三維建模實驗教學方法研究論文

　　摘要：三維鐳射掃描技術已經開始大量應用於國民經濟建設的各個領域，但作為新興課程剛在各高校中開展教學活動，為了更好地服務於三維鐳射掃描課程的理論教學活動，本文從三維鐳射掃描器引數設定和操作方法開始介紹了鐳射掃描點雲採集實驗、鐳射點雲配準方法，著重論述了鐳射點雲的複雜曲面和建築物實體三維建模的實驗方法，這些實驗教學方案的實施有利促進了測繪工程專業本科生的綜合實踐操作技能的提升。

　　關鍵詞：三維鐳射掃描；三維建模；教學方法

　　0引言

　　《三維鐳射掃描》課程是針對精細三維模型在城市規劃、建築設計、房產管理、文物保護等領域中的重要用途而開設[1]，但是目前使用地面三維鐳射掃描器採集海量鐳射點雲進行自動建模的方法尚不成熟，因為鐳射點雲以三維離散點的方式在空間分佈，所以直接透過二維繪圖的方法繪製點雲實體模型會產生嚴重的位置偏差。作為新興課程其理論發展緩慢，多以上機實驗掌握鐳射點雲的建模方法為主[2]。針對規則實體的建築物建模一般選用3dsMax、Microstation、AutoCAD、Sketchup等軟體實現，而對具有曲面分佈點雲的建模一般透過構建三角網的方式來完成，在鐳射點雲曲面建模方面GeomagicWrap軟體功能強大，編輯靈活，操作方便，在實際實驗課上應用最多。針對《三維鐳射掃描》課程中實驗實施內容和過程中存在的問題，本文著重介紹鐳射點雲的資料採集、複雜曲面實體和建築物建模的教學方法，為該課程的建設提供參考例項。

　　1鐳射點雲資料的採集實驗

　　地面三維鐳射掃描器與傳統的測繪儀器（如經緯儀、水準儀、全站儀）在外形、原理和操作方法上有較大的差異，但該儀器起源於傳統的測繪儀器（如免稜鏡的全站儀），因此，在進行鐳射掃描實驗之前，教師有必要向測繪工程專業學生說明地面三維鐳射掃描器的工作原理、資料採集的模式以及與傳統測繪儀器的異同點。在此基礎上，向學生介紹地面鐳射掃描器的架站方法、對中整平方法、單反相機安置方式、電纜和電池的安裝方法等基本部件的組裝方法，鐳射掃描器的長距和高速掃描模式的選擇方法、鐳射點雲密度的設定方法、單反相機的曝光模式（如光圈、曝光速度）、拍攝相片的重疊度；向學生講解使用電纜或無線WiFi連線掃描器與膝上型電腦的方法、不使用膝上型電腦直接採用鐳射掃描器的方法；向學生說明掃描過程中的一些注意事項，如不要觸碰三腳架、不要遮擋到所採集地物的鐳射掃描器和相機的視場角、不要長時間用眼睛注視掃描器發射的鐳射等，還有如何佈設強反射標準板的方法；鐳射掃描完成後，向學生演示如何下載儲存鐳射點雲和拍攝的RGB影像資料以及如何匯入到鐳射掃描器的後處理軟體中。一般情況下，一臺地面鐳射掃描器的價格高達1百萬元，因此實驗室購置的地面鐳射掃描器的數量通常不能滿足一個教學班的教學需求，實驗課上一般由教師進行演示操作，需要學生實驗小組在課餘時間分批次地借鐳射掃描器進行操作訓練。採集地物的過程中往往需要採集多站鐳射點雲資料，然後配準多站鐳射點雲成為一個全面整體的實體資料，這個過程需要完成鐳射點雲的粗配準和精配準2步操作[3]，下面以RieglRiscan軟體4站鐳射點云為例進行說明。在粗配準操作中，以第1掃描站為基準站點，使用RiscanPro軟體的粗配準功能在相鄰2站之間選擇4對強反射標誌的圓心位置作為同名特徵點對，經過平移和旋轉後將另一站鐳射點雲資料配準到第1站上，同理可依次將第3、4站分別配準到第2、3站上，從而完成鐳射點雲資料的粗配準工作。在精配準操作中，利用迭代最鄰近（IterativeClosestPoint,ICP）演算法在站點對應點雲中搜尋最鄰近的同名點，根據最鄰近點解求剛體變換的旋轉和平移引數，這裡仍然設定第1站為基準站，保持其位置和角度固定，只需要旋轉平移其餘3站鐳射點雲即可，透過最鄰近點對的不斷搜尋和變換引數的迭代計算完成點雲的`精配準過程，各點雲精配準的相對誤差控制在毫米精度以內。將精配準後的完整點雲資料匯出為*.wrl或*.las格式，然後匯入到GeomagicWrap軟體或MicrostationV8i中顯示。

