chǎng)數據采集時(shí)水電站已基本完工，激光雷達設備只能對地上可見(jiàn)部分進(jìn)行全方位、詳細的掃描。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(shí)原貌。經(jīng)過(guò)反復研究，采取了根據現場(chǎng)數據逆向建模和根據設計圖紙正向建模相結合的方式，進(jìn)行三維模型重建。結合建模難度非常大，很容易出現設計數據與實(shí)際數據不匹配問(wèn)題，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)工程師與建模工程師數次溝通、研究、探討，最終將圖紙模型合并到點(diǎn)云模型中。

逆向與正向結合的方式既能通過(guò)點(diǎn)云保證模型精度，又能通過(guò)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

模型貼圖、疊加、特效渲染等復雜技術(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(shí)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(shí)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(shí)兩個(gè)多月完成的。

在水電站特效渲染和三維動(dòng)畫(huà)制作過(guò)程中，大量使用了粒子特效和光影變幻，將水電站開(kāi)閘放水的過(guò)程表現得栩栩如生，同時(shí)制作過(guò)程動(dòng)畫(huà)展示開(kāi)閘過(guò)程，制作的漫游動(dòng)畫(huà)以魚(yú)的第一人稱(chēng)視角展示魚(yú)道內部結構。本次動(dòng)畫(huà)渲染采用并行的方式，使用10臺圖形工作站同時(shí)工作，歷時(shí)兩個(gè)月，最終完成。

(4)3D打印技術(shù)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(shù)對其進(jìn)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(cháng)。經(jīng)過(guò)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(shí)保證的情況下，才能做到拼接后的縫隙幾乎不可見(jiàn)。

5.激光雷達數據三維重建應用前景

① 水電站建筑物開(kāi)工建設前可以建立原始地貌三維模型；

② 隨著(zhù)工程建設的進(jìn)展，梯次建設三維模型，為工程驗收保留不可估量的云數據，更可擴展大數據庫；

③ 為水電站竣工后運營(yíng)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(jìn)行完美的三維數字化展示和培

訓；

⑤ 為其它類(lèi)似工程建設及管理提供參考，前景十分廣闊。

6.結論

利用激光雷達數據的三維重建關(guān)鍵技術(shù)在水利水電工程中的成功應用，將水電站及類(lèi)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(shù)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據三維重建領(lǐng)域同時(shí)，我們率先在水電站進(jìn)行此方面的研究和實(shí)驗是必要的，緊迫的。我們相信在不久的將來(lái)，此項技術(shù)必將在行業(yè)中得到廣泛的應用。

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