基于点云数据建模在三维数字工厂建设中的应用研究

张红春

摘要： 随着三维数字工厂建设步伐的加快和三维激光扫描技术在测量领域的广泛应用，利用点云建模技术进行三维数字工厂建设值得研究。本文以工程实例，阐述了利用点云建模技术进行三维数字工厂建设的流程，总结了其关键技术，供同行们指导、共勉。

Abstract： With speeding up the construction pace of three-dimensional digital factory and the widely use of three-dimensional laser scanner in measurement area， the construction of three-dimensional digital factory by the point cloud technology is worth to study. This paper takes engineering projects to expound the construction process of three-dimensional digital factory using point cloud modelling technology and sum up the key technology of it to provide references for counterparts.

关键词： 点云；三维数字工厂；三维激光扫描；精细化模型

Key words： point cloud；three-dimensional digital factory；three-dimensional laser scanner；refinement model

中图分类号：P225.2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）12-0045-03

0 引言

随着信息技术的发展，数字工厂建设的步伐越来越快，特别是三维数字工厂建设更是目前的热点。在三维数字工厂建设工程中，不但需要采集大量的三维坐标信息和属性信息，还需要进行精细化建模、保证模型数据的可量测性和精度。往往工厂里的建构筑物密集，很多建构筑物不但结构复杂、几何形状还不规则，若采用传统测量方式进行数据采集，不但采集效率较低，还会受到一定的测量环境条件限制。若采用三维激光扫描技术，可快速获取详细点云数据，通过点云数据提取相关建构筑物的体型模型，极大的提高了数字化采集效率，还可消除人工采集数据可能存在的粗差。因此，利用三维激光扫描技术得到的点云数据建设三维数字工厂值得研究。

1 某三维数字工厂建设流程

某工厂根据企业发展和管理需要，在已有二维总图数据的基础上，通过三维激光扫描等测量手段，获取建构筑物、架空管线等的空间位置、高度、尺寸等数据，进而制作地形、建构筑物、交通设施、管线等的三维模型，建立总面积为3.65平方公里的三维数字工厂，建设流程主要包括五个方面的内容。

①二维数据提取：在已有的二维总图数据中提取地形地貌数据、架空管线管径属性数据、地下管线空间位置和管径属性数据等。

②纹理数据获取：采用高分辨率数码相机实地拍摄建构筑物的立面照片，对照片进行裁剪、调色、干扰影像去除和拼接后获取建构筑物立面纹理。采用无人机航摄系统采集整个工厂的航片，将航片经过裁剪、调色处理后获取建构筑物顶面纹理；采用无人机航片，生成高精度数字正射影像图，获取地形纹理。局部道路、铁路、绿地等地面纹理，使用数码相机拍照片获取。

③点云数据采集：采用Riegl VZ1000三维激光扫描仪采集建模所需点云，共进行扫描测量1020站。

④点云数据处理：采用随机软件“RiSCANPRO”进行点云数据的去噪、配准和拼接等工作。对点云进行噪声去除后，通过扫描站点和定向点的坐标，或者扫描站点坐标和各站公共特征点云来完成各站点的数据对齐拼接处理。拼接完成后，根据所需数据的丰富程度，按照一定的间隔导出点云文件。

⑤三维型模制作：由二维地形图上的高程点数据、建构筑物基底面、坡坎边线构建不规则三角网，生成数字高程模型，并叠加DOM作为纹理形成地形模型。根据点云数据，采用三维逆向建模软件，提取建构筑物外轮廓的三角面模型，再根据三角面模型采用三维建模软件构建建构筑物的标准模型，最后对模型的外表面粘贴纹理，形成建构筑物模型。根据点云数据制作架空管线三维模型，模型颜色参照该类型管线实际颜色用单色模拟。以地下管线、管沟和隧道的中心线、截面尺寸和底高，由程序自动生成三维模型，模型颜色参照其实际颜色用单色模拟。综合考虑植被的表现效果，建立十字面片或多面片的植被几何模型。信号灯、检修井、消防栓等附属设施独立物采用典型样式进行建模、粘贴纹理，模型可重复使用。

2 关键技术论述

①点云数据扫描采集时，扫描仪尽量布设在较高的位置，部分站可设置在建构筑物顶上。对于重要建构筑物区域和植被遮挡严重的区域，应增加扫描站或进行高密度扫描，尽量避免出现扫描盲区。

②为了提高点云拼接精度，可采用全站仪或GPS-RTK测量扫描站点和后视定向标靶点的坐标和高程，测量精度应不低于图根控制点测量的精度。

③点云数据处理时，相邻点云模型的配准应以其中一幅点云坐标系为基准，将相邻的点云数据转换至基准坐标系下，形成完整连续的点云模型，拼接完成后必须检查拼接精度，点云拼接效果图如图1所示。