　　2鐳射點雲複雜曲面實體的建模實驗

　　不同的掃描物件對應不同的三維建模方法，對於複雜的曲面實體可採用GeomagicWrap軟體進行三角網建模[4]。由於鐳射全景掃描過程中掃入了大量不需要的地物，因此首先需要對匯入的鐳射點雲進行裁剪操作得到大石頭的鐳射點雲，為增強點雲顯示效果對點雲進行著色。教師透過上傳實驗的影片、操作指導書到網路課程資源平臺，先由學生課下預習，然後教師課上演示建模過程。具體需要演示的建模過程如下：1）透過“體外孤點”和“非連線項”刪除噪聲鐳射點雲，對於少量點雲空洞區域，利用“填充孔”功能新增少量鐳射點。2）使用“稜柱形（保守）”工具減少點雲噪聲，使用“曲率取樣”的方式重取樣鐳射點。3）生成三角網後，仍需要“填充孔”工具修補模型孔洞，採用“去除特徵”、“刪除釘狀物”和“砂紙”工具平滑物件表面，採用“網格醫生”命令修復多邊形缺陷，使用“用平面裁剪”和“伸出邊界”工具製作底部平臺。4）根據“紋理貼圖”功能，生成“生成紋理貼圖”，為物件的對應各個側面和頂面對映紋理影象，其中紋理影象需要提前在Photoshop軟體中進行斜切、影象增強等編輯操作。

　　3鐳射點雲三維建築物建模實驗

　　針對規則建築物實體的建模方法，應採用傳統的建築類設計和規劃軟體比較適合，本文選擇Microstation軟體進行建模實驗，該軟體具有二三維設計和鐳射點雲匯入功能，操作簡便，易於上手，適合本科生練習使用。首先，設計10個學時的時間教授該軟體的二維物件繪圖、三維位置精確繪圖、輔助座標系、三維物件的精確繪圖、三維模型的高階編輯功能，促使學生掌握該軟體的基本繪圖、編輯和三維建模功能，以此為基礎，再花費4個學時的時間講解鐳射點雲的三維建模方法，重點教授鐳射點雲特徵點捕捉方法、鐳射點雲建築物輪廓線繪製方法、輔助座標系在點雲繪圖中的應用、三維模型紋理對映、光照設定、渲染設定等操作方法，通過幾個三維模型繪製的例項將學生傳統的二維繪圖視野轉換到三維空間世界，這些實驗需要保證學生擁有充足的時間消化理解三維建築物建模的原理和方法。

　　4結束語

　　地面三維鐳射掃描器作為測繪新技術已經在測繪相關的領域發揮了巨大作用，該課程教學活動已在高等學校中開展，透過介紹鐳射掃描器的採集方法，闡述基於鐳射點雲的複雜實體曲面建模實驗實施方案，簡介了基於鐳射點雲的三維建築物建模實驗過程，豐富了三維鐳射掃描課程的三維建模實驗教學內容，提高了實驗教學的水平，增強了測繪工程專業本科生的實踐操作技能，為三維鐳射掃描課程的教學提供了實驗教學參考。

　　參考文獻：

　　[1]曲相屹,王偉,孫曉東等.三維鐳射掃描技術在礦山測繪中的應用[J].山東工業技術,2016(22):99.

　　[2]李峰,劉小陽,孫廣通等.三維鐳射掃描課程的教學實踐探索[J].科技視界,2017(16):60+66.

　　[3]陳茂霖,盧維欣,萬幼川等.無附加資訊的地面鐳射點雲自動拼接方法[J].中國鐳射,2016(04):212-220.

　　[4]李曉雙,宋彬,鄭丹.基於Geomagic的複雜實體三維點雲建模研究[J].測繪與空間地理資訊,2017(06):130-132.