④虽然点云数据中有建筑物的完整拓扑关系，但往往存在噪声点及大量冗余数据，所以在提取轮廓时，应先将需要建模的点云数据独立出来，然后删除无关的点云数据。由于不同位置的建构筑物与激光扫描仪的距离不同，所以获取的点云数据分布就不均匀，需对点云数据进行均匀化采样，最终得到保留了建构筑物特征点而且数据量冗余小的点云数据。

⑤在地形建模时，对局部需要表现细节特征的对象，要采用等高线、特征点等数据进行细化。在构建不规则三角网（TIN）时，应采用分界线的高程点和各结点构建；其中高程点应作为散点处理，线应作为断线处理，范围面作为替换面处理；点和线上结点构成的三角网顶点，对于断线上的距离超过一定值的两点，应在两点连线上自动插点，其高程可按线性插值求得。由点和线构建TIN后，应以建模范围面为准裁剪TIN。由于数字表面模型（DSM）主要反映地形的起伏情况，而数字真正射影像（TDOM）主要显示地物、地貌的水平分布状况。只有将两者叠加起来才能形成逼真的三维地形模型。

往往工厂中的架空管线较多，在根据点云数据建模时，应采用三维逆向建模软件分段拟合，才能保证管线空间位置精度高，管径准确。在满足可视化效果的前提下，可减少管线模型的几何面数。架空管线的阀门一般采用通用模型表示，根据与其相接管线尺寸调整模型大小。

虽然通过构建三角网的方法可以快速构建建构筑物的三维轮廓模型，该三维轮廓模型能反应建构筑物的空间位置、尺寸、形状，但由于激光扫描往往会出现扫描盲区，所以有些地方会出现数据缺失，要得到建构筑物完整的三维精细化模型，还需要根据建构筑物的三维轮廓模型提供的空间位置、尺寸等信息进行精细化三维建模。

⑥在精细化建模时，先将由点云数据构建的三角面模型导入到专业建模软件中，再进行建构筑物立体化，并对照相关现场照片或航片，结合轮廓信息进行制作，达到外形与照片一致，高度、尺寸与点云一致，才可能保证不遗漏建构筑物的三维细节信息。

⑦为了保证模型本身的现实性和在三维场景中的逼真度，在构建完精细化模型后，需要利用建构筑物现场采集照片或航片等素材对模型进行纹理映射。因为建构筑物各部位具有不同的构造信息和外观特性，加之部份建构筑物使用年代较久，外观遭风化等侵蚀严重，所以应根据现场照片等素材分别制作纹理信息并贴图。建构筑模型在满足视觉效果的前提下，可减少模型的几何面数和降低纹理的分辨率，对有规律的纹理可采用重复贴图。

⑧在完成一个区域的建模后，应加入模拟现实中的灯光、天气等效果，对整个区域的场景进行烘焙处理，如加入了灯光文件烘焙出的场景，就会有阳光照射的阴影效果。

⑨为使模型能在三维场景中呈现良好的可视化效果，在烘焙处理后，可根据需要制作动态场景、动画导航。最终图如图6所示。

⑩在三维数字工厂建设中，为了合理利用已有资源，应将质量、精度和现势性良好的二维数据进行编辑处理后利用。在质量控制中，必须对数据模型的完整性、特征点的几何精度和纹理的正确性进行检查检验。

3 结束语

利用三维激光扫描技术进行点云数据采集不但操作方便、自动化程度高，而且数据获取速度快、数据精度高，大大缩短了三维数字工厂建设的外业工作时间。利用点云数据能构建高质量、精细化的三维模型，尤其对不规则及复杂几何物体的三维建模有显著的效果，在三维数字工厂的可量测性和高精度性方面起到了重要作用，具有明显优势。

虽然点云数据本身和采集有很多优点、优势，但点云数据没有纹理和颜色信息，表现不直观，如果单纯利用点云难以对地物进行判读、分类，在一定程度上制约着点云的应用。所以在三维数字工厂建设过程中，还需通过其它测量手段获取形象的纹理和颜色等属性信息，作为三维激光点云数据的纹理补充。由于三维数字工厂自身特点的要求，往往需要精细化建模，而目前精细化建模工作主要靠手工操作完成，耗时耗力；如何提高利用点云数据进行精细化建模的自动化程度，如何将点云建模技术与其它测绘技术、计算机技术和信息化技术进行更加有效的结合，仍是今后建设三维数字工厂需要研究的重要方向。

参考文献：

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[2]赵海莹，张正鹏.三维激光点云数据在城市建设中的应用[J].城市勘测，2009（1）.

[3]张启福，孙现申.三维激光扫描仪测量方法与前景展望[J].北京测绘，2011（1）.